AluminiumAktualisiert

Aluminium als Strukturmaterial

Designeigenschaften von Aluminium

Gewicht

Die Dichte r von Reinaluminium verhält sich im Vergleich zu Stahl [1] wie folgt:

  • Reinaluminium ρ = 2,70 g/cm3
  • Baustahl ρ =7,9 g/cm3
  • Der Wert der für Schmiedeprodukte verwendeten Legierungen liegt im Bereich 2,67-2,80 g/cm3.
  • Ein gerundeter Wert von 2,7 g/cm3 wird normalerweise bei der Bemessung nach Eurocode verwendet 9 (AUF 1999-1-1).

Abbildung 1 – Volumen pro Gewichtseinheit von Aluminium und anderen Metallen [2]

Elastische Konstanten

Elastizitätsmodul

Aluminium ist ein federndes Metall mit einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul (E).. Für das reine Metall bei Raumtemperatur ergibt sich im Vergleich zu Stahl folgendes [1]:

  • Reinaluminium E = 69 kN/mm2
  • Baustahl E = 205 kN/mm2
  • Der Wert für Knetlegierungen liegt im Bereich 69–72 kN/mm2.
  • Für Designzwecke Eurocode 9 (AUF 1999-1-1) nimmt die Zahl E = an 70 kN/mm2.

Poissonzahl

  • Für Designzwecke Eurocode 9 (AUF 1999-1-1) nimmt die Zahl ν = an 0,30.
  • Der entsprechende Wert für den Schubmodul (G), basierend auf den oben genannten Werten von E und Wenn wir Reibungsverluste vernachlässigen und berücksichtigen, Ist 2,7.
  • Der Elastizitätsmodul von Aluminium beträgt nur ein Drittel des Elastizitätsmoduls von Stahl (Abbildung 2). Dies hat wesentliche Konsequenzen für die Geometrie des Designs, da Durchbiegungen von Balken, Tragfähigkeit der Säulen, d.h. Seitliches Knicken und lokales Knicken hängen direkt vom Elastizitätsmodul ab.
  • Wenn ein Stahlprofil durch Aluminium ersetzt werden soll und die Steifigkeit gleich bleiben soll, eine Verdickung aller Teile um den Faktor 3 ist nicht sehr effizient, da das Verhältnis des spezifischen Gewichts der beiden Materialien ebenfalls näherungsweise ist 3 zu 1.
  • Für die Bemessung von Balken gilt als praktische und bewährte Regel: Erhöhen Sie alle Maße mit Ausnahme der Breite um den Faktor 1,4 und man erhält einen Querschnitt mit einem etwa dreimal so großen Trägheitsmoment und damit einem Abschnitt gleicher Steifigkeit (E × I) und spart etwa ein 50% im Gewicht (Abbildung 3) [4].

Abbildung 2 – Plastisches Fließverhalten von Aluminium und Weichstahl [2]

Abbildung 3 – Vergleich zwischen vier Balken
was die gleiche Durchbiegung ergibt [3]

Thermische Eigenschaften

Wärmeausdehnung

Der Längenausdehnungskoeffizient a für reines Aluminium bei Raumtemperatur ist im Vergleich zu Stahl wie folgt:

  • Reinaluminium α = 23,5 × 10-6 für °C
  • Baustahl α = 12 × 10-6 für °C
  • Der Wert für die Knetlegierungen liegt im Bereich 22,0–24,5 × 10-6 für °C.
  • Konstruktion von Bauteilen 9 (AUF 1999-1-1) nimmt den gerundeten Wert von an 23 × 10-6 pro °C zur Verwendung im Design.
  • Die lineare Wärmeausdehnung ist doppelt so groß wie die von Stahl. Dies muss bei vielen Bauwerken berücksichtigt werden, wo freie Wärmeausdehnung erforderlich ist.
  • Bei eingeschränkter Ausdehnung sind die resultierenden Spannungen nur auf den kleineren E-Modul zurückzuführen 2/3 im Vergleich zu Stahl [4].

Thermische Konstanten

  • Die Wärmeleitfähigkeit des reinen Metalls beträgt bei Raumtemperatur etwa das Vierfache der von Stahl.
  • Durch das Legieren wird die Leitfähigkeit stark verringert, runter 50% für einige Legierungen.
  • Die spezifische Wärme von reinem Aluminium ist bei Raumtemperatur etwa doppelt so hoch wie die von Stahl.

Einfluss erhöhter Temperatur

  • Die Festigkeit von Aluminium nimmt mit steigender Temperatur ab (Abbildung 4).
  • Bei Temperaturen bis zu 80 °C ist der Festigkeitsabfall für alle Legierungen und Härtegrade vernachlässigbar [4, 5].
  • Über 80 °C Einige Konstruktionssituationen könnten die Berücksichtigung von Kriecheffekten erforderlich machen [4, 5].
  • Wärmebehandelbare Legierungen beginnen bei Temperaturen darüber an Festigkeit zu verlieren 110 °C abhängig von der Zeit [4].
  • Nicht wärmebehandelbare Legierungen in kaltverfestigtem Zustand beginnen bei höheren Temperaturen an Festigkeit zu verlieren 150 °C – wobei der Festigkeitsverlust auch von der Zeit abhängt [4].
  • In ‚O-Laune’ Bei nicht aushärtbaren Legierungen tritt kein dauerhafter Festigkeitsverlust auf [4].

Einfluss der Schweißwärme

  • Das lokale Aufschmelzen in der Nähe der Schweißnaht stellt häufig einen wichtigen Aspekt bei der Überprüfung der Konstruktion eines Bauwerks dar (Abbildung 6).
  • Die nicht wärmebehandelbaren Legierungen verlieren sämtliche durch Kaltverfestigung gewonnene Festigkeit und kehren in den „O-Temper“ zurück..
  • Die Vergütungslegierungen im Zustand T6 haben einen Verlust von ca 40% ihrer Festigkeit mit der einzigen Ausnahme von Legierungen wie 7005 oder 7020, was nur verliert 20% [4].

Abbildung 4 – Zugfestigkeit von 2014-T6 bei Raumtemperatur getestet
nach Exposition bei erhöhter Temperatur [2]

Abbildung 5 – Reduzierung der Festigkeit in der Wärmeeinflusszone (HAZ) (typisch für EN AW-6082) [4]

Mehr Vergleich von Aluminium mit Stahl

  • Seine mechanischen Eigenschaften sind tendenziell denen von Stahl unterlegen, Die stärkeren Legierungen haben eine vergleichbare Festigkeit, sind aber weniger duktil.
  • Der Ansatz zur strukturellen Gestaltung ist für die beiden Metalle weitgehend derselbe, aber es gibt einige Unterschiede [1].

Die Vorteile

Leichtigkeit

  • Aluminium ist leicht, ein Drittel des Gewichts von Stahl.

Nicht rostend

  • Aluminium rostet nicht und kann normalerweise unlackiert verwendet werden.
  • Jedoch, Die stärksten Legierungen korrodieren in einigen aggressiven Umgebungen und müssen möglicherweise geschützt werden.

Die hohe Korrosionsbeständigkeit ist darauf zurückzuführen, dass Aluminium und Aluminiumlegierungen mit Sauerstoff und Wasserdampf in der Luft reagieren und eine dünne Schicht bilden, kompakter Oxidfilm, der das darunterliegende Metall vor weiteren Angriffen schützt. Daher erweisen sich Aluminium und die meisten kupferfreien Legierungen als sehr korrosionsbeständig, wenn der pH-Wert einer Kontaktflüssigkeit dazwischen liegt 5 und 8; Mit diesem Bereich werden die meisten vorhandenen atmosphärischen/Umweltbedingungen abgedeckt [4].

Extrusionsverfahren

  • Diese Technik, die Standardmethode zur Herstellung von Aluminiumprofilen, ist wesentlich vielseitiger als die Walzverfahren in Stahl. Es ist ein wesentliches Merkmal des Aluminiumdesigns.

Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen von Aluminiumlegierungen

  • Die meisten Legierungen lassen sich genauso gut lichtbogenschweißen wie Stahl, mittels Schutzgasschweißen.
  • Die Schweißgeschwindigkeiten sind höher.

Bearbeitbarkeit

  • Fräsen kann eine wirtschaftliche Fertigungstechnik für Aluminium sein, wegen der hohen Zerspanungsraten, die möglich sind.

Kleben

  • Die Verwendung von Klebeverbindungen hat sich als bewährte Methode zur Herstellung struktureller Verbindungen in Aluminium etabliert.

Leistung bei niedrigen Temperaturen

  • Aluminium eignet sich hervorragend für kryogene Anwendungen, weil es bei niedrigen Temperaturen nicht wie Stahl zum Sprödbruch neigt.
  • Seine mechanischen Eigenschaften verbessern sich mit sinkender Temperatur stetig (Abbildung 6).

Abbildung 6 – Zugeigenschaften von 6061 Legierung wärmebehandelt, Künstlich gealtert [2]

Die Nachteile

Abgasanlagen

  • Die Metallkosten für Aluminium (Abschnitte, Blatt, Platte) liegt typischerweise bei ca 1,5 mal so viel wie für Baustahl Volumen für Volumen. Für Flugzeugmaterial, der Unterschied ist viel größer [1].
  • Jedoch, Die Herstellungskosten sind aufgrund der einfacheren Handhabung geringer, Verwendung cleverer Profile, einfacheres Schneiden oder Bearbeiten, keine Malerei, einfachere Erektion.

Knicken

  • Wegen des geringeren Moduls, Die Versagenslast bei einem Aluminiumbauteil durch Knicken ist geringer als bei einem Stahlbauteil

Einfluss der Temperatur

  • Aluminium wird mit zunehmender Temperatur schneller schwächer als Stahl.
  • Einige Legierungen beginnen bei Betrieb über 100 °C an Festigkeit zu verlieren.

Erweichung der HAZ an Schweißnähten

  • In der Wärmeeinflusszone (HAZ) an Schweißverbindungen kommt es bei einigen Legierungen tendenziell zu einem starken lokalen Festigkeitsabfall.

Ermüdung

Aluminiumbauteile sind anfälliger für Ermüdungsausfälle als Stahlbauteile (Abbildung 7).

Wärmeausdehnung

  • Aluminium dehnt sich mit der Temperatur doppelt so stark aus und zieht sich zusammen
  • Jedoch, wegen des geringeren Moduls, Die Temperaturspannungen in einem eingespannten Bauteil betragen nur zwei Drittel derjenigen in Stahl.

Elektrolytische Korrosion

  • An Verbindungen mit anderen Metallen kann es zu starker Korrosion des Aluminiums kommen, es sei denn, es werden die richtigen Vorsichtsmaßnahmen getroffen. Dies kann auch bei der Verwendung von Legierungen gelten, die ansonsten eine hohe Festigkeit aufweisen.

Ablenkung

  • Wegen des geringeren Moduls, Die elastische Durchbiegung spielt eine größere Rolle als bei Stahl. Dies ist häufig ein Gesichtspunkt bei der Balkenkonstruktion.

Abbildung 7 – Unterschied im Ermüdungsverhalten zwischen
Weichstahl und Aluminiumlegierungen [2]

Quellen:

  1. Aluminiumstrukturen: Ein Leitfaden zu ihren Spezifikationen und ihrem Design – J. Randolph Kissell, Robert L. Fähre
  2. TALAT Vorlesung 1501
  3. TALAT Vorlesung 2204
  4. R. Gitterdesign von Aluminiumstrukturen: Auswahl von Strukturlegierungen, EUROCODES – – Der Workshop in Brüssel: EUROCODES – 2008
  5. Konstruktion von Bauteilen 9 (AUF 1999-1-1)