Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften von Aluminium

Im Vergleich zu den meisten Metallen hat Aluminium ein überlegenes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und einfache Herstellung. Infolgedessen ist Aluminium eines der am weitesten verbreiteten Metalle und wird in Produkten verwendet, die von Getränkedosen bis hin zu Komponenten für die Luft- und Raumfahrt reichen.

Die Festigkeit von reinem Aluminium ist sehr gering, aber seine mechanischen Eigenschaften können sich durch Legieren und Wärmebehandlung erheblich verbessern. Diese Verfahren ermöglichen eine breite Anwendung in mechanischen und elektrischen Werkstoffen. Da es nach Stahl das zweitwichtigste Konstruktionsmaterial ist, ist die Erstellung einer Spannungs-Dehnungs-Kurve für Aluminium entscheidend für die Bestimmung der vorhersehbaren und sicheren Grenzen seiner Verwendung.

In diesem Video betrachten wir das Spannungsdehnungsverhalten einer gängigen Aluminiumsorte anhand des standardmäßigen einachsigen Zugversuchs.

Aluminium ist leicht und hat etwa 1/3 der Dichte von Stahl. Sein Elastizitätsmodul, der oft mit etwa 70 Gigapascal oder 10.000 Kilopfund pro Quadratzoll angegeben wird, beträgt ebenfalls etwa 1/3 des Elastizitätsmoduls von Stahl.

Wie bei Stahl können sich die mechanischen Eigenschaften von Aluminium durch Legieren, vor allem mit Zink, Kupfer, Mangan, Silizium und Magnesium, erheblich verbessern. Auch die gekühlte Bearbeitung oder Kaltverfestigung, bei der das Material gewalzt oder durch Farbstoffe gezogen wird, kann die Festigkeit erhöhen.

Der einachsige Zugversuch wird typischerweise verwendet, um das elastische Verhalten von Metallen wie Aluminium zu untersuchen. Dieser Test erzeugt eine Spannungs-Dehnungs-Kurve, die zeigt, wie sich das Material dehnt und dann versagt, wenn die aufgebrachte Kraft zunimmt.

Das Versagen von Aluminium oder einem anderen Material verläuft in mehreren Schritten. Einschnürung, Hohlraumkeimbildung, Hohlraumwachstum und -verschmelzung, Rissausbreitung und schließlich Bruch. 6061-T6 Aluminium hat eine gute Festigkeit und Steifigkeit und ist leicht zu veredeln und zu eloxieren. Es wird häufig in Gehäusen für viele elektronische Produkte wie Laptops und Fernseher verwendet.

Dies ist die Spannungs-Dehnungs-Kurve für 6061-T6 Aluminium. Beachten Sie, dass die Spannungs-Dehnungs-Kurve keine scharfe Streckgrenze aufweist, sondern eine allmähliche Abnahme des Elastizitätsmoduls. Obwohl dieses Aluminium tatsächlich versagt, ist der Prozess allmählich und es ist schwierig, einen klaren Versagenspunkt zu definieren, wenn man sich die Spannungs-Dehnungs-Kurve ansieht.

Um eine Streckgrenze für technische Zwecke zu bestimmen, haben ASTM und andere Organisationen den Ansatz der Kompensation von 0,2 % gewählt. Bei dieser Methode muss eine am besten angepasste Linie für den linearen Teil des Verhaltens bestimmt und eine Linie mit der gleichen Verlangsamung gezeichnet werden, die bei einer Dehnung von 0,2 % beginnt. Die zweite Linie schneidet die Spannungs-Dehnungs-Kurve an einem Punkt, der willkürlich als Streckgrenze definiert ist.

Nachdem wir nun die Eigenschaften von Aluminium verstanden haben und wissen, wie sie konstruiert werden können, schauen wir uns an, wie die Spannungs-Dehnungs-Kurve gemessen wird, um ihre duktilen und mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.

Erhalten Sie einen zylindrischen Prüfkörper für gängiges Aluminium, wie z. B. 6061-T6. Verwenden Sie ein Kaliber, um den Durchmesser an mehreren Stellen in der Nähe der Mitte der Probe zu messen. Führen Sie diese Messungen auf den nächsten 2000stel Zoll genau durch.

Halten Sie als Nächstes die Probe fest und markieren Sie eine Messlänge von etwa zwei Zoll. Stellen Sie sicher, dass die Messlänge deutlich geätzt, aber mit einem flachen Kratzer versehen ist, damit sie nicht zu einer Spannungskonzentration wird, die zu einem Bruch führen kann. Messen Sie die tatsächlich markierte Messlänge auf das nächste 2000stel Zoll genau.

Installieren Sie abschließend einen Dehnungsmessstreifen. Die Probe ist nun bereit für die Prüfung.

Für dieses Experiment werden wir eine universelle Prüfmaschine (UTM) verwenden, um die Zugeigenschaften der Probe zu messen. Schalten Sie zunächst die Testmaschine ein und initialisieren Sie die Software. Richten Sie die Grafik- und Datenerfassungsparameter ein. Wählen Sie als Nächstes einen Test aus, der mit dem ASTM E8-Protokoll kompatibel ist. Notieren Sie sich die Dehnungsraten für den elastischen und unelastischen Bereich. Legen Sie dann zusätzliche Aktionen in der Software fest, z. B. das Anhalten der Maschine bei einer Zugfestigkeit von 5 %.

Heben Sie die Traverse manuell an, sodass die gesamte Länge der Probe problemlos zwischen den oberen und unteren Spannzeugen passt. Führen Sie die Probe vorsichtig bis zu ca. 80 % der Klemmtiefe in den oberen Griff ein. Richten Sie die Probe im oberen Griff aus und ziehen Sie sie leicht fest, um ein Herunterfallen der Probe zu verhindern.

Senken Sie die obere Traverse langsam ab. Sobald sich die Probe innerhalb von etwa 80 % der Tiefe des unteren Spannzeugs befindet, beginnen Sie mit der Ausrichtung der Probe innerhalb der unteren Spannzeuge. Die Probe sollte in der Mitte des unteren Spannzeugs schwimmen. Üben Sie durch die Spannzeuge seitlichen Druck auf die Probe aus, um sicherzustellen, dass während der Prüfung kein Verrutschen auftritt.

Durch den Anzugsvorgang wird eine geringe axiale Belastung der Probe eingeführt. Verwenden Sie die Software, um diese Vorlast anzupassen und zu minimieren und ihren Wert aufzuzeichnen. Befestigen Sie das elektronische Extensometer gemäß den Anweisungen des Herstellers sicher an der Probe. Die Klingen des Extensometers sollten ungefähr mittig auf der Probe liegen.

Beginnen Sie den Versuch, indem Sie die Zuglast auf die Probe aufbringen, und beobachten Sie die Live-Messung der aufgebrachten Last auf dem Computerbildschirm. Vergewissern Sie sich, dass die Probe nicht durch die Spannzeuge rutscht, indem Sie sicherstellen, dass die gemessene Last zunimmt. Einige Zeit vor dem Versagen der Probe pausiert die Software den Test automatisch. Lassen Sie die Probe in der Prüfmaschine und entfernen Sie das Extensometer. Setzen Sie die Zugbelastung bis zum Versagen fort. Bei Erreichen der maximalen Last beginnen die gemessenen Lasten zu sinken. An diesem Punkt beginnt das Exemplar sich einzuschnüren. Die endgültige Fraktur sollte in diesem Halsbereich durch duktiles Reißen erfolgen.

Heben Sie nach Beendigung der Prüfung die Traverse an, lösen Sie den oberen Griff und entfernen Sie das zerbrochene Stück der Probe. Lösen Sie dann den unteren Griff und entfernen Sie die andere Hälfte der Probe. Notieren Sie den Wert bei der maximalen Zugbelastung. Speichern Sie die aufgezeichneten Daten und die Spannungs-Dehnungs-Kurve. Passen Sie die Enden der gebrochenen Probe vorsichtig zusammen und messen Sie den Abstand zwischen den Messmarkierungen auf das 2000stel Zoll genau. Notieren Sie die endgültige Messlänge.

Messen Sie abschließend den Durchmesser der Probe mit dem nächsten Querschnitt auf das nächste 2000stel Zoll.

Schauen wir uns nun an, wie wir die Daten, die wir gerade gesammelt haben, analysieren können. Berechnen Sie zunächst die prozentuale Dehnung der Probe in Kenntnis der endgültigen Messlänge und der anfänglichen Messlänge. Berechnen Sie die Flächenverkleinerung für jede Probe anhand des Enddurchmessers und des Anfangsdurchmessers der Probe. Berechnen Sie anschließend weitere Materialparameter anhand der experimentellen Spannungs-Dehnungs-Kurven.

Dies ist eine Grafik der DMS-Daten bis zur Streckgrenze von etwa 0,3 %. Die Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve in diesem Bereich entspricht dem Elastizitätsmodul und beträgt etwa 9.998 Kilopfund pro Quadratzoll, was nahe am Nennwert von 10.000 Kilopfund pro Quadratzoll liegt. Der R-Quadrat-Wert von 0,999 deutet auf eine hervorragende Linearität für diese Daten hin.

Dies sind die Daten von einem Extensometer bis zu einer Dehnung von 5%. Die Kurve zeigt einen bilinearen Charakter mit einem langen elastischen Teil, gefolgt von einem Fließplateau mit geringer Steigung. Um die Streckgrenze für ein Material zu finden, das keine klare Streckgrenze aufweist, wie dieses Exemplar, verwenden wir die 0,2%-Versatzmethode.

Zuerst zeichnen wir eine Linie entlang des anfänglichen linearen Teils der Kurve. Dann duplizieren Sie es ab einer Dehnung von 0,2%. Die zweite Linie schneidet die Kurve, die willkürlich als Streckgrenze definiert ist. In diesem Fall sind es etwa 44,2 Kilopfund pro Quadratzoll. Dies liegt über der nominalen Streckgrenze dieses Aluminiums, die 40 Kilopfund pro Quadratzoll beträgt.

Wenn wir die Daten sehr nahe an der Streckgrenze darstellen, ist die proportionale Grenze die Spannung, bei der die Kurve von der Linearität abzuweichen beginnt, etwa 39,1 Kilopounds pro Quadratzoll für diese Probe.

Dies ist die vollständige Spannungs-Dehnungs-Kurve mit den Daten unterhalb einer Dehnung von ca. 5 % aus dem Extensometer und oberhalb einer Dehnung von 5 % aus der Traversenverschiebung. Die maximale Belastung beträgt etwa 46,1 Kilopounds pro Quadratzoll bei einer Dehnung von etwa 6,5 %. Diese Bruchfestigkeit liegt knapp über der nominalen Bruchfestigkeit von 45 Kilopfund pro Quadratzoll. Die Spannung beim Versagen beträgt etwa 33,5 Kilopfund pro Quadratzoll. Die Zähigkeit ist der Bereich unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve und kann mit der Trapezregel auf 2,2 Kilopfund pro Quadratzoll berechnet werden.

Die Messungen für die wärmebehandelte Probe deuten darauf hin, dass diese Art von Aluminium Dehnungen im Bereich von 8 bis 13 % aufweisen kann. Es ist wichtig zu beachten, dass die prozentuale Dehnung ein Durchschnittswert für die Länge des Materials zwischen den Messmarken ist. Fast die gesamte Verformung findet jedoch in einem kleinen Volumen um den Halsbereich herum statt, so dass die lokale Dehnung viel höher sein kann als die durchschnittliche Dehnung.

Im Allgemeinen schreitet das Versagen vom Einschnüren über die Keimbildung und das Wachstum des Hohlraums bis hin zur Rissausbreitung und schließlich zum Bruch fort. Die Versagensfläche stimmt mit diesem Prozess überein. Bei Aluminium kann eine Dehnung von weniger als 5 % als spröde angesehen werden, während eine Dehnung von mehr als 15 % als duktil angesehen werden kann. Die prozentuale Dehnung in diesem Exemplar ist relativ groß. Wie soll man dieses Material beschreiben?

Wir können seine Versagensfläche mit der von zwei verschiedenen Stahlsorten vergleichen. Die Größe des ??? für die Aluminiumprobe ist größer als für einen spröden kaltgewalzten Stahl, aber weniger als für einen duktilen warmgewalzten Stahl, so dass diese Art von Aluminium als halbduktil charakterisiert werden kann.

Darüber hinaus können wir uns die Spannungs-Dehnungs-Kurven für diese drei Metalle ansehen. Der kaltgewalzte Stahl C1018 hat eine hohe Festigkeit, die sich durch die geringe Dehnung bei hoher Beanspruchung zeigt, versagt jedoch bei einer Dehnung von etwa 10 %, was seine geringe Duktilität zeigt. Im Gegensatz dazu weist der duktilere warmgewalzte Stahl A36 eine deutlich höhere Dehnung von maximal fast 25 % bei geringerer Beanspruchung auf als der kaltgewalzte Stahl. Das gerade getestete 6061-T6 Aluminium hat eine geringere Festigkeit sowie ein Versagen bei geringerer Dehnung als beide Stähle.

Schauen wir uns nun einige der häufigsten Anwendungen der Zugprüfung von Aluminium an. Die wichtigste Anwendung von Spannungs-Dehnungs-Kurven ist die Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Aluminium. ASTM-Normen verlangen Tests an repräsentativen Proben jeder Aluminiumwärme, und die Ergebnisse müssen auf etablierte Benchmarks rückführbar sein. Hersteller verwenden Standards wie ISO TS 16949 für die Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung von Materialien für die Automobilindustrie und andere Industrien.

Aluminiumfolie für die Kochindustrie hat die gewünschte Biegsamkeit, so dass sie leicht gehandhabt und gefaltet werden kann. Ebenso muss das Aluminium, das in Dosen für Erfrischungsgetränke verwendet wird, stark genug sein, um seine Form zu behalten, wenn es gehalten wird, aber bei Bedarf leicht zerkleinerbar sein. Durch Zugversuche wird sichergestellt, dass diese dünnen Aluminiumbleche die angegebenen mechanischen Eigenschaften aufweisen.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften von Aluminium gesehen. Sie sollten jetzt über den Labortest der Norm ASTM E8 zur Bestimmung der Zugeigenschaften von metallischen Werkstoffen Bescheid wissen. Sie sollten auch verstehen, wie man eine Probe für die ASTM-Prüfung vorbereitet und die Spannungs-Dehnungs-Kurve für typisches Aluminium erhält.

Danke fürs Zuschauen!