Anforderungen an die Dauerfestigkeit von Aluminiumstrangpressprofilen?

Ermüdungsbrüche treten oft ohne Vorwarnung auf. Viele Käufer konzentrieren sich auf die Streckgrenze und übersehen die Ermüdung. Diese Lücke führt zu Rissen, Ausfallzeiten und hohen Ersatzkosten.

Die Ermüdungsfestigkeit von stranggepresstem Aluminium hängt von der Legierung, dem Härtegrad, der Oberflächenqualität und dem Belastungsmuster ab. Bei den meisten industriellen Anwendungen ist die Ermüdungsfestigkeit weitaus geringer als die statische Festigkeit und muss bereits bei der Konstruktion geprüft werden.

Viele Projekte scheitern nicht, weil Aluminium schwach ist, sondern weil das Ermüdungsverhalten ignoriert wird. Ein frühzeitiges Verständnis der Ermüdung hilft, Umplanungen, Verzögerungen und Sicherheitsrisiken zu vermeiden.

Wie hoch ist die typische Ermüdungsfestigkeit von Strangpressprofilen?

Die Ermüdungsfestigkeit ist keine einzige feste Zahl. Sie ändert sich mit der Legierung, dem Zustand, der Oberflächenbeschaffenheit und den Belastungszyklen. Konstrukteure erwarten oft einen eindeutigen Wert, aber Aluminium verhält sich bei Ermüdung nicht wie Stahl.

Die typische Ermüdungsfestigkeit von stranggepresstem Aluminium liegt zwischen 30 MPa und 100 MPa bei 10 Millionen Zyklen, je nach Legierung und Zustand. Für Aluminium gibt es keine wirkliche Dauerfestigkeitsbeschränkung.

Das bedeutet, dass die Ermüdungsschäden mit zunehmender Zyklenzahl weiter zunehmen, selbst bei geringer Belastung.

Warum Aluminium keine Belastungsgrenze hat

Stahl zeigt oft eine flache Ermüdungskurve. Unterhalb einer Spannungsgrenze kann er unendlich viele Zyklen überstehen. Aluminium verhält sich nicht auf diese Weise.

Für Aluminium-Strangpressprofile:

• Jeder Belastungszyklus verursacht kleine Schäden
• Mikrorisse wachsen langsam mit der Zeit
• Versagen kann auch bei geringer Belastung auftreten

Dies macht die Anzahl der Zyklen entscheidend.

Typische Ermüdungsbereiche nach Legierungsfamilien

Nachstehend finden Sie einen allgemeinen Vergleich, der in der Frühphase der Planung verwendet wurde. Dies sind keine garantierten Werte. Sie helfen nur bei der Auswahl.

Legierung	Temperament	Ungefähre Ermüdungsfestigkeit bei 10^7 Zyklen (MPa)	Allgemeine Verwendung
6063	T5	30 bis 50	Architektonische, leichte Rahmen
6061	T6	60 bis 95	Strukturell, Maschinen
6082	T6	70 bis 100	Hochbelastbare Rahmen
7075	T6	90 bis 130	Luft- und Raumfahrt, hohe Belastung

Die Oberflächenbeschaffenheit kann diese Werte um 20 Prozent oder mehr verringern.

Die Rolle der Extrusionsqualität

Ermüdung beginnt an Schwachstellen. Bei Strangpressprofilen sind dies häufig die folgenden:

• Die Linien
• Kratzer auf der Oberfläche
• Scharfe Ecken
• Schweißnähte in Hohlprofilen

Eine gute Werkzeugkonstruktion und Prozesskontrolle verringern diese Risiken. Glatte Oberflächen verbessern die Ermüdungslebensdauer in vielen Fällen mehr als eine Erhöhung der Wandstärke.

Das Spannungsverhältnis ist wichtig

Die Ermüdungsfestigkeit hängt vom Spannungsverhältnis ab. Vollständig umgekehrte Belastung ist schwerer als Belastung in eine Richtung.

Gestalter müssen definieren:

• Maximale Belastung
• Minimale Belastung
• Mittlere Belastung

Dies zu ignorieren, führt zu unsicheren Annahmen.

Frühzeitige Fehler bei der Gestaltung zu vermeiden

Viele Käufer fragen nur nach Berichten über die Zugfestigkeit. Dies sagt nichts über die Ermüdungsfestigkeit aus. Die Ermüdungsfestigkeit ist in der Regel viel niedriger als die Streckgrenze.

Wie wirken sich Belastungszyklen auf die Lebensdauer von Strangpressprofilen aus?

Ermüdungsversagen wird durch wiederholte Belastung verursacht, nicht durch einmalige Überlastung. Viele Strangpressprofile versagen bei Belastungen, die weit unter ihrer Nennfestigkeit liegen, weil sie zyklisch wechseln.

Belastungszyklen verkürzen die Lebensdauer von Strangpressprofilen durch die Entstehung von Mikrorissen, die mit jedem Zyklus wachsen, bis es zu einem plötzlichen Bruch kommt. Höhere Zyklen und Spannungsbereiche verkürzen die Lebensdauer drastisch.

Das Verständnis von Lastmustern ist wichtiger als die Spitzenlast.

Was als Zyklus zählt

Ein Zyklus ist ein vollständiger Lastwechsel. Dies beinhaltet:

• Start und Stopp von Maschinen
• Windvibrationen
• Thermische Ausdehnung und Kontraktion
• Wiederholtes Heben oder Bewegen

Auch kleine Stressschwankungen zählen.

Grundlagen der S-N-Kurve

Das Ermüdungsverhalten wird mit einer S-N-Kurve dargestellt:

• S = Spannungsamplitude
• N = Anzahl der Zyklen bis zum Versagen

Für Aluminium:

• Hohe Belastung führt zu schnellem Versagen
• Geringe Belastung führt zu langer Lebensdauer, aber nicht unendlich

Die Konstrukteure streben oft eine bestimmte Lebensdauer an, z. B. 2 Millionen oder 10 Millionen Zyklen.

Ermüdung bei hoher und niedriger Zyklenzahl

Es gibt zwei gängige Ermüdungszonen.

Ermüdung bei niedrigen Zyklen

• Hohe Belastung
• Plastische Verformung
• Zyklen in der Regel unter 100.000
• Häufig bei seismischen oder Stoßbelastungen

Ermüdung unter hoher Belastung

• Weniger Stress
• Elastische Verformung
• Millionen von Zyklen
• Häufig in Maschinengestellen und -trägern

Die meisten Aluminium-Strangpressprofile arbeiten bei hoher Ermüdung.

Belastungsrichtung und Profilform

Strangpressprofile können besser mit Ermüdung umgehen, wenn:

• Die Lastpfade sind glatt
• Die Spannung ist gleichmäßig verteilt
• Es gibt keinen plötzlichen Wechsel des Abschnitts

Schlechte Entwürfe umfassen:

• Scharfe Kerben
• Dünne Stege in der Nähe von Löchern
• Abrupte Dickenänderung

Praktische Designanpassungen

Zur Verlängerung der Ermüdungslebensdauer:

• Verrundungsradius vergrößern
• Vermeiden Sie scharfe Ecken
• Gleichmäßige Wandstärke verwenden
• Verringerung der Stresskonzentration

Kleine Geometrieänderungen verdoppeln oft die Ermüdungslebensdauer.

Versteckte Quellen für das Radfahren

Manche Käufer berücksichtigen nur die mechanische Belastung. Das vergessen sie:

• Temperaturzyklen
• Spannung bei der Montage
• Eigenspannung beim Richten

Diese werden mit Dienstleistungslasten kombiniert.

Reales Ausfallmuster

Ermüdungsrisse beginnen oft unbemerkt. Sie wachsen langsam. Dann kommt es zum plötzlichen Versagen. Bis zum endgültigen Bruch gibt es oft keine sichtbare Warnung.

Welche Legierungen bieten eine höhere Ermüdungsfestigkeit?

Nicht alle Aluminiumlegierungen verhalten sich bei Ermüdung gleich. Die Wahl der Legierung hat einen großen Einfluss auf die Lebensdauer.

Die Legierungen der Serien 6000 und 7000 bieten eine bessere Ermüdungsbeständigkeit als die Serie 3000, wobei 6061-T6 und 6082-T6 als ausgewogene Wahl für Strangpressprofile üblich sind.

Festigkeit allein ist jedoch keine Garantie für Ermüdungsleistungen.

Warum die Chemie der Legierung wichtig ist

Die Ermüdungsfestigkeit hängt ab von:

• Struktur der Körner
• Aushärtung durch Niederschlag
• Kontrolle von Verunreinigungen

Wärmebehandelbare Legierungen schneiden in der Regel besser ab.

Gängige Strangpresslegierungen im Vergleich

Legierung	Ermüdungsverhalten	Vorteile	Grenzwerte
6063-T5	Gering bis mäßig	Gute Oberfläche, einfache Extrusion	Geringere Ermüdungsfestigkeit
6061-T6	Mäßig bis hoch	Gutes Verhältnis zwischen Stärke und Kosten	Etwas schwieriger zu extrudieren
6082-T6	Hoch	Stärker als 6061	Weniger Oberflächenqualität
7075-T6	Sehr hoch	Ausgezeichnete Müdigkeit	Kosten, Korrosionsrisiko

Warum 6061-T6 häufig verwendet wird

6061-T6 wird oft gewählt, weil:

• Stabile Ermüdungsdaten
• Gute Bearbeitbarkeit
• Annehmbare Korrosionsbeständigkeit
• Breite Verfügbarkeit von Lieferanten

Sie ist nicht die stärkste, aber sie ist vorhersehbar.

Die Rolle des Temperaments

Temperament verändert das Ermüdungsverhalten.

• T5: gekühlt aus der Extrusion, geringere Ermüdung
• T6: lösungsbehandelt und gealtert, höhere Ermüdung

Eine Verbesserung des Härtegrads kann die Dauerfestigkeit erhöhen, ohne das Profil zu verändern.

Auswirkungen des Schweißens

Durch das Schweißen wird die Ermüdungsfestigkeit stark verringert.

• Wärmebeeinflusste Zonen erweichen
• Veränderungen in der Mikrostruktur
• Risse entstehen oft in der Nähe von Schweißnähten

Konstrukteure sollten das Schweißen in Bereichen mit hoher Ermüdung vermeiden oder die Querschnittsgröße lokal erhöhen.

Auswirkungen der Oberflächenbehandlung

Einige Behandlungen helfen, andere schaden.

• Eloxierung: kann die Ermüdung leicht verringern, wenn sie dick ist
• Shot Peening: kann die Ermüdung verbessern
• Polieren: verbessert die Ermüdung

Die Oberflächenkontrolle ist entscheidend.

Kompromiss zwischen Kosten und Ermüdung

Legierungen mit höherer Ermüdung kosten mehr. Aber Ersatzkosten und Ausfallzeiten sind oft teurer als die Aufwertung des Materials.

Gibt es Normen für die Prüfung der Ermüdungsfestigkeit?

Ermüdungsprüfungen müssen nach Normen durchgeführt werden. Ohne genormte Methoden sind die Daten nicht vergleichbar oder vertrauenswürdig.

Ja, die Ermüdungsprüfung von Aluminium-Strangpressprofilen wird von ASTM-, ISO- und EN-Normen abgedeckt, die die Form der Proben, die Laststeuerung und die Zykluszählung festlegen.

Diese Normen dienen sowohl der Prüfung als auch der Designvalidierung.

Warum Standards wichtig sind

Die Ermüdungsdaten variieren stark. Normen gewährleisten:

• Wiederholbare Tests
• Vergleichbare Ergebnisse
• Klare Definition der Last

Die Käufer sollten immer fragen, welche Norm verwendet wurde.

Gemeinsame Normen für Ermüdung

Nachstehend finden Sie weit verbreitete Referenzen.

Standard	Umfang	Typische Verwendung
ASTM E466	Axiale Ermüdung	Prüfung des Grundmaterials
ASTM E468	Darstellung der Ermüdungsdaten	Format der Berichterstattung
ISO 1099	Axiale Ermüdung	Internationale Referenz
DE 1999	Aluminium-Ausführung	Strukturelle Anwendungen

Muster vs. reales Profil

Bei Standardprüfungen werden glatte Proben verwendet. Echte Strangpressprofile gehören dazu:

• Ecken
• Löcher
• Schweißnähte

Das bedeutet, dass die tatsächliche Dauerfestigkeit oft unter den Prüfwerten liegt.

Prüfung von Bauteilen

Für kritische Projekte wird die Prüfung von Komponenten empfohlen.

• Verwendet echtes Profil
• Einschließlich Schweißnähte und Verbindungen
• Spiegelt den tatsächlichen Stresszustand wider

Dies ist im Transportwesen und bei schweren Maschinen üblich.

Sicherheitsfaktoren

Die Konstruktionsnormen wenden Ermüdungssicherheitsfaktoren an. Diese berücksichtigen:

• Variation in der Herstellung
• Beschädigung der Oberfläche
• Lastunsicherheit

Das Ignorieren von Sicherheitsfaktoren führt zu vorzeitigem Versagen.

Checkliste für Einkäufer

Bestätigen Sie bei der Überprüfung von Ermüdungsdaten immer:

• Verwendetes Lastverhältnis
• Ziel für die Anzahl der Zyklen
• Definition von Fehler
• Geometrie der Probe

In vielen Datenblättern fehlen diese Angaben.

Konstruktionscodes vs. Materialdaten

Materialermüdungsdaten unterstützen die Konstruktionsvorschriften. Die Konstruktionsvorschriften steuern die zulässige Endspannung.

Die Ingenieure müssen sich an die Konstruktionsvorschriften halten, nicht nur an die Angaben der Lieferanten.

Schlussfolgerung

Die Ermüdungsfestigkeit bestimmt die langfristige Sicherheit von Aluminium-Strangpressprofilen. Die Wahl der Legierung, die Oberflächenqualität, die Belastungszyklen und die Normen sind von Bedeutung. Eine frühzeitige Planung der Ermüdung verringert das Ausfallrisiko, die Kosten für die Umgestaltung und die Ausfallzeiten.