Die Zugfestigkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Materials, unter Spannung nicht zu brechen.
Die Zugfestigkeit von Aluminium variiert je nach Legierung und Temperierung stark und reicht von etwa 90 MPa für reines Aluminium auf über 700 MPa für hochfeste Legierungen für die Luft- und Raumfahrt.
Gängige Legierungen wie 6061-T6 haben zum Beispiel eine Zugfestigkeit von etwa 310 MPa, während die hochfeste Legierung 7075-T6 mehr als 510 MPa.
In diesem Beitrag werden die Zugfestigkeit von Aluminium, ihre Einflussfaktoren und ihr Vergleich mit anderen Metallen vorgestellt.
Was ist Zugfestigkeit?
Die Zugfestigkeit bezieht sich auf die maximale Spannung, die ein Material bei Dehnung oder Zug aushalten kann, bevor es versagt.
Sie wird oft als Zugfestigkeit (Ultimate Tensile Strength, UTS) bezeichnet und in Megapascal (MPa) oder Pfund pro Quadratzoll (psi) gemessen.
Auf einer Spannungs-Dehnungskurve entspricht die Zugfestigkeit dem höchsten Punkt vor dem Bruch. Darunter liegt die Streckgrenze - der Punkt, an dem die plastische Verformung beginnt.
Der Unterschied zwischen diesen beiden Werten spiegelt die Fähigkeit des Materials wider, sich plastisch zu verformen, bevor es bricht, was auf seine Duktilität hinweist.
Zu den Standardprüfverfahren gehören ASTM E8/E8M und ISO 6892, die die Probengeometrie, die Dehnungsrate und die Messgenauigkeit für metallische Werkstoffe festlegen.
Zugfestigkeit von Reinaluminium
Reines Aluminium (≥99,5% Al) hat eine relativ geringe Zugfestigkeit von etwa 90 MPa.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass es keine nennenswerten Verfestigungsmechanismen wie Ausscheidungen oder Mischkristallhärtung gibt. Durch Kaltverformung (z. B. durch Walzen oder Ziehen) kann er jedoch 110-130 MPa erreichen.
Aufgrund seiner Weichheit und ausgezeichneten Verformbarkeit wird reines Aluminium hauptsächlich für Anwendungen verwendet, bei denen Korrosionsbeständigkeit und Verformbarkeit wichtiger sind als Festigkeit, wie z. B. bei der chemischen Verarbeitung, elektrischen Leitern und dekorativen Komponenten.
Zugfestigkeit von gängigen Aluminiumlegierungen
Die Zugfestigkeit von Aluminium variiert stark zwischen den verschiedenen Legierungsserien und Härtegraden.
Legierungselemente wie Mg, Si, Cu und Zn können in Verbindung mit einer Wärmebehandlung die Festigkeit deutlich erhöhen und gleichzeitig ein günstiges Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht beibehalten.
| Legierung | Temperament | Zugfestigkeit (MPa) | Typische Anwendungen |
|---|---|---|---|
| 1100-H14 | Gehärtet | ~110 | Dekorative, chemische Ausrüstung |
| 3003-H14 | Kalt bearbeitet | ~130 | Paneele, Wärmetauscher |
| 5052-H32 | Belastungsgehärtet | ~210 | Marine, Automobilindustrie |
| 6061-T6 | Lösungsbehandelt & gealtert | ~310 | Luft- und Raumfahrt, Bauwesen |
| 6063-T5 | Künstlich gealtert | ~200 | Architektonisch, Strangpressen |
| 2024-T3 | Wärmebehandelt, kaltverformt | ~470 | Luftfahrzeughäute, Befestigungselemente |
| 7075-T6 | Lösungsbehandelt & gealtert | ~570 | Luft- und Raumfahrt, hochbeanspruchte Komponenten |
Diese Werte zeigen, dass die Zugfestigkeit von Aluminiumlegierungen von etwa 70 MPa in weichen Zuständen bis zu über 600 MPa in hochfesten Luftfahrtgüten reichen kann.
Faktoren, die die Zugfestigkeit beeinflussen
Die Zugfestigkeit von Aluminium hängt von mehreren metallurgischen und verarbeitungstechnischen Faktoren ab:
Zusammensetzung der Legierung
- Cu und Mg bilden in 2xxx- und 5xxx-Legierungen aushärtende Ausscheidungen.
- Zn und Mg in der Serie 7xxx bieten die höchste UTS durch η (MgZn2) Niederschlag.
- Si und Mg in der Serie 6xxx bilden Mg2Si, was zu einer ausgewogenen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit führt.
Temperament Zustand
Die Bezeichnung der Wärmebehandlung (z. B. T4, T5, T6) gibt an, wie die Festigkeit entwickelt wird:
- T4: Lösungsgeglüht, naturgealtert - gute Duktilität
- T6: Lösungsgeglüht, künstlich gealtert - hohe Festigkeit
- H-Vergütung: Durch Kaltumformung verfestigt - nicht wärmebehandelbare Legierungen
Wärmebehandlung
Bei der Lösungsglühung werden die Legierungselemente in einen übersättigten Mischkristall aufgelöst, und die anschließende (natürliche oder künstliche) Alterung ermöglicht eine kontrollierte Ausscheidung, die die Festigkeit erhöht.
Kaltbearbeitung
Die Verformungshärtung erhöht die Versetzungsdichte und verbessert die Zugfestigkeit. Die Legierungen der Serien 1xxx, 3xxx und 5xxx basieren hauptsächlich auf diesem Mechanismus.
Auswirkungen der Temperatur
Bei erhöhten Temperaturen verliert Aluminium aufgrund der erhöhten Versetzungsmobilität schnell an Zugfestigkeit. Zum Beispiel, 6061-T6 kann bei 200 °C um 50% sinken. Bei niedrigen Temperaturen steigt die Festigkeit, während die Duktilität hervorragend bleibt.
Kornstruktur und Textur
Feine, gleichachsige Körner erhöhen die Festigkeit entsprechend der Hall-Petch-Beziehung, während die beim Walzen oder Strangpressen entwickelte Textur die Anisotropie der mechanischen Reaktion beeinflusst.
Zugfestigkeitsprüfung von Aluminium
Die Zugfestigkeitsprüfung wird nach folgenden Kriterien durchgeführt ASTM E8/E8M oder ISO 6892. Standardproben werden mit einheitlichem Querschnitt bearbeitet und in eine Universalprüfmaschine eingespannt. Die Belastung wird mit einer konstanten Dehnungsrate bis zum Bruch aufgebracht.
Die sich daraus ergebende Spannungs-Dehnungs-Kurve kennzeichnet Schlüsselregionen:
- Elastischer Bereich (linear)
- Streckgrenze (Übergang zur plastischen Verformung)
- Plastischer Bereich (Kaltverfestigung)
- Einschnürung und Bruch (maximale Zugfestigkeit)
Zugfestigkeit von stranggepressten Aluminiumprofilen
Bei Aluminium-Strangpressprofilen hängt die Zugfestigkeit von der Art der Legierung, den Strangpressparametern, der Abkühlgeschwindigkeit und der nachfolgenden Wärmebehandlung ab. Zu den gängigen Strangpresslegierungen gehören 6063-T5 und 6061-T6.
Die mechanischen Eigenschaften sind in der Regel entlang der Extrusionsrichtung höher als quer dazu, was auf die Korndehnung und die Fasertextur zurückzuführen ist. Durch die Optimierung des Werkzeugdesigns, der Abschreckrate und der künstlichen Alterung kann eine gleichbleibende Zugfestigkeit über große Produktionschargen hinweg erreicht werden.
Vergleich: Aluminium und andere Metalle
In der nachstehenden Tabelle werden Zugfestigkeit und Dichte von Aluminium mit denen anderer gängiger technischer Metalle verglichen. Während Stahl und Titan eine höhere absolute Festigkeit aufweisen, bietet Aluminium eine höhere spezifische Festigkeit (Festigkeit pro Gewichtseinheit).
| Material | Dichte (g/cm³) | Zugfestigkeit (MPa) | Verhältnis Stärke/Gewicht |
|---|---|---|---|
| Aluminium 6061-T6 | 2.70 | 310 | ~115 |
| Kohlenstoffstahl | 7.85 | 400 | ~51 |
| Titan-Legierung (Ti-6Al-4V) | 4.43 | 900 | ~203 |
| Kupfer | 8.96 | 220 | ~25 |
Diese Vergleiche zeigen, warum Aluminium in Leichtbaukonstruktionen, bei denen Leistung und Gewichtseffizienz entscheidend sind, häufig verwendet wird.
Verbesserung der Zugfestigkeit von Aluminium
- Legieren - Hinzufügen von Mg, Cu oder Zn zur Erhöhung der Ausscheidungsphasen.
- Wärmebehandlung - Lösungsbehandlung und künstliche Alterung (T6) verbessern die Ausscheidungshärtung.
- Kaltumformung - Walzen und Ziehen verfeinern die Körner und erhöhen die Versetzungsdichte.
- Oberflächenveredelung - Kugelstrahlen, Eloxieren oder Beschichten verbessern die Oberflächenhärte und Dauerfestigkeit.
- Optimierung des Extrusionsprozesses - Schnelleres Abschrecken und einheitliches Design der Matrize ergeben höhere Festigkeitsprofile.
Anwendungen auf der Grundlage der Zugfestigkeit
- Luft- und Raumfahrt: 2024-T3 und 7075-T6 für Strukturen mit hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis.
- Automobilindustrie: 6061 und 6082 für Chassis und Crash-Energieabsorption.
- Architektur: 6063-Strangpressprofile für Vorhangfassaden, Fenster und Rahmenwerke.
- Schifffahrt und Elektronik: 5xxx-Legierungen wie 5052 für Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit.
Zusammenfassung
Die Zugfestigkeit von Aluminium reicht von 90 MPa bei reinem Aluminium bis zu über 600 MPa bei hochfesten Legierungen.
Durch Legierung, Wärmebehandlung und Kaltumformung erreicht Aluminium eine bemerkenswerte Kombination aus Leichtigkeit, Festigkeit und Duktilität.
Bei der Konstruktion sollte die Zugfestigkeit mit der Streckgrenze, dem Korrosionsverhalten und der Umformbarkeit abgeglichen werden, um die für die jeweilige Anwendung am besten geeignete Legierung und Härtung auszuwählen.
FAQ: Zugfestigkeit von Aluminium
Wie berechnet man die Zugfestigkeit von Aluminium?
Die Zugfestigkeit wird berechnet, indem man die maximale Belastung (in Newton), der eine Probe bis zum Bruch standhält, durch ihre ursprüngliche Querschnittsfläche (in mm²) dividiert. Das Ergebnis wird in Megapascal (MPa) ausgedrückt: σ = F / A.
Hat Kupfer eine höhere Zugfestigkeit als Aluminium?
Ja. Reines Kupfer hat normalerweise eine Zugfestigkeit von etwa 210-220 MPa, während reines Aluminium etwa 90 MPa aufweist. Hochfeste Aluminiumlegierungen wie 7075-T6 können jedoch 550 MPa überschreiten und übertreffen damit reines Kupfer.
Wie lässt sich die Zugfestigkeit von Aluminium erhöhen?
Die Zugfestigkeit kann durch Legieren (Zugabe von Mg, Zn, Cu), Wärmebehandlung (Lösung und Alterung), Kaltverformung (Walzen, Ziehen) und Verfeinerung der Kornstruktur während der Verarbeitung verbessert werden.
Wie hoch ist die theoretische und ungefähre maximale Zugfestigkeit von Aluminium?
Theoretisch könnte Aluminium bei idealer Verfestigung über 700 MPa erreichen, aber in der Praxis erreichen die stärksten handelsüblichen Legierungen wie 7068-T6 und 7075-T6 etwa 600-710 MPa.
Wie hoch ist die Zugfestigkeit von Aluminium 5052?
Aluminium 5052-H32 hat eine typische Zugfestigkeit von etwa 210-230 MPa. Es ist für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und moderate Festigkeit bekannt und wird häufig in der Schifffahrt und im Automobilbau eingesetzt.
Wie hoch ist die Zugfestigkeit von Aluminiumguss?
Aluminiumguss weist in der Regel eine geringere Zugfestigkeit auf, die je nach Legierung und Gussqualität zwischen 130 und 250 MPa liegt. Wärmebehandelte Gussstücke wie A356-T6 können rund 250 MPa erreichen.
