Für Ingenieure über Aluminiumlegierungen

Dichte von Aluminium

Am attraktivsten für Ingenieure physikalische Eigenschaft von Aluminium является его плотность 2,7 g / cm²3, das ist nur ein Drittel der Dichte von Stählen.


Bild 1 – Прочность на единицу плотности алюминия по сравнению с другими металлами и сплавами [2]

Korrosionsbeständigkeit von Aluminium

Вторым по важности свойством является его хорошая коррозионная стойкость, obwohl Aluminium aus chemischer Sicht kein sehr edles Metall ist. Das alles ist weil, was ist "frisch" Aluminium (и алюминиевые сплавы) реагирует с кислородом и водяным паром в воздухе с образованием тонкой, dichter Oxidfilm, die das darunterliegende Metall vor weiteren Wechselwirkungen mit der Umgebung schützt. Daher zeigen handelsübliches Aluminium und die meisten seiner Legierungen ohne Kupferlegierung eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit in Flüssigkeiten mit einem pH-Wert im sauren Bereich von 5 zu 8, denen die meisten atmosphärischen Bedingungen der Umgebung entsprechen.


Bild 2 – Einfluss von Legierungselementen auf die Korrosionsbeständigkeit
(и усталостную прочность) алюминиевых сплавов [2]

Температурное расширение алюминия

Die lineare Wärmeausdehnung von Aluminium und seinen Legierungen beträgt 24 10-6 An 1 Grad Celsius - doppelt so hoch wie bei Stählen. Dies muss bei vielen Konstruktionen berücksichtigt werden., bei denen eine freie Wärmeausdehnung der Elemente gewährleistet sein muss. При ограничении температурного расширение (или сжатия) в алюминиевом элементе из-за более низкого модуля упругости возникают напряжения, dessen Wert ist 2/3 vom Stress, die bei einem ähnlichen Stahlelement entstehen würden.

Elastizitätsmodul von Aluminium

Elastizitätsmodul von Aluminium - 70000 MPa, nur ein Drittel des E-Moduls von Stählen. Dies hat erhebliche Konsequenzen für die Geometrie der Struktur., da die Durchbiegungen der Balken, Tragfähigkeit der Säulen, dh. ihre seitliche Ausbeulung oder lokale Ausbeulung hängt direkt vom E-Modul ab.


Bild 3 – Прочность и модуль Юнга некоторых металлов [2]


Bild 4 -Диаграммы растяжения для низкоуглеродистой конструкционной стали (St52)
и алюминиевого сплава 6082-Т6 [2]

Steifigkeit von Aluminiumprofilen

Во многих строительных конструкциях критическим параметром профилей является их жесткость. Wenn das Stahlprofil durch ein Aluminiumprofil ersetzt wird, während seine Steifigkeit beibehalten wird, dann ist es nicht ganz wirtschaftlich, alle Wände dreimal zu verdicken, da Aluminium genau dreimal leichter als Stahl ist. Die Aufhellung von Strukturen durch den Einsatz von Aluminium ist jedoch eine natürliche Tendenz, was körperliches angeht, und aus wirtschaftlichen Gründen.

При проектировании балок есть практичное и проверенное правило: увеличивайте все размеры кроме ширины в 1,4 mal und erhält einen Querschnitt mit einem fast dreimal größeren Trägheitsmoment. Тогда для профиля с той же жесткостью (Е · I) сэкономите около 50 % Gewichte. Dadurch wird der Steifigkeitsverlust in Bezug auf das seitliche Knicken teilweise kompensiert.. Angesichts dessen, dass Standard-Stahlprofile oft nicht optimal sind, du kannst mehr sparen als 50 % Gewichte. Это хорошо видно из рисунков 5 und 6. Если нет ограничений по высоте, und seitliches Beulen ist kein Bemessungsparameter, dann kannst du bis zu sparen 60 % Gewichte. Wenn die Steifigkeit des Elements nicht wichtig ist, und die Festigkeit von Stahl kommt der einer Aluminiumlegierung nahe, dann können die Einsparungen bis zu betragen 70 %, aber das ist schon die letzte Grenze der möglichen Gewichtseinsparungen.

sravnenie-zhestkosti-stalnogo-i-aljuminievyx-profilej Bild 5


Bild 6 – Vier Strahlen, которые имеют одинаковый прогиб [2]

Dies führt zum zweiten wichtigen Punkt.. Wenn sich das Trägheitsmoment des Profils bei einer Erhöhung der Profilhöhe nur um das Dreifache erhöht 1,4 mal, dann erhöht sich das Widerstandsmoment des Abschnitts entsprechend in 3:1,4=2,1 раза. Daher sind die Spannungen in einem Aluminiumträger im Vergleich zu einem Stahlträger mehr als halb so hoch.. Nun ist es klar, почему конструктору не надо сразу «хвататься» за высокопрочные алюминиевые сплавы, und warum weniger legierte Aluminiumlegierungen 6060 und 6063 (АД31) настолько популярны.

Erhitzen von Aluminium

Как и у других металлов прочность алюминия с повышением температуры снижается. Dieses Phänomen ist bis zu einigen Temperaturen reversibel., d.h. nach dem Abkühlen kehrt das Material zu den gleichen Eigenschaften zurück, wie vor dem heizen. Bis zu einer Temperatur von ca 80 °C Festigkeitsabfall kann bei allen Legierungen und Zuständen vernachlässigt werden. Über 80 ° C einige Bemessungssituationen können die Berücksichtigung des Kriecheffekts erfordern.


Bild 7 – Zugfestigkeit Aluminiumlegierung 2014-T6
при различных температурах испытания [2]

Thermisch gehärtete Legierungen beginnen bei Temperaturen über an Festigkeit zu verlieren 110 ° C, und der Grad dieses Phänomens hängt von der Heizdauer ab.

Legierungen, nicht durch Wärmebehandlung gehärtet, in kaltverformten Zuständen beginnen bei Temperaturen über an Festigkeit zu verlieren 150 ° С und auch abhängig von der Heizdauer. Nach dem Erwärmen thermisch nicht gehärteter Legierungen im geglühten Zustand „O“ kommt es zu keinem irreversiblen Festigkeitsverlust..

Gilt als, dass eine kurze Erwärmung von thermisch gehärteten Aluminiumprofilen auf eine Temperatur 180-200 °C während 10-15 Protokoll, die beim "Schmelzen" von Pulverlacken auftritt, führt nicht zu gravierenden Kraftverlusten.

Schweißen von Aluminiumlegierungen

Viel gravierender ist der Kraftverlust Aluminiumlegierungen beim Schweißen. Die Temperaturen steigen hier durch lokales Schmelzen so hoch, dass der Festigkeitsabfall in der Nähe der Schweißnaht berücksichtigt werden muss. Legierungen, die nicht thermisch gehärtet werden, verlieren ihre gesamte Festigkeit, während der Autofrettage gewonnen, und Rückkehr in den geglühten Zustand "O". Thermisch gehärtete Aluminiumlegierungen im T6-Zustand verlieren ca. 40 % их прочности (рисунок 8) за исключением сплава 7020, wer verliert nur 20 %. Alle diese Legierungen erreichen nicht den Zustand des vollständigen Glühens., da beim Abkühlen der Naht ein gewisser Härteeffekt unvermeidlich ist. Требования к прочностным характеристикам материала в зоне сварного шва устанавливают и контролируют по результатам испытаний образцов.

snizhenie-prochnosti-aljuminievogo-splava-pri-svarke

Bild 8 – Einfluss der Erwärmung beim Schweißen auf die Festigkeit
термически упрочненного алюминиевого сплава (6082-Т6) [2]

Quellen:

  1. R. Gitter Selection of structural alloys, Brüssel 2008
  2. TALAT 2204 – Design-Philosophie

Подробнее:
О конструкционных особенностях алюминиевых сплавов:
Aluminum Structures: A Guide to Their Specifications and Design – J. Randolph Kissell, Robert L. Fähre

О сварке алюминиевых сплавов:
Schweißen von Aluminium und seinen Legierungen / Gene Mathers