Alu vs. Stahl

Technik Mechanik & Konstruktion
#1

Hallo,

irgendwie stehe ich auf den Schlauch…

Also Alu ist ja bekanntlich um 2/3 leichter als Stahl und das E-Modul ist eben falls um 2/3 geringer.

Wo soll dann bitte schön der Gewichtsvorteil einer vergleichbaren Alu-Konstruktion sein? Um die gleiche Stabilität zu erreichen wie die Stahl-Konstruktion, müsste ja die Alu-Konstruktion Aufgrund des geringeren E-Moduls um 2/3 dicker ausfallen, dass gleicht sich ja im Endeffekt schließlich wieder aus?

Wo liegt also hier mein Denkfehler? Aus der Praxis ist mir bekannt, das vergleichbare Alu-Konstruktion einen Gewichtsvorteil haben.
Aber 2/3 Gewichtvorteil vs. 2/3 E-Modul-Nachteil = Ausgeglichenheit?

Bezüglich meines relevanten Beispieles:

Ein zylindricher Druckbehälter aus 2 mm Baustahlblech, bis 30 Bar Betriesbdruck. Wie dick müsste dieser aus Alu sein bzw. aus welcher Alu-Legierung, um den Gewichtsvorteil zu maximieren?

Danke

Gruß

#2

Hallo Oldboy

Aluminium hat vielleicht nur zwei Drittel der Festigkeit, aber nur ein Drittel Gewicht, bezogen auf Stahl.
Mit entsprechenden Al Legierungen kann man dieses Verhältnis noch deutlich verbessern.
Außerdem sind die Daten nicht linear übersetzbar.
Zu bedenken ist auch, dass die Vorteile mit Aluminium Legierungen zu bauen, mit erheblichem Aufwand in der Fertigung erkauft werden.
Gruss
Rochus

#3

Hallo,

irgendwie stehe ich auf den Schlauch…

Also Alu ist ja bekanntlich um 2/3 leichter als Stahl und das
E-Modul ist eben falls um 2/3 geringer.

Wo soll dann bitte schön der Gewichtsvorteil einer
vergleichbaren Alu-Konstruktion sein? Um die gleiche
Stabilität zu erreichen wie die Stahl-Konstruktion, müsste ja
die Alu-Konstruktion Aufgrund des geringeren E-Moduls um 2/3
dicker ausfallen, dass gleicht sich ja im Endeffekt
schließlich wieder aus?

Du hast einen wichtigen Faktor vergessen: die Dimension bzw. die Bedeutung der Trägheitsmomente. Beispielsweise sind Fahrradrahmen aus Alu leichter, weil Rohre mit großen Durchmesser verwendet werden können. Aus Stahl wäre so etwas auch herstellbar, bloß würde die Wanddicke so dünn werden, daß vergleichbar einer Cola-Dose leicht eine Beule einzudrücken ist. Nicht jede Form, die als ideal berechnet worden ist, läßt sich auch mit Stahl herstellen.

Bezüglich meines relevanten Beispieles:

Ein zylindricher Druckbehälter aus 2 mm Baustahlblech, bis 30
Bar Betriesbdruck. Wie dick müsste dieser aus Alu sein bzw.
aus welcher Alu-Legierung, um den Gewichtsvorteil zu
maximieren?

Das ist eine andere Baustelle: hier gehts um Festigkeit.
Wenn die Festigkeit des verwendeten Alus größer ist als ein Drittel
des verwendeten Stahls, ließe sich theoretisch ein Gewichtsvorteil erzielen. In der Praxis werden aber ganz Kriterien ausschlaggebend.

Grüße

Fink

#4

Hallo,
wenn du einen reinen Zugstab vergleichst, hast Du keinen Vorteil, aber bei realen Konstruktionen sind nicht alle Bereiche gleich beansprucht und somit wird nicht überall die Steifigkeit/Festigkeit voll ausgenutzt. Hier kann man mit dem weniger „stabilen“ aber leichteren Alu Gewicht sparen. Zum Beispiel auch bei Tanks, wenn es hauptsächlich darum geht, einen dichten Behälter zu schaffen.
Aber prinzipiell kann man auch mit Stahl Leichtbau betreiben.

Martin

#5

Hallo

Also Alu ist ja bekanntlich um 2/3 leichter als Stahl und das
E-Modul ist eben falls um 2/3 geringer.

Der Festigkeit für Konstruktion zugeordnet ist der Begriff Streckgrenze, für Zerspanung, Stanzen etc. der Begriff Zugfestigkeit.
Der Begriff E-modul dürfte eine Rolle bei der Verteilung von Kraftlinien in Konstrukten spielen.
Bei Druckbehältern oder reinen Zugstäben dürfte er aber keine Rolle spielen.

Wo soll dann bitte schön der Gewichtsvorteil einer
vergleichbaren Alu-Konstruktion sein? Um die gleiche
Stabilität zu erreichen wie die Stahl-Konstruktion, müsste ja

Die möglichen Streckgrenzen von Baustahl und Alu-Legierungen überschneiden sich heute. Man kann allerdings allgemein Stahl in bedeutend größere Festigkeit ausführen.

Die Berechtigung von Alu-Konstrukten anzuzweifeln ist nach meiner Meinung hauptsächlich dort sinnvoll, wo der Preis eine große Rolle, und Korrosion keine Rolle spielt.

Nimmst Du lieber eine leichte, dem jeweiligen Zweck gut angepasste moderne Aluleiter, oder lieber eine rostige schwere Leiter aus Stahlrohrprofil?

Bei Druckbehältern werden als alternativer Werkstoff oft Faserverbundwerkstoffe verwendet, Kohlefaser und so, Alu weniger.
Bei Geräten minderer Beanspruchung, spielt die Handhabung und die Korrosionsbeständigkeit wohl eine Hauptrolle. Bei Tuben, Dosen, Profilen und ähnlichem
ist die bessere Umformbarkeit von Alu-Knetlegierungen von Bedeutung.

MfG
Matthias

#6

Hallo Oldboy65,

wie Sie schon erwähnten ist der augenscheinlichste Unterschied von Stahllegierungen und Aluminiumlegierungen die Dichte (~ 7,85 g/cm³ gegenüber ~2,7 g/cm³).
Vergleichen Sie nun zwei Konstruktionen aus vergleichbar festem Werkstoff z.B. S235JR gegenüber AlMgSi1 wird deutlich, dass beide Kostrukte die gleiche Geometrie haben, weil beide ~240 N/mm² Spannung ertragen.
Die Aluminumkonstruktion hat allerdings eine deutlich geringere Masse.

Sie haben Recht mit dem geringeren Elastizitätsmodul von Aluminium (~ 70.000 N/mm²), was die Verformung des Aluminiumteils vergrößert, dies hat keine Auswirkung auf die Festigkeit, da das E-Modul lediglich Spannung und Dehnung miteinander verknüpft.

Zu Ihrem Beispiel:

Je fester die Aluminumlegierung, umso weniger Material wird benötigt. Also ist hier eine hochfeste Al-Legierung eine gute Wahl z.B. http://www.smithshp.com/DieDeutsch/downloads/7068_SH… mit einer Streckgrenze von ~600 N/mm².

Der Gewichtsvorteil vergrößert sich, je größer die Querschnittsfläche Ihres Druckkörpers ist. Ein dünnwandiger Körper mit großem Durchmesser hätte hier den größten Massenvorteil.
Rechenbeispiel mit angenommener identischer Festigkeit bei Stahl und Al-Legierung =600 N/mm²:
Sigma=p*r/s
r/s=200

Da bei der Querschnittsberechnung der Radius zweimal quadratisch eingeht ist der Massenvorteil umso größer, je größer der Radius ist. Der Druckbehälter ist stabil solange die Maßgebende Spannung durch die Kesselformel beschrieben wird und das Verhältnis r/s=200 eingehalten wird.

Reale Grenze wäre hier wohl der Kollaps des Behälters durch Eigenlast, also eine Lastfalländerung.
Rechenbeispiel:
Hätte der Behälter einen Radius von 5000 mm und eine Wanddicke von 25 mm würde der Masseunterschied bei 1 mm Körperlänge bereits 4035 g betragen.

Ich hoffe das Hilft Ihnen weiter.

Gruß
The Duke