Die Zugfestigkeit von Aluminium ist kein fester Einzelwert. Sie reicht von etwa 60 MPa bei weichem Material der 1xxx-Reihe bis zu mehr als 600 MPa bei speziellen hochfesten Rohren. Legierung, Zustand, Produktform, Dicke und Prüfrichtung beeinflussen den angegebenen Wert.
Gängige Referenzwerte sind etwa 230 MPa für Rohre aus 5052-H32, mindestens 260 MPa für Standard-Strangpressprofile aus 6061-T6 und etwa 572 MPa für Stangen oder Rundmaterial aus 7075-T651. Diese Werte eignen sich zum Vergleich, sind jedoch keine austauschbaren Bemessungswerte.
Tabelle zur Zugfestigkeit von Aluminium
Die folgende Tabelle verwendet rückverfolgbare Herstellerdaten. Sie enthält bewusst sowohl typische als auch Mindestwerte, da in der technischen Praxis beide vorkommen.
| Legierung und Zustand | Produktform | Zugfestigkeit Rm | Streckgrenze oder 0,2-%-Dehngrenze |
|---|---|---|---|
| 1060-O | Strangpressprofil | 60-95 MPa (8.7-13.8 ksi) | mindestens 15 MPa (2.2 ksi) |
| 1100-O | Strangpressprofil | 75-105 MPa (10.9-15.2 ksi) | mindestens 25 MPa (3.6 ksi) |
| 5052-H32 | Rohr | 230 MPa (33 ksi) | 195 MPa (28 ksi) |
| 6063-T5 | Strangpressprofil | 145-150 MPa (21-22 ksi) | abhängig von der Wanddicke |
| 6063-T6 | Strangpressprofil | 205 MPa (30 ksi) | abhängig von der Wanddicke |
| 6061-T6/T651 | Strangpressprofil | 260 MPa (38 ksi) | 240 MPa (35 ksi) |
| 6082-T6 | EN-Strangpressprofil | 290-310 MPa (42-45 ksi) | 250-260 MPa (36-38 ksi) |
| 7075-T651 | Stange und Rundmaterial | 572 MPa (83 ksi) | 503 MPa (73 ksi) |
Die Tabelle dient dem Vergleich und ersetzt keine Werkstoffnorm. Selbst bei derselben Legierung und demselben Zustand können für Blech, Platte, Stange, Rohr oder Strangpressprofil unterschiedliche Anforderungen gelten. Auch dicke und dünne Querschnitte können unterschiedliche Mindestwerte aufweisen.
Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchfestigkeit
Die Zugfestigkeit Rm, auch Ultimate Tensile Strength oder UTS, ist die höchste technische Spannung, die während eines Zugversuchs erreicht wird. Sie wird berechnet, indem die maximale Kraft durch die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe geteilt wird:
UTS = maximale Zugkraft / ursprüngliche Querschnittsfläche
Die Streckgrenze kennzeichnet den Beginn bleibender Verformung. Aluminium weist häufig keinen ausgeprägten Streckpunkt auf, daher verwenden Spezifikationen üblicherweise die 0,2-%-Dehngrenze. In europäischen Dokumenten wird sie auch als 0,2-%-Prüfspannung bezeichnet.
Die Bruchfestigkeit ist die technische Spannung beim Bruch der Probe. Sie kann niedriger als die UTS sein, weil eine duktile Probe nach Erreichen der Maximalkraft einzuschnüren beginnt.
Bei den meisten statischen Konstruktionen bestimmt die Streck- oder Dehngrenze die erste unzulässige bleibende Verformung. Die UTS bleibt für Werkstoffvergleiche, Qualitätskontrolle und bruchbezogene Nachweise relevant. Keiner dieser Werte darf ohne die anwendbaren Bemessungsregeln verwendet werden.
Punkt f in der Kurve der Abbildung kennzeichnet den Zugfestigkeitspunkt.
Warum variiert der Wert so stark?
Legierungszusammensetzung und Verfestigungsmechanismus
Magnesium verfestigt 5xxx-Legierungen durch Mischkristallhärtung und Kaltverfestigung. Die Familien 2xxx, 6xxx und 7xxx können durch Ausscheidungshärtung erheblich an Festigkeit gewinnen.
Ein Produkt aus 6061 im Zustand O verhält sich völlig anders als 6061-T6. Ebenso steht 5052-H32 für einen definierten Grad an Kaltverfestigung und Stabilisierung.
Zustand und Verarbeitungsverfahren
Kaltumformung erhöht in der Regel Zugfestigkeit und Streckgrenze, verringert jedoch die Duktilität. Lösungsglühen und Auslagern können aushärtbare Legierungen verfestigen. Unkontrollierte Erwärmung kann einen Teil dieses Vorteils wieder aufheben.
Bearbeitung und Anodisieren versetzen eine Grundlegierung nicht in einen festeren Zustand. Sie können lokale Geometrie, Eigenspannungen, Ermüdungsverhalten oder Oberflächeneigenschaften beeinflussen. Sie rechtfertigen jedoch nicht, den zertifizierten Zugfestigkeitswert des Grundmaterials zu ersetzen.
Produktform, Querschnittsgröße und Richtung
Walzen, Strangpressen, Ziehen und Schmieden erzeugen unterschiedliche Gefüge und Texturen. Spezifikationen unterscheiden deshalb zwischen Blech, Platte, Stange, Rohr, Schmiedeteil und Strangpressprofil. Die Prüfrichtung kann relevant sein, da Knetprodukte anisotrop sind.
Auch die Querschnittsgröße ist wichtig. Ein dickes Strangpressprofil kann anders abkühlen und auslagern als eine dünne Wand. Deshalb unterteilen die oben genannten Daten für 6063 und 6082 die Anforderungen nach Wanddicke und Profilgeometrie.
Wie wird die Zugfestigkeit von Aluminium geprüft?
Eine bearbeitete Probe oder ein Vollquerschnitt wird unter kontrollierter einachsiger Last gezogen. Der Versuch zeichnet Kraft und Verlängerung bis zum Bruch auf. Aus den ursprünglichen Abmessungen wird die Kraft in technische Spannung umgerechnet, während ein Extensometer die Dehnung über eine definierte Messlänge erfasst.
Nordamerikanische Spezifikationen für Aluminiumprodukte verweisen häufig auf ASTM B557 oder B557M. ASTM weist darauf hin, dass eine genormte Probe das gesamte Endprodukt möglicherweise nicht vollständig repräsentiert. Für allgemeine metallische Werkstoffprüfungen kann stattdessen ASTM E8/E8M gelten. In Europa und international wird für Prüfungen bei Raumtemperatur häufig ISO 6892-1 verwendet.
Ein brauchbarer Bericht muss die Norm und die Probenorientierung nennen. Außerdem sollten Legierung, Zustand, Produktform, Abmessungen und Prüftemperatur angegeben sein. Zu den Ergebnissen gehören normalerweise UTS, Streck- oder Dehngrenze und Bruchdehnung.
Eine einzelne Probe definiert nicht jedes Teil einer Lieferung. Die Abnahmekriterien ergeben sich aus der Bestellspezifikation, dem Stichprobenplan und der geforderten Losrückverfolgbarkeit. Unser Überblick über Werkstoffprüfungen in der Aluminiumverarbeitung erläutert, wie Zugversuchsergebnisse mit Analysen der chemischen Zusammensetzung, Härte-, Maß- und Oberflächenprüfungen zusammenwirken.
Was geschieht nach dem Schweißen oder bei erhöhter Temperatur?
Raumtemperaturdaten des Grundwerkstoffs dürfen nicht ungeprüft auf eine Schweißkonstruktion übertragen werden. Schmelzschweißen kann die Wärmeeinflusszone ausscheidungsgehärteter 6xxx-Legierungen erweichen. Die Hydro-Datenblätter für 6061 und 6063 weisen beide auf verringerte T6-Eigenschaften in Schweißnahtnähe hin.
Das Ausmaß der Verringerung hängt von Legierung, Zustand, Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Zusatzwerkstoff, Verbindungsgeometrie und einer möglichen Nachbehandlung ab. Verwenden Sie die maßgebende Baunorm oder qualifizierte Verbindungsdaten. Ordnen Sie der örtlichen Wärmeeinflusszone nicht den T6-Wert des ungeschweißten Materials zu.
Auch die Temperatur führt zu einer Abgrenzungsfrage. Die obige Tabelle enthält Raumtemperaturdaten. Wenn ein Bauteil im heißen Zustand belastet wird, sind temperaturabhängige Festigkeitsdaten und die einschlägige Norm zu verwenden. Ein Raumtemperaturzeugnis weist keine Tragfähigkeit bei erhöhter Temperatur nach.
So wählen Sie den richtigen Festigkeitswert
Beginnen Sie mit dem Bauteil, nicht mit einer allgemeinen Tabelle.
- Definieren Sie Lastfall und Versagensgrenze. Legen Sie fest, ob Fließen, endgültiges Versagen, Ermüdung, Knicken oder das Verhalten der Verbindung maßgebend ist.
- Legen Sie Legierung, Zustand und Produktform fest. Berücksichtigen Sie Wand- oder Plattendicke sowie eine gegebenenfalls vorgeschriebene Kornrichtung.
- Bestimmen Sie die anwendbaren Werkstoff- und Bemessungsnormen für Zielmarkt und Endanwendung.
- Verwenden Sie die richtige Eigenschaftskategorie. Trennen Sie typische, minimale und Bemessungswerte.
- Berücksichtigen Sie die Fertigung. Prüfen Sie Umformen, Schweißen, Wärmebehandlung, Bearbeitung und Einsatztemperatur.
- Legen Sie die Verifizierung fest. Geben Sie auf Zeichnung oder Bestellung das erforderliche Zeugnis, die Losrückverfolgbarkeit, Stichproben und Prüfverfahren an.
Diese Reihenfolge verhindert einen häufigen Beschaffungsfehler: Eine Legierung wird aufgrund eines hohen UTS-Werts ausgewählt, anschließend aber in einem anderen Zustand oder einer anderen Produktform gekauft. Sie verhindert außerdem, dass die Festigkeit Korrosionsbeständigkeit, Umformbarkeit, Schweißbarkeit, Oberflächenqualität und Kosten verdrängt. Unser Leitfaden zur Auswahl einer Aluminium-Strangpresslegierung behandelt diese Zielkonflikte ausführlicher.
Was sollten Sie von einem Aluminiumlieferanten anfordern?
Für ein festigkeitskritisches Bauteil genügt eine Legierungsnummer nicht. Eine zweckmäßige Anfrage umfasst:
- Zeichnung und Änderungsstand;
- Legierung, Zustand und Produktspezifikation;
- Produktform und kritische Querschnittsdicke;
- Mindestwerte für Streckgrenze und Zugfestigkeit, sofern sie nicht bereits durch die Spezifikation vorgegeben sind;
- Prüfnorm, Richtung, Stichproben und Abnahmekriterien;
- Anforderungen an Zeugnis und Losrückverfolgbarkeit;
- Schweißen, Wärmebehandlung, Oberflächenbehandlung und Einsatztemperatur.
Fragen Sie, ob die im Angebot genannten Eigenschaften typische Werte oder garantierte Mindestwerte sind. Klären Sie außerdem, ob das Zeugnis tatsächliche Losergebnisse oder nur Spezifikationsgrenzen ausweist.
Fazit: Verwenden Sie einen spezifikationsgebundenen Zugfestigkeitswert
Verwenden Sie einen Wert, der einer anerkannten Produktspezifikation zugeordnet ist, nicht den höchsten Wert aus einer allgemeinen Tabelle. Legen Sie vollständige Legierung und Zustand, Produktform, Dickenbereich, Prüfrichtung und die erforderlichen Nachweise fest. Für geschweißte oder heiß eingesetzte Bauteile sind die Regeln für den beeinflussten Zustand zu ergänzen.
Diese Definition gibt Konstruktion, Fertigung und Prüflabor dasselbe Abnahmeziel. Sie ist wesentlich aussagekräftiger als die Forderung nach „festem Aluminium“.
Häufig gestellte Fragen
Wie hoch ist die Zugfestigkeit von Reinaluminium?
Für „Reinaluminium“ gibt es keinen einzelnen Wert. In den Hydro-Daten liegen weichgeglühte Strangpressprofile aus handelsüblichem 1060 und 1100 bei etwa 60 bis 105 MPa. Kaltverfestigte 1xxx-Produkte können fester sein; daher müssen Reinheit, Zustand und Produktform angegeben werden.
Wie hoch ist die Zugfestigkeit von Aluminium 6061-T6?
Ein gängiger Mindestwert für ein Strangpressprofil aus 6061-T6/T6511 beträgt 260 MPa beziehungsweise 38 ksi. Für Bleche, Platten, Stangen, Rohre und besondere Strangpressklassen können andere Anforderungen gelten. Prüfen Sie die anwendbare Produktspezifikation und den Dickenbereich.
Ist 7075 die festeste Aluminiumlegierung?
7075-T651 ist eine verbreitete hochfeste Referenz mit einer typischen UTS von etwa 572 MPa für Stangen und Rundmaterial. Es stellt nicht die absolute Festigkeitsgrenze von Aluminium dar. Einige spezielle Legierungen und Produktspezifikationen können 600 MPa überschreiten. Verfügbarkeit, Zähigkeit, Korrosionsverhalten, Umformbarkeit und Kosten können jedoch ungünstiger sein.
Ist Aluminium schwächer als Stahl?
Die meisten Aluminiumlegierungen besitzen eine geringere Steifigkeit und absolute Festigkeit als gängige Baustähle. Aluminium hat jedoch nur etwa ein Drittel ihrer Dichte, sodass Vergleiche der spezifischen Festigkeit zu einem anderen Ergebnis führen können. Die endgültige Auswahl hängt auch von Querschnittsgeometrie, Korrosion, Fügetechnik, Produktionsvolumen und Kosten ab.
