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 Aluminium Lage dichtheid Goede 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 kerven Lagere vermoeiingssterkte Lassen/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 T6 Eerste 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

AA-systeem voor gietlegeringen

DIN 1725 GK-AlZn4Mg2 GK = coquille gietwerk 4% Zn 2% Mg

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

tankbekledingen voor chemische en levensmiddelenindustrie, Legering (EN AW) soort toepassing 1050A, 1200 tankbekledingen voor chemische en levensmiddelenindustrie, 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 containerbouw 7020 niet maritieme lasconstructies; voertuigbouw; pantserplaat

Eigenschappen Aluminium Staal E-modulus [GPa] 70 210 Dichtheid [103 kg/m3] 2,71 7,83

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 205 14 6082 T6 255 310 10 7020 T6 290 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 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)

Het doel van precipitatieharding is het verkrijgen van een fijne verdeling van kleine precipitaatjes die het rooster, zoals in (b) geschetst, onder druk zetten. Door de geïllustreerde vervorming wordt de inwendige spanning van de aluminiumkristallen verhoogt. Het materiaal gedraagt zich hierdoor als zijnde harder en sterker. Niet alle precipitaten zullen het gewenste sterkte verhogende effect geven. Niet coherente precipitaten (a) zetten het rooster nauwelijks onder drukspanning. Dit leert ons dus dat niet alle legeringen situatie (b) kunnen laten ontstaan. De in de handel te verkrijgen legeringen kunnen precipitaten van het type (b) laten ontstaan. Of dat deze precipitaten van dit type ook aanwezig zullen zijn hangt af van de uitgevoerde warmtebehandeling. De ene legering zal sterker zijn dan de andere, maar op bijvoorbeeld lasbaarheid en corrosievastheid weer minder goed zijn. Vaak zijn er tegenstrijdige eisen: Sterkte en taaiheid gaan eigenlijk niet goed samen. T6 = oplosgloeien + verouderen bij verhoogde temperatuur (kunstmatig verouderen) denk aan +/- 200°C T4 = oplosgloeien, snel afkoelen en natuurlijk verouderen (bij kamertemperatuur) De precipitaten die ontstaan bij een T6 behandeling geven een grotere inwendige spanning dan de precipitaten bij een T4 behandeling. Het materiaal is na een T6 behandeling hierdoor sterker en brosser, dan een T3 of T4 behandeling. Bij T3 bestaat de behandeling uit: oplosgloeien, afschrikken, gekoeld bewaren bijv. in een diepvries (deze stap is optioneel), koudvervormen, natuurlijk verouderen. Door de oplosgloeiing is het materiaal zacht en goed te vervormen. Door de werkversteviging van het vervormen wordt het materiaal sterker en tevens zal door de vervorming een fijnere precipitaatuitscheiding worden verkregen tijdens het verouderen. Het materiaal wordt hierdoor in zijn totaal sterker en taaier dan T4. (maar minder sterk dan T6) De T3 warmtebehandeling wordt bijvoorbeeld toegepast bij het klinken met aluminium nagels. Als je aluminium wilt lassen moet je een T4 kwaliteit nemen. Bij het lassen geef je het basismateriaal een (de warmte beinvloede zone) gloeibehandeling die overeenkomt met oplosgloeien en natuurlijk verouderen (T4). Niet elke precipitaat is gewenst. Type (a) is slechts een roosterfout. Type (b) zet het metaalrooster onder druk en verhoogt zodoende de sterkte. 35

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 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! De gloeitemperatuur van de T6 warmtebehandeling zul je moeten afstemmen op de legeringsamenstelling. GP-zones verlagen de slagvastheid, en zijn dus ongewenst. 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. 42

Effect op mechanische eigenschappen Toename sterkte Toename taaiheid

Hoe kan je aluminium sterker maken? Legeren: korrelverfijnen bij gieten en lassen Koud vervormen + zachtgloeien (= herstel gloeien of rekristalliserend gloeien) Legeren: oplosharden Koud vervormen Legeren (oplosharden) + koudvervormen 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 tankwagen aluminium 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 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