Vereisten voor vermoeiingssterkte van aluminiumextrusie?

Vermoeiingsbreuk treedt vaak op zonder waarschuwing. Veel kopers richten zich op vloeigrens en zien vermoeiing over het hoofd. Deze lacune leidt tot scheuren, stilstand en hoge vervangingskosten.

De vermoeiingssterkte van aluminiumextrusie is afhankelijk van de legering, de hardheid, de oppervlaktekwaliteit en het belastingspatroon. Bij de meeste industriële toepassingen is de vermoeiingssterkte veel lager dan de statische sterkte en dit moet vroeg in het ontwerp worden gecontroleerd.

Veel projecten mislukken niet omdat aluminium zwak is, maar omdat het vermoeiingsgedrag wordt genegeerd. Vermoeiing in een vroeg stadium begrijpen helpt herontwerp, vertragingen en veiligheidsrisico's voorkomen.

Wat is de typische vermoeiingssterkte voor extrusies?

Vermoeiingssterkte is niet één vast getal. Het verandert met de legering, de hardheid, de oppervlakteafwerking en spanningscycli. Ontwerpers verwachten vaak een duidelijke waarde, maar aluminium gedraagt zich niet als staal bij vermoeiing.

De typische vermoeiingssterkte van aluminiumextrusie varieert van 30 MPa tot 100 MPa bij 10 miljoen cycli, afhankelijk van de legering en de hardheid. Er is geen echte duurzaamheidslimiet voor aluminium.

Dit betekent dat vermoeiingsschade zich blijft opbouwen naarmate het aantal cycli toeneemt, zelfs bij lage spanning.

Waarom aluminium geen uithoudingsgrens heeft

Staal vertoont vaak een vlakke vermoeiingscurve. Onder een spanningsgrens kan het oneindig veel cycli overleven. Aluminium gedraagt zich niet zo.

Voor aluminium extrusies:

• Elke stresscyclus veroorzaakt kleine schade
• Microscheurtjes groeien langzaam na verloop van tijd
• Zelfs bij weinig stress kan er falen

Hierdoor is het aantal cycli van cruciaal belang.

Typische vermoeiingsbereiken per legeringsfamilie

Hieronder staat een algemene vergelijking die gebruikt is in een vroeg ontwerp. Dit zijn geen gegarandeerde waarden. Ze helpen alleen bij het screenen.

Alloy	Temper	Vermoeiingssterkte bij benadering bij 10^7 cycli (MPa)	Algemeen gebruik
6063	T5	30 tot 50	Architecturale, lichte frames
6061	T6	60 tot 95	Structureel, machines
6082	T6	70 tot 100	Zwaar uitgevoerde frames
7075	T6	90 tot 130	Ruimtevaart, hoge belasting

De conditie van het oppervlak kan deze waarden met 20 procent of meer verlagen.

De rol van extrusiekwaliteit

Vermoeidheid begint op zwakke punten. Bij extrusies zijn dat vaak

• Matrijslijnen
• Krassen op het oppervlak
• Scherpe hoeken
• Lasnaden in holle profielen

Een goed matrijsontwerp en procesbeheersing verminderen deze risico's. Gladde oppervlakken verbeteren in veel gevallen de vermoeiingslevensduur meer dan het vergroten van de wanddikte.

Stressratio is belangrijk

Vermoeiingssterkte is afhankelijk van spanningsverhouding. Volledig omgekeerde belasting is zwaarder dan belasting in één richting.

Ontwerpers moeten definiëren:

• Maximale spanning
• Minimale spanning
• Gemiddelde stress

Dit negeren leidt tot onveilige aannames.

Vroege ontwerpfout die je moet vermijden

Veel kopers vragen alleen naar de treksterkte. Dit voorspelt de vermoeiingslevensduur niet. Vermoeiingssterkte is meestal veel lager dan vloeigrens.

Hoe beïnvloedt de belasting de levensduur van de extrusie?

Falen door vermoeiing wordt veroorzaakt door herhaalde belasting, niet door eenmalige overbelasting. Veel extrusies bezwijken onder belastingen ver onder hun nominale sterkte door cycli.

Belastingscycli verkorten de levensduur van extrusie door microscheurtjes te creëren die bij elke cyclus groeien tot er een plotselinge breuk optreedt. Hogere cycli en spanningsbereiken verkorten de levensduur aanzienlijk.

Inzicht in belastingspatronen is belangrijker dan piekbelasting.

Wat telt als een cyclus

Een cyclus is één volledige verandering van lading. Dit omvat:

• Machines starten en stoppen
• Windvibratie
• Thermische uitzetting en inkrimping
• Herhaaldelijk tillen of bewegen

Zelfs kleine stressschommelingen tellen.

Basisprincipes S-N-curve

Het vermoeiingsgedrag wordt weergegeven met een S-N-curve:

• S = spanningsamplitude
• N = aantal cycli tot breuk

Voor aluminium:

• Hoge spanning leidt tot snel falen
• Weinig stress leidt tot een lange levensduur, maar niet oneindig

Ontwerpers richten zich vaak op een specifieke levensduur, zoals 2 miljoen of 10 miljoen cycli.

Hoge- versus lage-cyclusmoeheid

Er zijn twee algemene vermoeidheidszones.

Laag-cyclische vermoeidheid

• Hoge stress
• Plastische vervorming
• Cycli meestal onder 100.000
• Vaak voor seismische of schokbelastingen

Hoog-cyclische vermoeidheid

• Minder stress
• Elastische vervorming
• Miljoenen cycli
• Gebruikelijk in machineframes en -steunen

De meeste aluminium extrusies werken in hoog-cyclische vermoeiing.

Belastingsrichting en profielvorm

Extrusies gaan beter om met vermoeidheid wanneer:

• Laadpaden zijn vloeiend
• Spanning is gelijkmatig verdeeld
• Er is geen plotselinge verandering in de sectie

Slechte ontwerpen zijn onder andere:

• Scherpe inkepingen
• Dunne webben bij gaten
• Abrupte dikteverandering

Praktische ontwerpaanpassingen

Om de vermoeiingslevensduur te verlengen:

• Vergroot de afrondingsstraal
• Vermijd scherpe hoeken
• Gebruik een uniforme wanddikte
• Verminder stressconcentratie

Kleine geometrieveranderingen verdubbelen vaak de vermoeiingslevensduur.

Verborgen fietsbronnen

Sommige kopers houden alleen rekening met mechanische belasting. Ze vergeten:

• Temperatuurcycli
• Stress bij montage
• Restspanning door rechtzetten

Deze worden gecombineerd met servicebelasting.

Echt faalpatroon

Vermoeiingsscheuren beginnen vaak stilletjes. Ze groeien langzaam. Dan gebeurt het plotseling. Er is vaak geen zichtbare waarschuwing tot de uiteindelijke breuk.

Welke legeringen bieden een superieure weerstand tegen vermoeiing?

Niet alle aluminiumlegeringen gedragen zich hetzelfde bij vermoeiing. De keuze van de legering heeft een grote invloed op de levensduur.

Legeringen uit de 6000- en 7000-serie bieden een betere weerstand tegen vermoeiing dan legeringen uit de 3000-serie, waarbij 6061-T6 en 6082-T6 veel voorkomende evenwichtige keuzes zijn voor extrusies.

Sterkte alleen is echter geen garantie voor vermoeiingsprestaties.

Waarom de chemie van legeringen belangrijk is

Vermoeiingsweerstand hangt af van:

• Korrelstructuur
• Neerslagverharding
• Controle op onzuiverheid

Warmtebehandelbare legeringen presteren meestal beter.

Veelgebruikte extrusielegeringen vergeleken

Alloy	Vermoeidheidsgedrag	Voordelen	Grenzen
6063-T5	Laag tot matig	Goed oppervlak, gemakkelijke extrusie	Lagere vermoeiingssterkte
6061-T6	Matig tot hoog	Goede balans tussen sterkte en kosten	Iets moeilijker te extruderen
6082-T6	Hoog	Sterker dan 6061	Minder oppervlaktekwaliteit
7075-T6	Zeer hoog	Uitstekende vermoeidheid	Kosten, corrosierisico

Waarom 6061-T6 veel gebruikt wordt

6061-T6 wordt vaak gekozen omdat:

• Stabiele vermoeidheidsgegevens
• Goed bewerkbaar
• Aanvaardbare weerstand tegen corrosie
• Brede beschikbaarheid van leveranciers

Het is niet de sterkste, maar wel voorspelbaar.

De rol van temperament

Temperaturen veranderen het vermoeidheidsgedrag.

• T5: gekoeld door extrusie, minder vermoeiing
• T6: oplossing behandeld en verouderd, hogere vermoeiing

Een opwaardering van de hardheid kan de vermoeiingssterkte verhogen zonder het profiel te veranderen.

Invloed van lassen

Lassen vermindert de vermoeiingssterkte sterk.

• Warmte beïnvloede zones worden zacht
• Microstructuurveranderingen
• Scheuren beginnen vaak in de buurt van lasnaden

Ontwerpers moeten lassen in zones met hoge vermoeiing vermijden of de doorsnede plaatselijk vergroten.

Effecten van oppervlaktebehandeling

Sommige behandelingen helpen, andere doen pijn.

• Anodiseren: kan vermoeidheid enigszins verminderen indien dik
• Shot peening: kan vermoeidheid verbeteren
• Polijsten: verbetert vermoeidheid

Controle over het oppervlak is cruciaal.

Afweging tussen kosten en vermoeidheid

Hogere vermoeiingslegeringen kosten meer. Maar vervangingskosten en stilstandtijd kosten vaak meer dan materiaalupgrade.

Zijn er normen voor het testen van vermoeiingssterkte?

Vermoeiingstesten moeten standaarden volgen. Zonder standaardmethoden kunnen gegevens niet vergeleken of vertrouwd worden.

Ja, vermoeidheidstesten op aluminiumextrusie worden gedekt door ASTM, ISO en EN standaarden die de vorm van het proefstuk, de belastingscontrole en het tellen van de cycli definiëren.

Deze normen geven richting aan zowel testen als ontwerpvalidatie.

Waarom normen belangrijk zijn

Vermoeidheidsgegevens variëren sterk. Normen garanderen:

• Herhaalbaar testen
• Vergelijkbare resultaten
• Duidelijke definitie van lading

Kopers moeten altijd vragen welke standaard is gebruikt.

Gemeenschappelijke vermoeidheidsnormen

Hieronder staan veelgebruikte referenties.

Standaard	Toepassingsgebied	Typisch gebruik
ASTM E466	Axiale vermoeiing	Testen van basismateriaal
ASTM E468	Presentatie van vermoeidheidsgegevens	Rapportageformaat
ISO 1099	Axiale vermoeiing	Internationale referentie
NL 1999	Aluminium ontwerp	Structurele toepassingen

Voorbeeld vs. echt profiel

Bij standaardtesten worden gladde proefstukken gebruikt. Echte extrusies zijn onder andere:

• Hoeken
• Gaten
• Lasnaden

Dit betekent dat de werkelijke vermoeiingssterkte vaak lager is dan de testwaarden.

Testen van onderdelen

Voor kritieke projecten wordt het testen van onderdelen aanbevolen.

• Gebruikt echt profiel
• Inclusief lasnaden en verbindingen
• Weerspiegelt echte stressstatus

Dit komt vaak voor bij transport en zware machines.

Veiligheidsfactoren

Ontwerpnormen passen veiligheidsfactoren voor vermoeidheid toe. Deze houden rekening met:

• Variatie in productie
• Oppervlaktebeschadiging
• Belastingsonzekerheid

Het negeren van veiligheidsfactoren leidt tot voortijdig falen.

Checklist voor kopers

Bevestig altijd wanneer je vermoeidheidsgegevens bekijkt:

• Gebruikte belastingsverhouding
• Doelstelling cyclustelling
• Definitie van falen
• Monstergeometrie

Veel datasheets laten deze details weg.

Ontwerpcodes vs materiaalgegevens

Gegevens over materiaalmoeheid ondersteunen ontwerpcodes. Ontwerpcodes bepalen de uiteindelijk toelaatbare spanning.

Ingenieurs moeten de ontwerpcode volgen, niet alleen de gegevens van de leverancier.

Conclusie

Vermoeiingssterkte bepaalt de veiligheid op lange termijn van aluminiumextrusies. De keuze van de legering, oppervlaktekwaliteit, belastingscycli en normen zijn allemaal van belang. Planning van vermoeiing in een vroeg stadium vermindert het risico op defecten, de kosten voor herontwerp en de stilstandtijd.