aluminium ut/default.asp?catid=&pageid=1 er zijn er nog veel meer, maar deze zijn (deels)
TRANSCRIPT
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