AluminiumAluminiumeigenschaften

Festigkeit von Aluminium und Aluminiumlegierungen

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Wichtigste mechanische Eigenschaften

Für nahezu jedes Konstruktionsmaterial, einschließlich, und für Aluminium, Die wichtigsten mechanischen Eigenschaften sind:

  • Zugfestigkeit,
  • Streckgrenze 0,2 %
  • relative Ausdehnung.

Aluminium-Strukturlegierungen haben eine Mindestzugfestigkeit von 200 zu 500 MPa. Luft- und Raumfahrtlegierungen mit Zink und Kupfer weisen maximale Festigkeit auf, z.B, Legierung 7075 (Bild 1).

 

Bild 1 – Festigkeitsniveaus verschiedener Aluminiumlegierungen

Unlegiertes Aluminium kann diese Festigkeit auch unter kaltverfestigten Bedingungen nicht erreichen, die durch seine kalte plastische Verformung entstehen. Diese Zustände werden erreicht, z.B, zum Kaltwalzen von Blechen und Ziehen von extrudierten Rohren. Gleichzeitig, Kaltverformung von unlegiertem Aluminium führt zu einer deutlichen Erhöhung seiner Festigkeit Eigenschaften (Zugfestigkeit Rich Zug- und Streckgrenze Rp0,2) im Vergleich zu unlegiertem Aluminium im "weichen" Zustand, z.B, nach dem Glühen (Abbildung 2).

Typische strukturelle Aluminiumlegierungen, die für tragende Konstruktionen von Gebäuden und Bauwerken verwendet werden, sind hochlegierte Ausführungen von thermisch ungehärteten Legierungen der Systeme Al-Mg und Al-Mg-Mn und thermisch gehärteten Legierungen der Systeme Al-Mg-Si und Al-Zn-Mg.

Bild 2- Mindestertragsstärken 0,2% und
Zugfestigkeit
nach europäischen Normen EN 485-2, AUF 754-2 è IN 755-2
dfür verschiedene Arten von Aluminiumknetlegierungen [1]

Zwei Härtungsmechanismen

Es gibt zwei Mechanismen zum Härten von Aluminiumlegierungen., die sich ergänzen können:

  • Kaltverfestigung und
  • thermisches Härten (Alterung).

Als Ausgangspunkt für die Beurteilung des Festigkeitswachstums von Aluminiumlegierungen durch Verformung oder thermisches Härten werden in der Regel die Werte der Festigkeitskennwerte der Legierung im „weichen“ Zustand verwendet, das ist sein Zustand nach dem vollständigen Glühen.

Selbst im Zustand des vollständigen Glühens nimmt die Festigkeit jeder Legierung mit zunehmendem Gehalt an Zwischengitteratomen in der festen Lösung von Aluminium zu., das heißt, eine Erhöhung des Gehalts an Legierungselementen. Beispiele sind Legierungen der Systeme Al-Mg und Al-Mg-Mn, die durch Kreise mit Pluszeichen (+) am unteren Rand des Diagramms im Bild dargestellt sind 1.

Kaltverfestigung

Kaltverfestigung ist plastische Verformung, z.B, durch Kaltwalzen, wodurch Versetzungen im Kristallgitter von Aluminium entstehen. Mit zunehmendem Grad der plastischen Verformung kollidieren diese Versetzungen zunehmend miteinander und, als Ergebnis, erhöhen den Widerstand gegen weitere Verformung und, daher, es gibt eine Zunahme der Stärke. Kaltverfestigung (Work-Hardening) äußert sich in Form einer starken Erhöhung des Verhältnisses Rp0,2/Rich mit entsprechend merklicher Abnahme des Wertes der relativen Bruchdehnung des Prüflings.

 

Abbildung 3 – Einfluss der Kaltverfestigung auf die mechanischen Eigenschaften [3]

Dieser Härtungsmechanismus wird verwendet, um die Festigkeit von Aluminium und Aluminiumlegierungen folgender Legierungssysteme zu erhöhen:

  • Al
  • Al-Mn
  • Al-Mg
  • Al-Mg-Mn

Erweichungsglühen

Rekristallisation

Jede Festigkeitssteigerung durch Kaltverfestigung verschwindet bei Temperaturen über 250 ºС durch Rekristallisation und die Festigkeit der Aluminiumlegierung kehrt auf dieses Niveau zurück, die er in einem "weichen" Zustand hatte. Glühen bei Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur (die von der chemischen Zusammensetzung der Legierung und dem Grad der plastischen Kaltverformung abhängt) führt zu einem weniger dramatischen Festigkeitsverlust als Ergebnis des Rückstellprozesses.

Abbildung 4 – Änderung von Härte und Gefüge beim Glühen [3]

Rückkehr

Dieses thermische Erweichen (Glühen bei einer Temperatur 200-250 ºС) bewerben, z.B, um einen "halbfesten" Zustand für das Blech zu erhalten, die sich im "festen" Zustand befindet. Bei einem gegebenen Festigkeitsniveau einer Aluminiumlegierung ist die Dehnung deutlich höher, als bei gleicher Stärke, die einfach durch Kaltplastikverarbeitung gewonnen wird.

Abbildung 5 – Isotherme Glühkurven von Legierungen 5754 [3]

Thermisches Härten

Die thermische Härtung von Aluminiumlegierungen erfolgt hauptsächlich aufgrund des Alterungsmechanismus. Daher ist dieser Härtungsmechanismus nur auf einige Systeme von Aluminiumlegierungen anwendbar., sowie:

  • Al-Cu
  • Al-Cu-Mg
  • Al-Mg-Si
  • Al-Zn
  • Al-Zn-Mg
  • Al-Zn-Cu-Mg

Erwärmung zum Abschrecken und Härten

Der vorbereitende Vorgang für diesen Härtungsmechanismus ist das Erhitzen auf eine Temperatur, bei dem möglichst viele Legierungselemente in eine feste Lösung von Aluminium übergegangen sind. Dieser Vorgang wird Lösungsglühen oder Wärmebehandlung zum Härten genannt.. Anschließend wird die Legierung schnell auf Raumtemperatur abgekühlt., was zur Unterkühlung der festen Lösung von Aluminium und zum "Einfrieren" der darin enthaltenen Legierungselemente in einen thermodynamisch ungleichgewichtigen Zustand führt.

Abbildung 6 – Abläufe der Aushärtung von 6ххх Aluminiumlegierungen [3]

Altern

Der Prozess der Härtung durch Alterung tritt auf, wenn diese gehärtete legierung:

  • lange bei Raumtemperatur gelagert (natürliche Alterung) – Bild 7;
  • bei erhöhter Temperatur gehalten (ca 200 ºС) für mehrere Stunden (künstliche Alterung) – Bild 8.

Abbildung 7 – Einfluss der Temperatur auf die natürliche Alterung von Aloe 2024
(Rm – Zugfestigkeit, Rp0,2 – Streckgrenze 0,2%) [3]

Abbildung 8 – Typische künstliche Alterungskurven (Legierung 2024) [3]

Zugfestigkeit

Auf dem Bild 9 zeigt typische Spannungs-Dehnungs-Kurven für einachsige Zugversuche von vier verschiedenen Aluminiumlegierungen im Vergleich zu:

  • kohlenstoffarmen Stahl;
  • hochfester Stahl und
  • Titanlegierung.

Abbildung 9 – Spannungs-Dehnungs-Kurven von Aluminium
im Vergleich mit verschiedenen Metallen und Legierungen [2]

Aluminium repräsentiert:

  • 99,5 %-Ny-Aluminium (Aluminium 1050A) im geglühten Zustand; gut geeignet zum Tiefprägen;
  • Aluminiumlegierung des Al-Mg-Systems mit 4,5 % Magnesium – Legierung 5083 im halbgehärteten Zustand (H12); wird in Schiffs- und Schweißkonstruktionen verwendet;
  • Aluminiumlegierung 6082 Al-Mg-Mn-Si-Systeme, gehärtet und gealtert auf T6-Zustand (für maximale Festigkeit); im Bauwesen verwendet;
  • Aluminiumlegierung 7075 Al-Zn-Mg-Cu-Systeme im Zustand maximaler thermischer Aushärtung; im Flugzeugbau eingesetzt.

(Numerische Daten zur Zugfestigkeit vieler Aluminiumlegierungen siehe. Hier).

Spezifische Stärke

Wie auf dem Bild zu sehen ist 1, Von allen vorgestellten Metallen haben hochfeste Stähle das höchste Festigkeits-Gewichts-Verhältnis. Es folgen die Titanlegierung Ti-6Al-4V und Flugzeugaluminiumlegierungen und etwas weiter - die Aluminiumlegierungen 5083-H12 und 6082-T6.

Wenn wir Stärke bedenken, was pro Masseneinheit erreicht wird, Stärke durch Dichte dividieren, dann bekommen wir ein ganz anderes Bild (Abbildungfigur 10). Bei diesem Ansatz ist das effektivste Konstruktionsmaterial eine Aluminiumlegierung. 7075, und Legierungen 5083-N12 und 6082-T6 sehen effizienter aus, als kohlenstoffarme Stähle.

 

Abbildung 10 – Dichtebezogene Festigkeit von Aluminium
im Vergleich mit verschiedenen Metallen und Legierungen [2]

Quellen:
1. Werkstoffe des Deutschen Aluminiumverbandes
2. TALAT 1501
3. Korrosion Aluminium /Ch. Former – ELSEVIER, 2004