Alumiiniumi ekstrusiooni väsimustugevuse nõuded?

Väsimishäired ilmnevad sageli ilma hoiatuseta. Paljud ostjad keskenduvad voolavuspiirile ja jätavad väsimuse tähelepanuta. See lõhe põhjustab pragusid, seisakuid ja suuri asenduskulusid.

Alumiiniumi ekstrusiooni väsimustugevus sõltub sulamist, karastusest, pinna kvaliteedist ja koormusmustrist. Enamiku tööstusliku kasutuse puhul on väsimustugevus palju madalam kui staatiline tugevus ja seda tuleb kontrollida juba projekteerimisel.

Paljud projektid ei ebaõnnestu mitte seetõttu, et alumiinium on nõrk, vaid seetõttu, et väsimuskäitumist ei arvestata. Väsimuse varajane mõistmine aitab vältida ümberprojekteerimist, viivitusi ja ohutusriske.

Milline on ekstrusioonide tüüpiline väsimustugevus?

Väsimustugevus ei ole üks kindel arv. See muutub sõltuvalt sulamist, karastusest, pinnaviimistlusest ja pingetsüklitest. Projekteerijad ootavad sageli kindlat väärtust, kuid alumiinium ei käitu väsimuse korral nagu teras.

Tüüpiline alumiiniumi ekstrusiooni väsimustugevus ulatub 30 MPa kuni 100 MPa 10 miljoni tsükli juures, sõltuvalt sulamist ja karastusest. Alumiiniumil ei ole tõelist vastupidavuse piiri.

See tähendab, et väsimuskahjustus suureneb tsüklite kasvades isegi madala pinge korral.

Miks alumiiniumil ei ole vastupidavuse piiri

Teras näitab sageli lamedat väsimuskõverat. Pingestuspiirist allpool võib see üle elada lõpmatuid tsükleid. Alumiinium ei käitu nii.

Alumiiniumprofiilide puhul:

• Iga stressitsükkel põhjustab väikeseid kahjustusi
• Mikropraod kasvavad aeglaselt aja jooksul
• Rike võib tekkida isegi vähese stressi korral

See muudab tsüklite arvu kriitiliseks.

Tüüpilised väsimusvahemikud sulamiperekondade kaupa

Allpool on esitatud üldine võrdlus, mida kasutati varajases projekteerimises. Need ei ole garanteeritud väärtused. Need aitavad ainult sõelumisel.

Pinna seisund võib vähendada neid väärtusi 20 protsenti või rohkem.

Ekstrusiooni kvaliteedi roll

Väsimus algab nõrkadest kohtadest. Profileerimisel on need sageli järgmised:

• Surmaribad
• Pinna kriimustused
• Teravad nurgad
• Keevitusõmblused õõnesprofiilides

Hea stantsimisvormi projekteerimine ja protsessi kontroll vähendavad neid riske. Siledad pinnad parandavad paljudel juhtudel väsimuse kestvust rohkem kui seina paksuse suurendamine.

Stressi suhe on oluline

Väsimustugevus sõltub pingesuhtest. Täielikult vastupidine koormus on raskem kui ühesuunaline koormus.

Disainerid peavad määratlema:

• Maksimaalne stress
• Minimaalne stress
• Keskmine stress

Selle eiramine viib ebaturvaliste eeldusteni.

Varajane projekteerimisviga, mida vältida

Paljud ostjad küsivad ainult tõmbetugevuse aruandeid. See ei ennusta väsimusaja kestust. Väsimustugevus on tavaliselt palju madalam kui voolavuspiir.

Kuidas mõjutab koormustsüklilisus ekstrusiooni kasutusiga?

Väsimispuudulikkuse põhjuseks on korduv koormus, mitte ühekordne ülekoormus. Paljud ekstrusioonid lagunevad tsüklilise koormuse tõttu koormuse korral, mis on palju väiksem kui nende nimitugevus.

Koormustsüklite kasutamine vähendab ekstrusiooni kasutusiga, tekitades mikropragusid, mis kasvavad iga tsükliga, kuni tekib äkiline purunemine. Suuremad tsüklid ja pingete vahemikud lühendavad kasutusiga järsult.

Koormusmustrite mõistmine on olulisem kui tippkoormus.

Mida loetakse tsükliks

Tsükkel on üks täielik koormuse muutus. See hõlmab:

• Masinate käivitamine ja seiskamine
• Tuule vibratsioon
• Termiline paisumine ja kokkutõmbumine
• Korduv tõstmine või liikumine

Isegi väikesed stressimuutused loevad.

S-N kõvera põhitõed

Väsimuskäitumine on näidatud S-N kõveraga:

• S = pinge amplituud
• N = tsüklite arv kuni läbikukkumiseni

Alumiiniumi puhul:

• Kõrge stress viib kiireks rikke tekkimiseni
• Madal stress viib pika elueani, kuid mitte lõpmatuseni

Projekteerijad seavad sageli eesmärgiks konkreetse tsükli eluea, näiteks 2 miljonit või 10 miljonit tsüklit.

Kõrge tsükli ja madala tsükli väsimus

On kaks ühist väsimustsooni.

Madala tsükliga väsimus

• Suur stress
• Plastiline deformatsioon
• Tsüklid tavaliselt alla 100 000
• Tavaline seismiliste või löökkoormuste korral

Kõrge tsükliväsimus

• Madalam stress
• Elastne deformatsioon
• Miljonid tsüklid
• Üldine masinate raamid ja toed

Enamik alumiiniumprofiile töötab suure tsükliväsimusega.

Koormuse suund ja profiili kuju

Ekstrusioonid saavad paremini hakkama väsimusega, kui:

• Laadimisrajad on sujuvad
• Stress on ühtlaselt jaotunud
• Äkilist lõike muutust ei ole olemas

Kehvade kujunduste hulka kuuluvad:

• Teravad sisselõiked
• Õhukesed võrgud aukude lähedal
• Järsk paksuse muutus

Praktilised disaini kohandused

Pikendada väsimuse kestust:

• Suurendage fileerimisraadiust
• Vältida teravaid nurki
• Kasutage ühtlast seinapaksust
• Vähendada stressi kontsentratsiooni

Väikesed geomeetrilised muutused kahekordistavad sageli väsimusaja.

Varjatud jalgrattasõidu allikad

Mõned ostjad võtavad arvesse ainult mehaanilist koormust. Nad unustavad:

• Temperatuuritsüklid
• Kokkupaneku stress
• Jääkpinge sirgendamisest tulenev jääkpinge

Need kombineeritakse teeninduskoormusega.

Tegelik ebaõnnestumise muster

Väsimispraod algavad sageli vaikselt. Nad kasvavad aeglaselt. Siis juhtub rike äkki. Sageli ei ole enne lõplikku purunemist mingit nähtavat hoiatust.

Millised sulamid pakuvad paremat väsimuskindlust?

Kõik alumiiniumisulamid ei käitu väsimuse korral ühtemoodi. Sulami valik mõjutab oluliselt kasutusiga.

6000 ja 7000 seeria sulamid pakuvad paremat väsimuskindlust kui 3000 seeria sulamid, kusjuures 6061-T6 ja 6082-T6 on tavalised tasakaalustatud valikud ekstrudeerimiseks.

Kuid tugevus üksi ei taga veel väsimustõhusust.

Miks sulami keemia on oluline

Väsimuskindlus sõltub:

• Terade struktuur
• Sademete kõvenemine
• Lisandi kontrollimine

Kuumtöödeldavad sulamid toimivad tavaliselt paremini.

Võrreldes tavalisi ekstrusioonisulameid

Miks 6061-T6 kasutatakse laialdaselt

6061-T6 valitakse sageli seetõttu, et:

• Stabiilsed väsimusandmed
• Hea töödeldavus
• Aktsepteeritav korrosioonikindlus
• Laialdane tarnijate kättesaadavus

See ei ole kõige tugevam, kuid see on prognoositav.

Temperamendi roll

Temperatuur muudab väsimuskäitumist.

• T5: ekstrusioonist jahutatud, väiksem väsimus
• T6: lahusega töödeldud ja laagerdatud, suurem väsimus.

Temperatuuri uuendamine võib suurendada väsimustugevust ilma profiili muutmata.

Keevituse mõju

Keevitamine vähendab järsult väsimustugevust.

• Kuumusest mõjutatud tsoonid pehmenevad
• Mikrostruktuuri muutused
• Praod algavad sageli keevisõmbluste lähedalt

Projekteerijad peaksid vältima keevitamist kõrge väsimusastmega tsoonides või suurendama lõigete suurust kohapeal.

Pinnatöötluse mõju

Mõned ravimeetodid aitavad, teised teevad haiget.

• Anodeerimine: võib veidi vähendada väsimust, kui see on paks.
• Tihendamine: võib parandada väsimust.
• Poleerimine: parandab väsimust

Pinnakontroll on kriitilise tähtsusega.

Kulude ja väsimuse vaheline kompromiss

Kõrgemat väsimust nõudvad sulamid maksavad rohkem. Kuid asenduskulud ja seisakuaeg maksavad sageli rohkem kui materjali uuendamine.

Kas on olemas standardid väsimustugevuse katsetamiseks?

Väsimuskatsed peavad järgima standardeid. Ilma standardmeetoditeta ei saa andmeid võrrelda ega usaldada.

Jah, alumiiniumist ekstrusiooni väsimuskatsed on hõlmatud ASTM, ISO ja EN standarditega, mis määratlevad proovi kuju, koormuse kontrolli ja tsüklite arvu.

Need standardid suunavad nii katsetamist kui ka disaini valideerimist.

Miks standardid on olulised

Väsimuse andmed on väga erinevad. Standardid tagavad:

• Korduvkatsetused
• Võrreldavad tulemused
• Selge koormuse määratlus

Ostjad peaksid alati küsima, millist standardit kasutati.

Ühised väsimusstandardid

Allpool on esitatud laialdaselt kasutatavad viited.

Näidis vs. tegelik profiil

Standardkatsetes kasutatakse siledaid näidiseid. Tõelised ekstrusioonid on järgmised:

• Nurgad
• Augud
• Keevitusõmblused

See tähendab, et tegelik väsimustugevus on sageli väiksem kui katseväärtused.

Komponentide testimine

Kriitiliste projektide puhul soovitatakse komponentide testimist.

• Kasutab tegelikku profiili
• Kaasa arvatud keevisõmblused ja ühendused
• Peegeldab tegelikku stressi seisundit

See on tavaline transpordi- ja rasketehnika puhul.

Ohutustegurid

Projekteerimisstandardites kohaldatakse väsimuse ohutustegureid. Need võtavad arvesse:

• Tootmise varieerumine
• Pinnakahjustused
• Koormuse määramatus

Ohutustegurite eiramine toob kaasa enneaegse rikke.

Ostja kontrollnimekiri

Väsimusandmete läbivaatamisel kinnitage alati:

• Kasutatud koormuse suhe
• Tsüklite arvu eesmärk
• Ebaõnnestumise määratlus
• Proovi geomeetria

Paljudel andmelehtedel on need üksikasjad välja jäetud.

Konstruktsioonikoodid vs. materjaliandmed

Materjalide väsimusandmed toetavad projekteerimiskoode. Projekteerimiskoodeksid kontrollivad lõplikku lubatud pinget.

Insenerid peavad järgima projekteerimiskoodeksit, mitte ainult tarnija andmeid.

Kokkuvõte

Väsimustugevus kontrollib alumiiniumprofiilide pikaajalist ohutust. Sulami valik, pinna kvaliteet, koormustsüklid ja standardid on kõik olulised. Varajane väsimuse planeerimine vähendab rikkeohtu, ümberprojekteerimise kulusid ja seisakuid.