Aluminiumlegeringen versus staalsoorten

Aluminiumlegeringen hebben meestal een elastische modulus van ongeveer 70 GPa, die ongeveer één is-Een derde van de elastische modulus van staallegeringen. Daarom zal een onderdeel of eenheid van een aluminiumlegering voor een bepaalde belasting een grotere vervorming in het elastische regime ervaren dan een stalen deel van identieke grootte en vorm.

Bij volledig nieuwe metalen producten worden de ontwerpkeuzes vaak bepaald door de keuze van productietechnologie. Extrusies zijn hierbij bijzonder belangrijk, omdat aluminiumlegeringen, met name de Al-Mg-Si-serie, gemakkelijk geëxtrudeerd kunnen worden tot complexe profielen.

Over het algemeen kunnen stijvere en lichtere ontwerpen worden bereikt met aluminiumlegering dan mogelijk is met staal. Denk bijvoorbeeld aan het buigen van een dunne-ommuurde buis: het tweede moment van oppervlakte is omgekeerd gerelateerd aan de spanning in de buiswand, d.w.z. spanningen zijn lager voor grotere waarden. Het tweede moment van oppervlakte is evenredig met de kubus van de straal maal de wanddikte, waardoor het verhogen van de straal (en het gewicht) met 26% zal leiden tot een halvering van de wandspanning. Om deze reden maken fietsframes van aluminiumlegeringen gebruik van grotere buisdiameters dan staal of titanium om de gewenste stijfheid en sterkte te verkrijgen. In de automobieltechniek maken auto's van aluminiumlegeringen gebruik van ruimteframes van geëxtrudeerde profielen om de stijfheid te waarborgen. Dit betekent een radicale verandering ten opzichte van de gemeenschappelijke aanpak voor het huidige stalen autoontwerp, dat afhankelijk is van de carrosserie shells voor stijfheid, bekend als unibody design.

Aluminiumlegeringen worden veel gebruikt in automobielmotoren, met name in cilinderblokken en krukassen vanwege de mogelijke gewichtsbesparing. Aangezien aluminiumlegeringen gevoelig zijn voor vervorming bij verhoogde temperaturen, is het koelsysteem van dergelijke motoren cruciaal. Productietechnieken en metallurgische vooruitgang zijn ook cruciaal geweest voor de succesvolle toepassing in automobielmotoren. In de jaren zestig verdienden de aluminium cilinderkoppen van de Corvair een reputatie voor het uitvallen en strippen van schroefdraden, wat niet te zien is in de huidige aluminium cilinderkoppen.

Een belangrijke structurele beperking van aluminiumlegeringen is hun lagere vermoeidheidssterkte in vergelijking met staal. In gecontroleerde laboratoriumomstandigheden vertonen staal een vermoeidheidsgrens, namelijk de spanningsamplitude waaronder geen storingen optreden – het metaal blijft niet verzwakken bij verlengde spanningscycli. Aluminiumlegeringen hebben deze lagere vermoeidheidsgrens niet en zullen blijven verzwakken met aanhoudende spanningscycli. Aluminiumlegeringen worden daarom schaars gebruikt in onderdelen die hoge vermoeidheidssterkte vereisen in het hoge cyclusregime (meer dan 107 spanningscycli).