Aluminium

http://aluminium.matter.org.uk/content/html/dut/default.asp?catid=&pageid=1

http://www.fdp.nl/

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 ontwerpen op sterkte en stijfheid

• Kennismaken met de nomenclatuur (legeringnummer en kwaliteitsaanduiding)

• Voorbeelden geven van toepassingsgebieden• Inzicht geven hoe de mechanische

eigenschappen beïnvloed (kunnen) worden• Inzicht geven in voor aluminium belangrijke

constructieregels

Waarom AluminiumLage dichtheidGoede geleider (stroom/warmte)Specifieke sterkte (sterkte/dichtheid)Specifieke stijfheid (elasticiteitsmodulus/dichtheid)Corrosiebestendigheid (geldt overigens niet voor elke

aluminiumlegering)Lasbaarheid (geldt overigens niet voor elke aluminiumlegering)

ook te solderen en goed te lijmen.Goed te verwerken

(omvormen, verspanen, gieten etc.)

http://aluminium.matter.org.uk/content/html/dut/default.asp?catid=7&pageid=230565674

Nadelen

Gevoeliger voor kervenLagere vermoeiingssterkteLassen/solderen alleen door

vakmensen

Verwerken moet absoluut in één keer goed.

Toelichting begrippenkader

• Ontwerpen op stijfheid• Ontwerpen op sterkte

Space frame Audi R8

Ontwerpen op stijfheid

Een ondersteunende balk mag niet te veel doorzakken.Een limonade blikje mag niet opbollen.De punt van een schroevendraaier mag niet verdraaien.

In al deze gevallen mag er dus geen blijvende vervorming van het product optreden. NB. “Geen” vorm verandering!

Ontwerpen op stijfheid

• Buigstijfheid E . I

• Knikvastheid (E . I)/l2

l = lengte lichaam niet te verwarren met oppervlaktetraagheidsmoment

• Torsiestijfheid G . Ip

Effect materiaalkeuze

Staal heeft een elasticiteitsmodulus die drie maal zo hoog is als aluminium. Dit kan eenvoudig worden gecompenseerd door het oppervlaktetraagheidsmoment

I = 1/12 b h3

h + 50% → I + 237,5%

h + 100% → I + 700 %

Ontwerpen op sterkte

• Is er sprake van statische of dynamische belasting?

• Zijn er verschillende belastingtypen tegelijkertijd actief (superpositie etc.)?

Antwoorden nodig voor het bepalen van de veiligheidsfactor.

Waarom een veiligheidsfactor• De spanningen worden nooit heel netjes verdeeld in een

constructie.• Geometrieveranderingen (o.a. dikteovergangen) geven

spanningsconcentraties etc. Met name bij dynamische belasting en hoge spanningen vraagt dit extra aandacht.

• Een bros materiaal zal bij een verhoging van de spanning dicht bij zijn bezwijkspanning zonder waarschuwing bezwijken.

• Een taai materiaal kan bij een verhoging van de spanning vervormen. Echter het wel of niet kunnen vervormen van een materiaal hangt sterk van de 3D spanningstoestand.

Lichtgewicht construeren

Bij lichtgewicht construeren wil je de sterkte van het materiaal optimaal benutten. Door tevens je materiaal te verplaatsen naar de uiterste vezel krijg je de maximale stijfheid.

Let op: je kunt niet onbeperkt doorgaan met profieldoorsnede te vergroten en wanddikte te verkleinen.

σ = Mb . e / I

• Wordt een fietsframe alleen op buiging belast?

• Hoe wordt zo’n frame gemaakt?• Kun je een aluminium of stalen buis van 0,8

mm dik nog lassen?

Aluminium• Kneedlegeringen xxxx vb. 5083 H12• Gietlegeringen xxx.x vb 355,0 T6Eerste cijfers beschrijft de legering, de letter-cijfer combinatie de toestand.

Ondanks de lage smelttemperatuur (ca. 665 °C) zijn zijn niet alle legeringen te gieten.

Als een legering tijdens het stollen heel veel slinkt dan kunnen er scheuren (stolscheuren en warmscheuren) en porositeit ontstaan.

AA-systeem voor kneedlegeringen

Hoofdgroep Belangrijkste legeringselement

1xxx Ongelegeerd (Al > 99,0)

2xxx Koper

3xxx Mangaan

4xxx Silicium

5xxx Magnesium

6xxx Magnesium en Silicium

7xxx Zink

8xxx Andere elementen (zoals Lithium)

9xxx Niet gebruikt

AA-systeem voor gietlegeringen

Hoofdgroep Belangrijkste legeringselementen

1xx.x Ongeleerd (Al > 99,0)

2xx.x Koper

3xx.x Silicium + koper en/of magnesium

4xx.x Silicium

5xx.x Magnesium

6xx.x Niet gebruikt

7xx.x Zink

8xx.x Tin

9xx.x Andere elementen

DIN 1725GK-AlZn4Mg2

GK = coquille gietwerk

4% Zn2% Mg

Welke aluminium legering kies je nu?

http://aluminium.matter.org.uk/content/html/dut/default.asp?catid=173&pageid=2144416568

Legering (EN AW)

soort toepassing

1050A, 1200 tankbekledingen voor chemische en levensmiddelenindustrie,bijvoorbeeld voor zuivelbedrijvenen 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 constructiesin contact met zeewater en zeelucht;rioolzuiveringsinstallaties

5083 scheepsbouw; tanks en leidingen voor transporten opslag van vloeibare gassen bij lagetemperatuur; pantserplaat

5086 scheepsbouw en carrosseriebouw

5454 scheepsbouw; carrosseriebouw en transport;rioolzuiveringsinstallaties; lasdraad

Legering (EN AW)

soort toepassing

6061 algemeen constructiemateriaal voor dynamischbelaste verbindingen; bruggen; wagonbouw;masten voor zeilschepen

6082 algemeen constructiemateriaal voor dynamischbelaste 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,

montage in het algemeen moet met meer beleid.

• Gewichtbesparing zie je direct terug in de prijs.• In bepaalde gevallen kun je factor 2,5 lichter

construeren.

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 hoger dan σp maar lager dan σB !!

Vaak kan in meerdere stappen meer dan 100% vervorming worden gerealiseerd zonder tussentijds verwarmen (gloeien)

Draadtrekken in meerdere stappen

Zie effect van legeren en koudvervormen.

NB. Onderstaande legeringen vertonen geen precipitatieharding of fasetransformatieharding

Oplosharding

Principe van versteviging bij draadtrekken

Bij het belasten van het materiaal boven de vloeigrens treedt er versteviging op. Deze versteviging blijft aanwezig, ook als de belasting wordt weggenomen. Het materiaal veert dan gedeeltelijk elastisch terug.

Na elke trekgang blijkt dat de rekgrens steeds hoger komt te liggen als gevolg van de vervorming (de breukrek neemt overigens per trekstap af).

Op een zeker moment is het materiaal zo bros geworden dat het niet verder kan worden vervormd. Moet dit toch dan zul je moeten gloeien en overnieuw beginnen met koudvervormen.

Precipitatieharding (de warmtebehandeling om dit te realiseren wordt later toegelicht)

Een bji hoge temperatuur in overmaat aan opgeloste legeringselementen zullen willen uitscheiden, en kleine nieuwe kristalletjes (precipitaten) vormen

Deze precipitaten zijn harder dan het basismateriaal (het zijn intermetallische verbindingen)

(wordt vervolgd)

Niet elke precipitaat is gewenst. Type (a) is slechts een roosterfout. Type (b) zet het metaalrooster onder druk en verhoogt zodoende de sterkte.

Welke materialen vertonen precipitatieharding?

• 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 in

heel 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 moeilijker

met toenemend gehalte• Geeft zwarte kleur bij anodiseren

Silicium (6XXX) + …

• Cu of Mg toevoeging geeft precipitatieharding• Ni toevoeging verhoogt gebruikstemperatuur• Sterkte door mengkristalharding en

precipitatieharding• Redelijk corrosievast maar met name de

koperhoudende soorten zijn niet goed bestand tegen chloorzouten

Mengkristalharding bij (c)

Warmtebehandelingen

W Oplosgloeien (instabiel)T4 Oplosgloeien + natuurlijk verouderen

(= bij kamertemperatuur harden)

T3 Oplosgloeien + koudvervormen + natuurlijk verouderen

T6 Oplosgloeien + kunstmatig verouderen(= bij verhoogde temperatuur harden)

Etc.

NB. De totale behandeling heet precipitatieharden

NB. Niet alle structuren bezitten gunstige eigenschappen. Dit betekent dus dat elke legering zijn eigen verouderingscondities (temperatuur + tijd) heeft.

Zo worden de 2XXX legeringen nauwelijks in T4 toestand toegepast. GP-zones maken materiaal bros!

Specificeer bij aluminiumlegeringen altijd Rp en A50 (breukrek) zodat de juiste combinatie van materiaal en conditie kan worden bepaald.

Sterke aluminiumlegeringen zijn doorgaans ook relatief bros.

Effect op mechanische eigenschappen

T4

T3

T6

Toename sterkteToename taaiheid

Hoe kan je aluminium sterker maken?

1. Legeren: korrelverfijnen bij gieten en lassen2. Koud vervormen + zachtgloeien (= herstel gloeien of

rekristalliserend gloeien) 3. Legeren: oplosharden4. Koud vervormen5. Legeren (oplosharden) + koudvervormen6. Legeren: precipitatieharden

(dit kan op heel veel manieren en koudvervormen kan onderdeel zijn van de warmtebehandeling)

Ontwerpregels

• Aluminium is kerfgevoelig en geharde legeringen 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 verliest meestal 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 nominal stress 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 AluminiumAluminium heeft een grote warmtegeleiding en grote uitzettingscoëfficiënt waardoor grote krimpspanningen mogelijk zijn.

Een gevreesd verschijnsel bij het lassen van Aluminium, is warmscheuren (bij substantiële toevoegingen van koper en zink).

Legeringen met een groot stoltraject zijn gevoelig voor warmscheuren, zodat in dit geval gelast moet worden met andere toevoegingen.

Mechanische eigenschappen van de las zijn, bij legeringen die hun sterkte ontlenen aan oplosharden, gelijkwaardig met het moedermateriaal.

Bij koudvervormde legeringen zal de deformatiestructuur door de warmte-inbreng verdwijnen, met een zachte structuur rond de las tot gevolg.

Bij precipitatiegeharde legeringen zal in de warmte-beïnvloede zone oververoudering optreden (waardoor voornamelijk de taaiheid daalt)

Bij T4 kwaliteiten wordt er over het algemeen minder grote verschillen in sterkte en taaiheid gevonden tussen de warmtebeïnvloede zone en het basismateriaal.

Samenvatting• Gebruik kokerconstructie om voordeel aluminium

optimaal 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 sterkste

kwaliteiten (T6 of H18) gebruiken mits je houdt aan bovenstaande aspecten

• 6082 zeer geschikt voor dit ontwerp, betere legeringen uit 5xxx, 6xxx of 7xxx series maken product te duur