Alumiinipursotuksen väsymislujuusvaatimukset?

Väsymisvaurio ilmenee usein ilman varoitusta. Monet ostajat keskittyvät myötölujuuteen eivätkä huomaa väsymistä. Tämä puute johtaa halkeamiin, seisokkiaikoihin ja korkeisiin vaihtokustannuksiin.

Alumiinipursotuksen väsymislujuus riippuu seoksesta, karkaisusta, pinnan laadusta ja kuormituskuviosta. Useimmissa teollisissa käyttökohteissa väsymislujuus on paljon alhaisempi kuin staattinen lujuus, ja se on tarkistettava jo suunnitteluvaiheessa.

Monet hankkeet eivät epäonnistu siksi, että alumiini on heikko, vaan siksi, että väsymiskäyttäytyminen jätetään huomiotta. Väsymisen ymmärtäminen varhaisessa vaiheessa auttaa välttämään uudelleensuunnittelua, viivästyksiä ja turvallisuusriskejä.

Mikä on tyypillinen väsymislujuus puristetuille tuotteille?

Väsymislujuus ei ole yksi kiinteä luku. Se muuttuu seoksen, karkaisun, pintakäsittelyn ja rasitussyklien mukaan. Suunnittelijat odottavat usein selkeää arvoa, mutta alumiini ei käyttäydy väsymisessä kuten teräs.

Tyypillinen alumiinin suulakepuristamisen väsymislujuus vaihtelee 30 MPa:sta 100 MPa:iin 10 miljoonassa syklissä seoksesta ja karkaisusta riippuen. Alumiinille ei ole olemassa todellista kestävyysrajaa.

Tämä tarkoittaa, että väsymisvauriot lisääntyvät syklien kasvaessa, jopa alhaisella rasituksella.

Miksi alumiinilla ei ole kestävyysrajaa

Teräksellä on usein tasainen väsymiskäyrä. Jännitysrajan alapuolella se voi kestää loputtomia syklejä. Alumiini ei käyttäydy näin.

Alumiiniprofiileille:

• Jokainen rasitussykli aiheuttaa pieniä vaurioita
• Mikrosäröt kasvavat hitaasti ajan myötä
• Vikaantuminen voi tapahtua jopa alhaisessa rasituksessa

Tämä tekee syklien lukumäärän kriittiseksi.

Tyypilliset väsymisalueet seosperheittäin

Seuraavassa esitetään yleinen vertailu, jota käytettiin suunnittelun alkuvaiheessa. Nämä eivät ole taattuja arvoja. Ne auttavat vain seulonnassa.

Metalliseos	Temper	Noin väsymislujuus 10^7 syklissä (MPa)	Yleinen käyttö
6063	T5	30-50	Arkkitehtoniset, kevyet kehykset
6061	T6	60-95	Rakenteet, koneet
6082	T6	70-100	Raskaat kehykset
7075	T6	90-130	Ilmailu- ja avaruusteollisuus, korkea kuormitus

Pinnan kunto voi alentaa näitä arvoja 20 prosenttia tai enemmän.

Puristamisen laadun merkitys

Väsymys alkaa heikoista kohdista. Pursotuksessa näitä ovat usein:

• Die-linjat
• Pinnan naarmut
• Terävät kulmat
• Onttojen profiilien hitsaussaumat

Hyvä muotin suunnittelu ja prosessinvalvonta vähentävät näitä riskejä. Sileät pinnat parantavat väsymiskestävyyttä monissa tapauksissa enemmän kuin seinämän paksuuden lisääminen.

Stressisuhteella on merkitystä

Väsymislujuus riippuu jännityssuhteesta. Täysin käänteinen kuormitus on vakavampi kuin yksisuuntainen kuormitus.

Suunnittelijoiden on määriteltävä:

• Maksimijännitys
• Vähimmäisrasitus
• Keskimääräinen stressi

Tämän huomiotta jättäminen johtaa vaarallisiin oletuksiin.

Varhainen suunnitteluvirhe vältettäväksi

Monet ostajat pyytävät vain vetolujuusraportteja. Tämä ei ennusta väsymiskestävyyttä. Väsymislujuus on yleensä paljon pienempi kuin myötölujuus.

Miten kuormituksen vaihtelu vaikuttaa puristimen käyttöikään?

Väsymisvaurio johtuu toistuvasta kuormituksesta, ei kertaluonteisesta ylikuormituksesta. Monet suulakepuristetut kappaleet vioittuvat kuormituksissa, jotka jäävät paljon alle niiden nimellislujuuden, koska ne ovat syklisiä.

Kuormitussyklit lyhentävät suulakepuristimen käyttöikää luomalla mikrosäröjä, jotka kasvavat jokaisen syklin myötä, kunnes syntyy äkillinen murtuma. Suuremmat syklit ja jännitysalueet lyhentävät käyttöikää jyrkästi.

Kuormitusmallien ymmärtäminen on tärkeämpää kuin huippukuormitus.

Mikä lasketaan sykliksi

Sykli on yksi täydellinen kuormanvaihto. Tämä sisältää:

• Koneiden käynnistys ja pysäytys
• Tuulen värähtely
• Lämpölaajeneminen ja supistuminen
• Toistuva nostaminen tai liikkuminen

Pienetkin stressin vaihtelut ovat tärkeitä.

S-N-käyrän perusteet

Väsymiskäyttäytyminen esitetään S-N-käyrällä:

• S = jännitysamplitudi
• N = vikaantumissyklien lukumäärä

Alumiinille:

• Korkea rasitus johtaa nopeaan vikaantumiseen
• Vähäinen stressi johtaa pitkään elämään, mutta ei loputtomiin.

Suunnittelijat tavoittelevat usein tiettyä elinikää, kuten 2 miljoonaa tai 10 miljoonaa sykliä.

Korkean syklin vs. matalan syklin väsyminen

On olemassa kaksi yleistä väsymysvyöhykettä.

Alhaisen syklin väsyminen

• Korkea stressi
• Plastinen muodonmuutos
• Syklit yleensä alle 100 000
• Yleinen seismisissä tai iskukuormituksissa

Korkean syklin väsyminen

• Alempi stressi
• Elastinen muodonmuutos
• Miljoonia syklejä
• Yleinen koneiden rungoissa ja kannattimissa

Useimmat alumiiniprofiilit toimivat korkeasyklisen väsymyksen alaisena.

Kuormituksen suunta ja profiilin muoto

Puristekappaleet käsittelevät väsymystä paremmin, kun:

• Kuormitusreitit ovat tasaisia
• Jännitys jakautuu tasaisesti
• Äkillistä jakson muutosta ei ole

Huonoja malleja ovat mm:

• Terävät lovet
• Ohuet verkot reikien lähellä
• Äkillinen paksuuden muutos

Käytännölliset suunnittelusäädöt

Väsymiskeston pidentäminen:

• Suurenna säteen sädettä
• Vältä teräviä kulmia
• Käytä tasaista seinämän paksuutta
• Vähennä stressin keskittymistä

Pienet geometrian muutokset usein kaksinkertaistavat väsymiskeston.

Piilotetut pyöräilyn lähteet

Jotkut ostajat ottavat huomioon vain mekaanisen kuormituksen. He unohtavat:

• Lämpötilajaksot
• Kokoonpanon rasitus
• Suoristamisesta aiheutuva jäännösjännitys

Nämä yhdistyvät palvelukuormiin.

Todellinen epäonnistumisen malli

Väsymishalkeamat alkavat usein hiljaa. Ne kasvavat hitaasti. Sitten vikaantuminen tapahtuu yhtäkkiä. Usein ei ole näkyvää varoitusta ennen lopullista murtumista.

Mitkä seokset tarjoavat paremman väsymiskestävyyden?

Kaikki alumiiniseokset eivät käyttäydy samalla tavalla väsymisessä. Seoksen valinnalla on suuri vaikutus käyttöikään.

6000- ja 7000-sarjan seokset tarjoavat paremman väsymiskestävyyden kuin 3000-sarjan seokset, ja 6061-T6 ja 6082-T6 ovat yleisiä tasapainoisia valintoja suulakepuristuksiin.

Pelkkä lujuus ei kuitenkaan takaa väsymiskykyä.

Miksi metalliseosten kemiallinen koostumus on tärkeää

Väsymiskestävyys riippuu:

• Raerakenne
• Sateen kovettuminen
• Epäpuhtauksien valvonta

Lämpökäsiteltävät seokset toimivat yleensä paremmin.

Yleiset suulakepuristusseokset verrattuna

Metalliseos	Väsymiskäyttäytyminen	Edut	Rajoitukset
6063-T5	Alhainen tai kohtalainen	Hyvä pinta, helppo puristaminen	Alempi väsymislujuus
6061-T6	Kohtalainen tai korkea	Hyvä tasapaino lujuuden ja kustannusten välillä	Hieman vaikeampi puristaa
6082-T6	Korkea	Vahvempi kuin 6061	Vähemmän pinnanlaatua
7075-T6	Erittäin korkea	Erinomainen väsymys	Kustannukset, korroosioriski

Miksi 6061-T6 on laajalti käytetty

6061-T6 valitaan usein seuraavista syistä:

• Vakaat väsymistiedot
• Hyvä työstettävyys
• Hyväksyttävä korroosionkestävyys
• Toimittajien laaja saatavuus

Se ei ole vahvin, mutta se on ennakoitavissa.

Temperamentin rooli

Lämpötila muuttaa väsymiskäyttäytymistä.

• T5: jäähdytetty puristamisesta, alhaisempi väsymiskestävyys
• T6: liuotuskäsitelty ja vanhennettu, korkeampi väsymiskestävyys.

Lujuusparannus voi lisätä väsymislujuutta profiilia muuttamatta.

Hitsauksen vaikutus

Hitsaus vähentää väsymislujuutta huomattavasti.

• Lämpövaikutusalueet pehmenevät
• Mikrorakenteen muutokset
• Halkeamat alkavat usein hitsaussaumojen läheltä

Suunnittelijoiden olisi vältettävä hitsausta korkean väsymyksen alueilla tai lisättävä poikkileikkauksen kokoa paikallisesti.

Pintakäsittelyn vaikutukset

Jotkut hoidot auttavat, toiset taas vahingoittavat.

• Anodisointi: voi hieman vähentää väsymystä, jos se on paksu.
• Shot peening: voi parantaa väsymystä
• Kiillotus: parantaa väsymystä

Pinnanhallinta on kriittistä.

Kustannusten ja väsymyksen välinen kompromissi

Korkeamman väsymismäärän seokset maksavat enemmän. Vaihtokustannukset ja seisokkiaika ovat kuitenkin usein kalliimpia kuin materiaalin päivittäminen.

Onko väsymislujuuden testausta varten olemassa standardeja?

Väsymistestauksessa on noudatettava standardeja. Ilman vakiomenetelmiä tietoja ei voida vertailla eikä niihin voida luottaa.

Kyllä, alumiinipursotuksen väsymistestaus kuuluu ASTM-, ISO- ja EN-standardien piiriin, jotka määrittelevät näytteen muodon, kuormituksen hallinnan ja syklien laskennan.

Nämä standardit ohjaavat sekä testausta että suunnittelun validointia.

Miksi standardeilla on merkitystä

Väsymistiedot vaihtelevat suuresti. Standardit varmistavat:

• Toistettava testaus
• Vertailukelpoiset tulokset
• Selkeä kuorman määritelmä

Ostajien on aina kysyttävä, mitä standardia on käytetty.

Yhteiset väsymisstandardit

Seuraavassa on yleisesti käytettyjä viitteitä.

Standardi	Laajuus	Tyypillinen käyttö
ASTM E466	Aksiaalinen väsyminen	Perusmateriaalin testaus
ASTM E468	Väsymistietojen esittäminen	Raportointimuoto
ISO 1099	Aksiaalinen väsyminen	Kansainvälinen viite
FI 1999	Alumiininen muotoilu	Rakenteelliset sovellukset

Näyte vs. todellinen profiili

Standarditesteissä käytetään sileitä näytteitä. Todellisia puristekappaleita ovat mm:

• Kulmat
• Reiät
• Hitsaussaumat

Tämä tarkoittaa, että todellinen väsymislujuus on usein pienempi kuin testiarvot.

Komponenttien testaus

Kriittisissä hankkeissa suositellaan komponenttitestausta.

• Käyttää todellista profiilia
• Sisältää hitsit ja liitokset
• Heijastaa todellista stressitilaa

Tämä on yleistä kuljetusalalla ja raskaissa koneissa.

Turvallisuustekijät

Suunnittelustandardeissa sovelletaan väsymysturvakertoimia. Näissä otetaan huomioon:

• Valmistuksen vaihtelu
• Pintavauriot
• Kuormituksen epävarmuus

Turvallisuustekijöiden huomiotta jättäminen johtaa ennenaikaiseen vikaantumiseen.

Ostajan tarkistuslista

Vahvista aina väsymystietoja tarkastellessasi:

• Käytetty kuormitussuhde
• Syklien lukumäärän tavoite
• Epäonnistumisen määritelmä
• Näytteen geometria

Monissa tietolehdissä nämä tiedot puuttuvat.

Suunnittelukoodit vs. materiaalitiedot

Materiaalin väsymistiedot tukevat suunnittelukoodeja. Suunnittelukoodit ohjaavat lopullista sallittua jännitystä.

Insinöörien on noudatettava suunnittelukoodia, ei pelkästään toimittajan tietoja.

Päätelmä

Väsymislujuus ohjaa alumiiniprofiilien pitkäaikaisturvallisuutta. Seoksen valinnalla, pinnan laadulla, kuormitussykleillä ja standardeilla on merkitystä. Varhainen väsymissuunnittelu vähentää vikaantumisriskiä, uudelleensuunnittelukustannuksia ja seisokkiaikoja.