Aluminium
Er zijn er nog veel meer, maar deze zijn (deels)Nederlandstalig.
Programma
•Doelstelling
•Waarom Aluminium?
•Ontwerpen op stijfheid en sterkte
•Indeling van de legeringen
•Toepassingsvoorbeelden
•Mechanische eigenschappen
•Koudvervormen
•Geharde aluminium
•Kerf- en scheurgevoeligheid
•Lassen
•Samenvatting
Doelstelling college
•Inzicht geven in het verschil tussen ontwerpenop sterkte en stijfheid
•Kennismaken met de nomenclatuur(legeringnummer en kwaliteitsaanduiding)
•Voorbeelden geven van toepassingsgebieden
•Inzicht geven hoe de mechanischeeigenschappen beïnvloed (kunnen) worden
•Inzicht geven in voor aluminium belangrijkeconstructieregels
Waarom Aluminium
Lage dichtheid
Goede geleider (stroom/warmte)
Specifieke sterkte (sterkte/dichtheid)
Specifieke stijfheid (elasticiteitsmodulus/dichtheid)
Corrosiebestendigheid (geldt overigens niet voor elkealuminiumlegering)
Lasbaarheid (geldt overigens niet voor elke aluminiumlegering)ook te solderen en goed te lijmen.
Goed te verwerken(omvormen, verspanen, gieten etc.)
Nadelen
Gevoeliger voor kerven
Lagere vermoeiingssterkte
Lassen/solderen alleen doorvakmensen
Verwerken moet absoluut inéén keer goed.
Toelichting begrippenkader
•Ontwerpen op stijfheid
•Ontwerpen op sterkte
Space frame Audi R8
Ontwerpen op stijfheid
Een ondersteunende balk mag niet te veeldoorzakken.Een limonade blikje mag niet opbollen.De punt van een schroevendraaier mag nietverdraaien.In al deze gevallen mag er dus geen blijvendevervorming van het product optreden. NB.“Geen” vorm verandering!
Ontwerpen op stijfheid
•Buigstijfheid E . I
•Knikvastheid (E . I)/l2l = lengte lichaam niet teverwarren metoppervlaktetraagheidsmoment
•Torsiestijfheid G . Ip
Effect materiaalkeuze
Staal heeft een elasticiteitsmodulus die driemaal zo hoog is als aluminium. Dit kaneenvoudig worden gecompenseerd door hetoppervlaktetraagheidsmoment
I = 1/12 b h3
h + 50% → I + 237,5%
h + 100% → I + 700 %
Ontwerpen op sterkte
•Is er sprake van statische of dynamischebelasting?
•Zijn er verschillende belastingtypentegelijkertijd actief (superpositie etc.)?Antwoorden nodig voor het bepalen van deveiligheidsfactor.
Waarom een veiligheidsfactor
•De spanningen worden nooit heel netjes verdeeld in eenconstructie.
•Geometrieveranderingen (o.a. dikteovergangen) gevenspanningsconcentraties etc. Met name bij dynamischebelasting en hoge spanningen vraagt dit extra aandacht.
•Een bros materiaal zal bij een verhoging van de spanning dichtbij zijn bezwijkspanning zonder waarschuwing bezwijken.
•Een taai materiaal kan bij een verhoging van de spanningvervormen. Echter het wel of niet kunnen vervormen van eenmateriaal hangt sterk van de 3D spanningstoestand.
Lichtgewicht construeren
Bij lichtgewicht construeren wil je de sterkte van hetmateriaal optimaal benutten. Door tevens jemateriaal te verplaatsen naar de uiterste vezel krijgje de maximale stijfheid.Let op: je kunt niet onbeperkt doorgaan metprofieldoorsnede te vergroten en wanddikte teverkleinen.σ = Mb . e / I
•Wordt een fietsframe alleen op buigingbelast?
•Hoe wordt zo’n frame gemaakt?
•Kun je een aluminium of stalen buis van 0,8mm dik nog lassen?
Aluminium
•Kneedlegeringen xxxx vb. 5083 H12
•Gietlegeringen xxx.x vb 355,0 T6
Eerste cijfers beschrijft de legering, de letter-cijfercombinatie de toestand.
Ondanks de lage smelttemperatuur (ca. 665 °C) zijn zijnniet alle legeringen te gieten.
Als een legering tijdens het stollen heel veel slinkt dankunnen er scheuren (stolscheuren en warmscheuren) enporositeit ontstaan.
AA-systeem voor kneedlegeringen
AA-systeem voor gietlegeringen
DIN 1725
GK-AlZn4Mg2
GK = coquille gietwerk
4% Zn
2% Mg
Welke aluminium legering kies je nu?
Legering (EN AW)
soort toepassing
1050A, 1200
tankbekledingen voor chemische enlevensmiddelenindustrie,
bijvoorbeeld voor zuivelbedrijven
en bierbrouwerijen; verpakkingsindustrie;
huishoudelijke artikelen, zoals keukengerei;
elektrotechnische industrie: kabels,
klemmen, verbindingsstukken, enz.; lasdraad
3103
dakbedekking; golfplaten; sandwichpanelen;
goten en afvoerpijpen voor gebouwen
Bron: VM blad 111
Legering (EN AW)
soort toepassing
5052, 5251
tanks; panelen en diverse andere constructies
in contact met zeewater en zeelucht;
rioolzuiveringsinstallaties
5083
scheepsbouw; tanks en leidingen voor transport
en opslag van vloeibare gassen bij lage
temperatuur; pantserplaat
5086
scheepsbouw en carrosseriebouw
5454
scheepsbouw; carrosseriebouw en transport;
rioolzuiveringsinstallaties; lasdraad
Legering (EN AW)
soort toepassing
6061
algemeen constructiemateriaal voor dynamisch
belaste verbindingen; bruggen; wagonbouw;
masten voor zeilschepen
6082
algemeen constructiemateriaal voor dynamisch
belaste verbindingen; bruggen; wagonbouw;
containerbouw
7020
niet maritieme lasconstructies; voertuigbouw;
pantserplaat
Aluminium
Staal
E-modulus [GPa]
70
210
Dichtheid [103 kg/m3]
2,71
7,83
Eigenschappen
Kostprijs
•Materiaalkosten (exl. Bewerkingskosten) ca.tweemaal zo duur als staal
•Makkelijker te verspanen
•Verbinden (lassen en solderen) duurder, montagein het algemeen moet met meer beleid.
•Gewichtbesparing zie je direct terug in de prijs.
•In bepaalde gevallen kun je factor 2,5 lichterconstrueren.
Materiaal
Rp [MPa]
Rm [MPa]
Breukrek [%]
5454 H111
85
200 - 275
18
5083 H111
110
270 - 350
16
6060 T4
65
130
15
6060 T6
160
215
12
6082 T4
110
205
14
6082 T6
255
310
10
7020 T6
290
310
10
Constructie-staal S355N
355
450 - 600
21
Koudvervorming
Opgelegde spanning hogerdan σp maar lager dan σB !!
Vaak kan in meerderestappen meer dan 100%vervorming wordengerealiseerd zondertussentijds verwarmen(gloeien)
Draadtrekken in meerdere stappen
Zie effect van legeren en koudvervormen.NB. Onderstaande legeringen vertonen geen precipitatieharding offasetransformatieharding
Oplosharding
Principe van versteviging bij draadtrekken
Bij het belasten van het materiaal boven devloeigrens treedt er versteviging op. Dezeversteviging blijft aanwezig, ook als debelasting wordt weggenomen. Hetmateriaal veert dan gedeeltelijk elastischterug.Na elke trekgang blijkt dat de rekgrenssteeds hoger komt te liggen als gevolg vande vervorming (de breukrek neemtoverigens per trekstap af).Op een zeker moment is het materiaal zobros geworden dat het niet verder kanworden vervormd. Moet dit toch dan zul jemoeten gloeien en overnieuw beginnenmet koudvervormen.
Precipitatieharding
(de warmtebehandeling om dit te realiseren wordt later toegelicht)
Een bji hoge temperatuur inovermaat aan opgelostelegeringselementen zullenwillen uitscheiden, en kleinenieuwe kristalletjes(precipitaten) vormenDeze precipitaten zijn harderdan het basismateriaal (het zijnintermetallische verbindingen)(wordt vervolgd)
Niet elke precipitaat is gewenst. Type (a) is slechts een roosterfout. Type (b) zethet metaalrooster onder druk en verhoogt zodoende de sterkte.
Welke materialen vertonenprecipitatieharding?
•Aluminium (2xxx, 6xxx, 7xxx en 8xxx)
•Koper-Berylium
•Speciale RVS-PH kwaliteiten
•Titaniumlegeringen
•Nikkellegeringen
Toegepaste legering uit 6xxx groep?
•Goedkoop en goed te verwerken
•Behoorlijke mechanische eigenschappen
•Lasbaar (mits kopergehalte laag)
•Corrosievast (mits kopergehalte laag)
•Eenvoudig te verkrijgen omdat deze groep inheel veel toepassingen wordt gebruikt
Silicium
•Positieve invloed op giet- en lasbaarheid
•Geringe neiging tot warmscheuren
•Reductie uitzettingscoëfficiënt met stijgend %Si
•Bewerking (verspanen en omvormen) is moeilijkermet toenemend gehalte
•Geeft zwarte kleur bij anodiseren
Silicium (6XXX) + …
•Cu of Mg toevoeging geeft precipitatieharding
•Ni toevoeging verhoogt gebruikstemperatuur
•Sterkte door mengkristalharding enprecipitatieharding
•Redelijk corrosievast maar met name dekoperhoudende soorten zijn niet goedbestand tegen chloorzouten
Mengkristalharding bij (c)
Warmtebehandelingen
WOplosgloeien (instabiel)
T4Oplosgloeien + natuurlijk verouderen(= bij kamertemperatuur harden)
T3Oplosgloeien + koudvervormen + natuurlijkverouderen
T6Oplosgloeien + kunstmatig verouderen(= bij verhoogde temperatuur harden)
Etc.
NB. De totale behandeling heet precipitatieharden
NB. Niet alle structurenbezitten gunstigeeigenschappen. Ditbetekent dus dat elkelegering zijn eigenverouderingscondities(temperatuur + tijd) heeft.
Zo worden de 2XXXlegeringen nauwelijks inT4 toestand toegepast.GP-zones maken materiaalbros!
Specificeer bij aluminiumlegeringen altijd Rp en A50 (breukrek) zodat de juistecombinatie van materiaal en conditie kan worden bepaald.Sterke aluminiumlegeringen zijn doorgaans ook relatief bros.
Effect op mechanische eigenschappen
T4
T3
T6
Toename sterkte
Toename taaiheid
Hoe kan je aluminium sterker maken?
1.Legeren: korrelverfijnen bij gieten en lassen
2.Koud vervormen + zachtgloeien (= herstel gloeien ofrekristalliserend gloeien)
3.Legeren: oplosharden
4.Koud vervormen
5.Legeren (oplosharden) + koudvervormen
6.Legeren: precipitatieharden(dit kan op heel veel manieren en koudvervormenkan onderdeel zijn van de warmtebehandeling)
Ontwerpregels
•Aluminium is kerfgevoelig en gehardelegeringen zijn scheurgevoelig
•Let op met spanningsconcentraties
–Voorkom abrupte stijfheids overgangen
–Gebruik waar mogelijk afrondingstralen
–Gebruik geen open profielen bij torsiebelastingen
–Geen gaten boren in zwaar belaste delen
•Vermijd lassen waar mogelijk, je verliestmeestal sterkte en/of taaiheid
Spanningsconcentraties
The mean value of stress called nominal stress σ=F/A
has increased by a factor 1/0.82=1.56
FEM calculation of the local stress raise relative to the nominalstress in the grooved section results in Kt=2.04
Onderzijde van een tankwagenaluminium veel toegepast bij vervoer brandstoffen
Dubbelplaat en verstijving bij wielophanging, scheur bij de kerf
Temperatuursverdeling bij lassen
Krimp en vervorming
Krimp en spanningen
Lasbaarheid van Aluminium
Aluminium heeft een grote warmtegeleiding engrote uitzettingscoëfficiënt waardoor grotekrimpspanningen mogelijk zijn.
Een gevreesd verschijnsel bij het lassen vanAluminium, is warmscheuren (bij substantiëletoevoegingen van koper en zink).
Legeringen met een groot stoltraject zijn gevoeligvoor warmscheuren, zodat in dit geval gelast moetworden met andere toevoegingen.
Mechanische eigenschappen van de las zijn, bij legeringendie hun sterkte ontlenen aan oplosharden, gelijkwaardig methet moedermateriaal.
Bij koudvervormde legeringen zal de deformatiestructuurdoor de warmte-inbreng verdwijnen, met een zachtestructuur rond de las tot gevolg.
Bij precipitatiegeharde legeringen zal in de warmte-beïnvloede zone oververoudering optreden (waardoorvoornamelijk de taaiheid daalt)
Bij T4 kwaliteiten wordt er over het algemeen minder groteverschillen in sterkte en taaiheid gevonden tussen dewarmtebeïnvloede zone en het basismateriaal.
Samenvatting
•Gebruik kokerconstructie om voordeel aluminiumoptimaal e benutten
•Gebruik bij voorkeur gesloten profielen
•Leidt krachten in, voorkom scherpe overgangen
•Boor niet zo maar een gat op een willekeurige plek
•Bewerk een gat na!
•Als je niet last kun je probleemloos de sterkstekwaliteiten (T6 of H18) gebruiken mits je houdt aanbovenstaande aspecten
•6082 zeer geschikt voor dit ontwerp, betere legeringenuit 5xxx, 6xxx of 7xxx series maken product te duur