Aluminium

1. 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.

2. Programma • Doelstelling • Waarom Aluminium? • Ontwerpen op stijfheid en sterkte • Indeling van de legeringen • Toepassingsvoorbeelden • Mechanische eigenschappen • Koudvervormen • Geharde aluminium • Kerf- en scheurgevoeligheid • Lassen • Samenvatting

3. 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

4. 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

5. Nadelen Gevoeliger voor kerven Lagere vermoeiingssterkte Lassen/solderen alleen door vakmensen Verwerken moet absoluut in één keer goed.

6. Toelichting begrippenkader • Ontwerpen op stijfheid • Ontwerpen op sterkte

7. Space frame Audi R8

8. 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!

9. Ontwerpen op stijfheid • Buigstijfheid E . I • Knikvastheid (E . I)/l2l = lengte lichaam niet te verwarren met oppervlaktetraagheidsmoment • Torsiestijfheid G . Ip

10. 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 %

11. 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.

12. 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.

13. 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

14. 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?

15. Aluminium • Kneedlegeringen xxxx vb. 5083 H12 • Gietlegeringen xxx.xvb 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.

16. AA-systeem voor kneedlegeringen

17. AA-systeem voor gietlegeringen

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

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

20. Bron: VM blad 111

23. Eigenschappen

24. 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.

27. 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)

28. Draadtrekken in meerdere stappen

29. Zie effect van legeren en koudvervormen.NB. Onderstaande legeringen vertonen geen precipitatieharding of fasetransformatieharding

30. Oplosharding

31. 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.

33. 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) vormenDeze precipitaten zijn harder dan het basismateriaal (het zijn intermetallische verbindingen)(wordt vervolgd)

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

36. Welke materialen vertonen precipitatieharding? • Aluminium (2xxx, 6xxx, 7xxx en 8xxx) • Koper-Berylium • Speciale RVS-PH kwaliteiten • Titaniumlegeringen • Nikkellegeringen

37. 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

38. 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

39. 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

40. Mengkristalharding bij (c)

41. 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

42. 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.

43. Effect op mechanische eigenschappen T4 T3 T6 Toename sterkte Toename taaiheid

44. 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)

45. 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

46. 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

48. Onderzijde van een tankwagenaluminium veel toegepast bij vervoer brandstoffen

49. Dubbelplaat en verstijving bij wielophanging, scheur bij de kerf

50. Temperatuursverdeling bij lassen