Руководство по прочности алюминия на сдвиг: значения сплавов, испытания и проектирование экструзии

Что означает прочность на сдвиг в экструдированных профилях

Прочность на сдвиг — это максимальное напряжение, которое алюминиевый профиль может выдержать до того, как одна плоскость материала раздвинется параллельно приложенной нагрузке, а для конструкционных алюминиевых сплавов она обычно составляет от 55 до 65 процентов от предельной прочности на разрыв.

В вытянутой раме сдвиг возникает в трех отдельных местах: на хвостовике болта, в резьбовом зацеплении внутри Т-образной гайки и в стенке паза профиля. Каждая плоскость имеет различную площадь и условия ограничения, поэтому каждую из них необходимо проверять независимо; самая слабая плоскость управляет суставом.

• Допустимая нагрузка на сдвиг хвостовика болта определяется классом и диаметром крепежа.
• Прочность зачистки резьбы Т-образной гайки – устанавливается в зависимости от длины зацепления в гайке.
• Площадь сдвига стенки паза профиля – определяется толщиной стенки за пазом.

Анодирование не входит в расчет. Оксидный слой толщиной от 5 до 25 микрометров повышает износостойкость поверхности, но объемная прочность на сдвиг полностью зависит от основного сплава и состояния экструзии.

Прочность алюминия на сдвиг в зависимости от сплава и состояния

У коммерческих алюминиевых сплавов прочность на сдвиг варьируется от примерно 40 МПа для отожженного чистого металла до 330 МПа для 7075-Т6, а два сплава, используемые в большинстве экструзионных форм с Т-образными пазами, 6063 и 6061, обеспечивают от 117 до 207 МПа в зависимости от отпуска.

Перепады настроения имеют значение в реальных кадрах. Профиль 6063-T6 выдерживает примерно на 30 процентов большую нагрузку сдвига на квадратный миллиметр, чем тот же профиль из 6063-T5 при одинаковых размерах стенок, поэтому для соединений с высоким сдвигом следует указать отпуск и проверить его в сертификате материала.

Как измеряется прочность на сдвиг и где результаты неверны

Прочность алюминия на сдвиг измеряется с помощью испытаний на пробой и приспособление с одинарным сдвигом, и оба требуют строгого контроля зазора; когда установка выключена, заявленная прочность может измениться более чем на 10 процентов для того же материала.

• ASTM B831 охватывает испытания на сдвиг тонких изделий из алюминиевых сплавов методом штамповки и является стандартным эталоном для листов и экструзионных купонов.
• ASTM F606 регулирует испытания болтовых соединений на сдвиг и применяется, когда оцениваемым компонентом является болт, а не профиль.
• Внутренние процедуры проката, основанные на этих стандартах, являются общими для профилей экструзии, а результаты печатаются в сертификате испытаний материала.

Три переменные искажают результаты испытаний на сдвиг больше, чем любые другие.

• Зазор между штампами: слишком маленький приводит к вторичному сдвигу и искусственно завышенным значениям; слишком большой размер создает заусенцы и низкие, неповторяющиеся цифры.
• Ориентация образца: прочность может отличаться на несколько процентов в направлении экструзии и поперечном направлении из-за ориентации зерен.
• Подготовка поверхности: неровные прижимные или анодированные поверхности изменяют трение в зоне сдвига и должны быть удалены перед испытанием.

Для экструдированных профилей наиболее репрезентативный результат получается при обработке плоского образца из фактической стенки профиля и тестировании именно этого материала, а не на основе общих справочных значений листового материала.

Правило 60 процентов: оценка прочности на сдвиг на основе данных о растяжении

Если сертифицированное значение прочности на сдвиг недоступно, оцените прочность на сдвиг как 60 процентов от предельной прочности на разрыв; для алюминиевых сплавов это прогнозирует, что прочность на сдвиг при вырубке и прошивке будет находиться в пределах примерно 5,5 процентов от измеренных значений в среднем.

Правило 60 процентов — это инструмент на стадии разработки концепции, а не замена сертифицированных данных завода. Как только соединение станет критическим, запросите сертификат механических свойств для конкретной температуры экструзии или проведите испытание на штамповку купона из доставленного профиля.

Используйте правило в следующих ситуациях:

• Концептуальный дизайн: сравнение сплавов и сортов перед определением компоновки рамы.
• Цитирование поставщика, когда в паспорте указана прочность на разрыв, но не указана прочность на сдвиг.
• Анализ отказов при проверке того, была ли нагрузка на треснутое соединение превысить допустимый допустимый сдвиг.

Применение данных о прочности на сдвиг к экструзионным рамам с Т-образными пазами

В конструкции рамы с Т-образными пазами прочность на сдвиг материала профиля имеет наибольшее значение в месте соединения, поскольку рамы почти всегда сначала выходят из строя на стыке, а не в середине пролета.

Болтовое соединение Т-образного паза ограничивается наименьшим из трех значений: прочностью болта на сдвиг, прочностью полосы резьбы Т-образной гайки или площадью сдвига стенки профиля за пазом. В тонкостенных профилях кромка паза обычно является самой слабой плоскостью, поэтому в перегруженных соединениях перед срезом крепежа появляется деформация или трещина паза.

Толщина стенки — это рычаг, который повышает прочность соединения без изменения сплава. Профиль 4040 со стенкой толщиной 4,5 мм обеспечивает примерно вдвое большую площадь сдвига, чем тонкостенная версия толщиной 1,8 мм при той же геометрии паза, в то время как прочность материала на сдвиг остается на уровне 207 МПа для 6061-T6 в обоих случаях.

HS-8-4040W Сверхпрочный алюминиевый профиль 4040 с Т-образным пазом и стенкой 4,5 мм Стенка этого профиля 4040 толщиной 4,5 мм почти удваивает площадь сдвига по сравнению с тонкостенными версиями, что делает его хорошим выбором для зон соединения, подвергающихся повторяющимся нагрузкам, как подчеркивается в ходе обсуждения толщины стенки и прочности на сдвиг. Посмотреть продукт →

Для портальных кронштейнов, консольных рычагов и точек подъема укажите сверхпрочные профили 6061 с утолщенными стенами в зонах стыков и оставить стандартные профили для остальных пролетов. Краткая версия нашего сравнения 6061 и 6063: 6063-T5 подходит для легкого каркаса, а 6061-T6 является инженерным стандартом для соединений, подвергающихся повторяющимся срезающим нагрузкам.

HS-10-4545 Сверхмощный алюминиевый профиль 4545 с толщиной стенки 2,4 мм Этот профиль 45x45 идеально подходит для портальных кронштейнов и консольных кронштейнов и имеет стенку толщиной 2,4 мм для дополнительной возможности соединения. Его Т-образный паз диаметром 10,2 мм поддерживает тяжелые крепежи и подходит для применений, где особое внимание уделяется характеристикам сдвига класса 6061. Посмотреть продукт →

После установки допустимого сдвига примените коэффициент запаса прочности не менее 2 для статических нагрузок и 3 для динамических или реверсивных нагрузок, прежде чем сравнивать его с приложенной суставной силой.

Часто задаваемые вопросы по прочности алюминия на сдвиг