Průvodce pevností ve smyku hliníku: Hodnoty slitin, testování a design vytlačování

Ve společnosti Shanghai Huishuo Aluminium Industry Technology Co., Ltd., náš technický tým nedávno položil otázku od výrobce strojů, kteří navrhovali spojení portálového rámu z hliníku s drážkou T řady 40: má-li se design zaměřit na 207 MPa publikovaných pro 6061-T6, 152 MPa typické pro 6063-T15 nebo 6136a. Tato volba změní velikost šroubu, geometrii konzoly a tloušťku stěny profilu. Pevnost hliníku ve smyku není jediné číslo příručky; to závisí na slitině, temperaci, zkušební metodě a na tom, kde ve skutečné sestavě sedí smyková rovina. Tato příručka pokrývá hodnoty, které jsou důležité pro průmyslové rámy s T-drážkou vytlačování, a jak je aplikovat bez přetěžování každého spoje.

Extruzní slitina 6061-T6 má pevnost ve smyku 207 MPa; 6063-T5 nese 117 MPa; 7075-T6 dosahuje 330 MPa. Jako odhad prvního průchodu použijte 60 procent mezní pevnosti v tahu.

Co znamená pevnost ve smyku u extrudovaných profilů

Pevnost ve smyku je maximální napětí, kterému může hliníkový profil odolat, než se jedna rovina materiálu oddělí od sebe rovnoběžně s aplikovaným zatížením, a u konstrukčních hliníkových slitin se obvykle pohybuje mezi 55 a 65 procenty konečné pevnosti v tahu.

Základní definice: smykové napětí se rovná aplikované síle dělené plochou odporové roviny, zapsané jako F/A. Když vypočtené smykové napětí překročí pevnost slitiny ve smyku, průřez se porouchá spíše klouzáním nebo trháním podél této roviny, než aby se ohnul z tvaru.

Ve vytlačeném rámu se smyk objevuje na třech samostatných místech: dřík šroubu, záběr závitu uvnitř T-matice a stěna drážky profilu. Každá rovina má jinou plochu a podmínku omezení, takže každá musí být kontrolována nezávisle; nejslabší rovina řídí kloub.

Smyková kapacita dříku šroubu – rozhoduje třída a průměr spojovacího prvku.
Síla závitového pásu T-matice - nastavuje se délkou záběru v matici.
Smyková plocha stěny profilové štěrbiny - určena tloušťkou stěny za štěrbinou.

Eloxování do výpočtu nevstupuje. Vrstva oxidu o tloušťce 5 až 25 mikrometrů zlepšuje odolnost proti opotřebení povrchu, ale pevnost ve smyku je plně nesena základní slitinou a temperováním výlisku.

Pevnost hliníku ve střihu slitinou a temperováním

U komerčních hliníkových slitin se pevnost ve smyku pohybuje od zhruba 40 MPa pro žíhaný čistý kov do 330 MPa pro 7075-T6 a dvě slitiny používané ve většině výlisků s T-drážkou, 6063 a 6061, dodávají mezi 117 a 207 MPa v závislosti na teplotě.

Pevnost ve smyku běžných hliníkových slitin, MPa

1100-O 45 6063-T5 117 5052-H32 138 6063-T6 152 6061-T6 207 2024-T3 283 7075-T6 330

207 MPa 6061-T6 pevnost ve smyku

117 MPa 6063-T5 pevnost ve smyku

330 MPa 7075-T6 špičková reference

0,6 x UTS Odhad smyku při prvním průchodu

Publikované hodnoty pevnosti ve smyku pro běžné hliníkové slitiny a temperování používané ve stavebních a průmyslových aplikacích.
Slitina a temper	Pevnost ve smyku (MPa)	Pevnost ve smyku (psi)	Typická aplikace
1100-O	40-62	5 800-9 000	Čistý hliník, chemické a lehké díly
6063-T5	117	17 000	Standardní profily vytlačování s T-drážkou
5052-H32	138	20 000	Námořní plechové práce a tvarované panely
6063-T6	152	22 000	Konstrukční profily vytlačování s T-drážkou
6061-T6	207	30 000	Těžké vytlačovací profily a rámy strojů
2024-T3	283	41 000	Letecké konstrukční listy
7075-T6	330	48 000	Letecké a vysoce namáhané armatury

V reálných snímcích na náladě záleží. Extruze 6063-T6 odolává zhruba o 30 procent většímu smykovému zatížení na čtvereční milimetr než stejný profil v 6063-T5 při stejných rozměrech stěny, takže spoje s vysokým smykem by měly specifikovat tvrdost a ověřit ji na materiálovém certifikátu.

Jak se měří pevnost ve smyku a kde jsou výsledky špatné

Pevnost hliníku ve smyku se měří střižným typem a zkouškou upínacího přípravku s jedním střihem a oba vyžadují přísnou kontrolu vůle; když je nastavení vypnuto, udávaná pevnost se může u stejného materiálu posunout o více než 10 procent.

ASTM B831 pokrývá zkoušky smykem typu děrování tenkých výrobků z hliníkové slitiny a je standardním referenčním dokumentem pro plechové a vytlačovací kupóny.
ASTM F606 upravuje testování šroubových spojovacích prvků ve smyku a platí, když je hodnocenou součástí šroub, nikoli profil.
Vnitřní frézovací postupy založené na těchto normách jsou běžné pro vytlačovací profily a výsledky jsou vytištěny na certifikátu o zkoušce materiálu.

Otestujte pravidlo nastavení

Udržujte vůli mezi razníkem a matricí mezi 5 a 12 procenty tloušťky vzorku a před testováním odstraňte eloxované nebo natřené povrchy, jinak se udávaná pevnost ve smyku může lišit o více než 10 procent.

Tři proměnné kazí výsledky smykových testů více než kterékoli jiné.

Vůle od razníku k zápustce: příliš malá vytváří sekundární střih a uměle vysoké hodnoty; příliš velké vytváří otřepy a nízká, neopakovatelná čísla.
Orientace vzorku: pevnost se může lišit o několik procent mezi vytlačováním a příčným směrem kvůli orientaci zrna.
Příprava povrchu: nerovné upínací nebo eloxované povrchy mění tření ve smykové zóně a měly by být před testováním odstraněny.

U extrudovaných profilů pochází nejreprezentativnější výsledek z obrobení plochého kupónu ze skutečné stěny profilu a testování tohoto přesného materiálu, nikoli z obecných hodnot podle příručky pro archy.

Pravidlo 60 procent: Odhad pevnosti ve smyku z údajů o tahu

Pokud není k dispozici žádná certifikovaná hodnota smyku, odhadněte pevnost ve smyku jako 60 procent konečné pevnosti v tahu; pro hliníkové slitiny to předpovídá pevnost ve smyku při slepení a proražení v průměru asi 5,5 procenta naměřených hodnot.

Odhad smyku při prvním průchodu

Odhad smyku se rovná 0,6 x mez pevnosti v tahu. Příklad: 6061-T6 při 310 MPa UTS dává zhruba 186 MPa; 6063-T5 při 190 MPa UTS dává zhruba 114 MPa.

Pravidlo 60 procent je nástrojem pro fázi konceptu, nikoli náhradou za certifikovaná data frézy. Jakmile se spoj stane kritickým, vyžádejte si certifikát mechanických vlastností pro konkrétní vytlačovací teplo nebo proveďte děrovací zkoušku na kupónu z dodaného profilu.

Použijte pravidlo v těchto situacích:

Koncepční design při porovnávání slitin a temper před pevným rozložením rámu.
Citace dodavatele, když datový list uvádí pevnost v tahu, ale vynechává pevnost ve smyku.
Analýza poruch při kontrole, zda byl prasklý spoj zatížen za rozumný přípustný smyk.

Použití dat pevnosti ve smyku na rámy vytlačování s T-drážkou

U konstrukce rámu s T-drážkou hraje největší roli pevnost ve smyku profilového materiálu na spoji, protože rámy téměř vždy selžou nejprve na spoji, spíše než uprostřed rozpětí.

Šroubový T-drážkový spoj je omezen nejmenší ze tří hodnot: únosnost šroubu ve smyku, pevnost pásu závitu T-matice nebo smyková plocha stěny profilu za drážkou. U tenkostěnných profilů je břit drážky obvykle nejslabší rovinou, a proto přetížené spoje vykazují deformovanou nebo prasklou drážku dříve, než se spojovací prvek ustřihne.

Tloušťka stěny je páka, která zvyšuje kapacitu spoje bez změny slitiny. Profil 4040 se stěnou 4,5 mm poskytuje zhruba dvojnásobnou smykovou plochu než tenkostěnná 1,8 mm verze při stejné geometrii drážky, přičemž pevnost materiálu ve smyku zůstává u 6061-T6 v obou případech na hodnotě 207 MPa.

HS-8-4040W Extra-Heavy-Duty 4040 hliníkový profil s drážkou ve tvaru T se 4,5 mm stěnou Stěna tohoto profilu 4040 o tloušťce 4,5 mm téměř zdvojnásobuje smykovou plochu oproti tenkostěnným verzím, což z něj činí silnou volbu pro oblasti spojů pod opakovaným zatížením, jak zdůraznila okolní diskuse o tloušťce stěny a pevnosti ve smyku. Zobrazit produkt →

Pro konzoly portálů, konzolová ramena a zvedací body specifikujte odolné profily 6061 se zesílenými stěnami v zónách spár a rezervními standardními profily pro zbývající rozpětí. Krátká verze našeho srovnání 6061 a 6063: 6063-T5 vyhovuje lehkému rámování, zatímco 6061-T6 je konstrukční výchozí pro spoje přenášející opakované smykové zatížení.

HS-10-4545 Heavy-Duty 4545 Aluminum Extrusion with 2.4mm Thick Wall

HS-10-4545 Heavy-Duty 4545 hliníkový výlisek s 2,4 mm silnou stěnou Tento profil 45x45, ideální pro portálové konzoly a konzolová ramena, nabízí 2,4 mm stěnu pro větší kapacitu spojů. Jeho 10,2 mm T-drážka podporuje těžké spojovací prvky, montážní aplikace, kde je zdůrazněn výkon ve smyku 6061. Zobrazit produkt →

Jakmile je přípustný smyk nastaven, použijte bezpečnostní součinitel alespoň 2 pro statické zatížení a 3 pro dynamické nebo vratné zatížení, než jej porovnáte s aplikovanou silou spoje.

Kontrola návrhu spoje

Navrhněte únosnost šroubu a T-matice alespoň 20 procent nad únosností stěny profilu ve smyku. Neočekávané přetížení pak viditelně deformuje slot dříve, než cokoli praskne, čímž se náhlá porucha změní na viditelný signál údržby.

Často kladené otázky o pevnosti ve smyku hliníku

Jaká je pevnost ve smyku hliníku 6061-T6?

Hliník 6061-T6 má publikovanou pevnost ve smyku 207 MPa (30 000 psi). Pro návrhové práce použijte pravidlo 60 procent proti jeho mezní pevnosti v tahu 310 MPa, což dává zhruba 186 MPa, a poté přidejte bezpečnostní faktor založený na typu zatížení.

Jaká je pevnost ve smyku hliníku s drážkou T 6063-T5?

Hliník 6063-T5 má pevnost ve smyku asi 117 MPa (17 000 psi). Teplota T6 ji zvyšuje na zhruba 152 MPa (22 000 psi). Před výpočtem kapacity spoje zkontrolujte teplotu na materiálovém certifikátu profilu, protože mnoho standardních profilů s drážkou T je dodáváno v 6063-T5.

Změní eloxování pevnost hliníku ve smyku?

Ne. Eloxování vytváří tenkou vrstvu oxidu, typicky 5 až 25 mikrometrů silnou, což zlepšuje odolnost proti opotřebení a korozi, ale nemění objemovou pevnost ve smyku vytlačování. Strukturální výpočty by měly ignorovat povlak a používat hodnotu základní slitiny.

Jaká je pevnost hliníku ve smyku ve srovnání s ocelí?

Konstrukční ocel A36 má pevnost ve smyku blízko 250 MPa, blízkou hliníku 6061-T6 při 207 MPa. Vzhledem k tomu, že hliník váží přibližně jednu třetinu, je specifická pevnost ve smyku 6061-T6 zhruba dvojnásobná než u A36, takže hliníkové rámy mohou nést podobné zatížení spojů při zlomku hmotnosti.