Chez Shanghai Huishuo Aluminum Industry Technology Co., Ltd., notre équipe d'ingénieurs a récemment répondu à une question d'un constructeur de machines concevant un joint de cadre de portique à partir d'aluminium à rainure en T de la série 40 : la conception devrait-elle viser les 207 MPa publiés pour le 6061-T6, les 152 MPa typiques du 6063-T6 ou les 117 MPa répertoriés pour le 6063-T5. Le choix modifie la taille des boulons, la géométrie du support et l'épaisseur de la paroi du profilé.
Résistance au cisaillement de l'aluminium il ne s'agit pas d'un numéro de manuel unique ; cela dépend de l'alliage, de l'état, de la méthode d'essai et de l'emplacement du plan de cisaillement dans l'assemblage réel. Ce guide couvre les valeurs qui comptent pour les cadres d'extrusion industriels à rainure en T et comment les appliquer sans sur-ingénierier chaque connexion.
L'alliage d'extrusion 6061-T6 présente une résistance au cisaillement de 207 MPa ; Le 6063-T5 supporte 117 MPa ; Le 7075-T6 atteint 330 MPa. Utilisez 60 % de la résistance à la traction ultime comme estimation de premier passage.
Ce que signifie la résistance au cisaillement dans les profils extrudés
La résistance au cisaillement est la contrainte maximale à laquelle un profilé en aluminium peut résister avant qu'un plan de matériau ne glisse parallèlement à la charge appliquée, et pour les alliages d'aluminium structurels, elle se situe généralement entre 55 et 65 % de la résistance à la traction ultime.
Définition de base : la contrainte de cisaillement est égale à la force appliquée divisée par la surface du plan résistant, notée F/A. Lorsque la contrainte de cisaillement calculée dépasse la résistance au cisaillement de l'alliage, la section se rompt en glissant ou en se déchirant le long de ce plan plutôt qu'en se déformant.
Dans un cadre extrudé, le cisaillement apparaît à trois endroits distincts : la tige du boulon, l'engagement du filetage à l'intérieur d'un écrou en T et la paroi de la fente du profilé. Chaque plan a une zone et une condition de contrainte différentes, chacun doit donc être vérifié indépendamment ; le plan le plus faible régit l’articulation.
- Capacité de cisaillement de la tige du boulon – déterminée par la qualité et le diamètre de la fixation.
- Résistance de la bande filetée de l'écrou en T - définie par la longueur d'engagement dans l'écrou.
- Zone de cisaillement de la paroi de la fente du profil - déterminée par l'épaisseur de la paroi derrière la fente.
L'anodisation n'entre pas dans le calcul. Une couche d'oxyde de 5 à 25 micromètres améliore la résistance à l'usure de la surface, mais la résistance au cisaillement globale dépend entièrement de l'alliage de base et de l'état de l'extrusion.
Résistance au cisaillement de l'aluminium par alliage et état
Dans les alliages d'aluminium commerciaux, la résistance au cisaillement s'étend d'environ 40 MPa pour le métal pur recuit à 330 MPa pour le 7075-T6, et les deux alliages utilisés dans la plupart des extrusions à rainure en T, 6063 et 6061, offrent entre 117 et 207 MPa selon l'état.
Résistance au cisaillement des alliages d'aluminium courants, MPa
1100-O 45 6063-T5 117 5052-H32 138 6063-T6 152 6061-T6 207 2024-T3 283 7075-T6 330
207 MPa Résistance au cisaillement 6061-T6
117 MPa Résistance au cisaillement 6063-T5
330 MPa Référence de pointe 7075-T6
0,6 x UTS Estimation du cisaillement au premier passage
Valeurs publiées de résistance au cisaillement pour les alliages d'aluminium et les états d'état courants utilisés dans les applications structurelles et industrielles. | Alliage et trempe | Résistance au cisaillement (MPa) | Résistance au cisaillement (psi) | Application typique |
| 1100-O | 40-62 | 5 800-9 000 | Pièces en aluminium pur, chimiques et légères |
| 6063-T5 | 117 | 17 000 | Profilés d'extrusion standard à rainure en T |
| 5052-H32 | 138 | 20 000 | Travaux de tôlerie marine et panneaux formés |
| 6063-T6 | 152 | 22 000 | Profilés d'extrusion structurels à rainure en T |
| 6061-T6 | 207 | 30 000 | Profilés d'extrusion et bâtis de machines robustes |
| 2024-T3 | 283 | 41 000 | Tôles structurelles aérospatiales |
| 7075-T6 | 330 | 48 000 | Raccords aéronautiques et hautes contraintes |
Le changement de tempérament est important dans les vrais cadres. Une extrusion 6063-T6 résiste à environ 30 % de plus de charge de cisaillement par millimètre carré que le même profilé en 6063-T5 à dimensions de paroi identiques. Les joints à cisaillement élevé doivent donc spécifier l'état et le vérifier sur le certificat de matériau.
Comment la résistance au cisaillement est mesurée et où les résultats sont erronés
La résistance au cisaillement de l'aluminium est mesurée à l'aide de tests de fixation à poinçon et à cisaillement unique, et les deux nécessitent un contrôle strict du jeu ; lorsque la configuration est désactivée, la résistance signalée peut varier de plus de 10 % sur le même matériau.
- La norme ASTM B831 couvre les essais de cisaillement par poinçonnage des produits minces en alliage d'aluminium et constitue la référence standard pour les coupons de feuilles et d'extrusion.
- La norme ASTM F606 régit les essais de cisaillement des fixations boulonnées et s'applique lorsque le boulon, et non le profilé, est le composant en cours d'évaluation.
- Les procédures internes de l'usine basées sur ces normes sont courantes pour les profilés d'extrusion, et les résultats sont imprimés sur le certificat d'essai du matériau.
Règle de configuration des tests
Maintenez le jeu entre le poinçon et la matrice entre 5 et 12 pour cent de l'épaisseur de l'éprouvette et retirez les surfaces anodisées ou peintes avant les tests, sinon la résistance au cisaillement rapportée peut s'écarter de plus de 10 pour cent.
Trois variables corrompent les résultats des tests de cisaillement plus que toutes les autres.
- Jeu poinçon-matrice : un jeu trop petit produit un cisaillement secondaire et des valeurs artificiellement élevées ; trop grand crée des bavures et des nombres faibles et non répétables.
- Orientation de l'échantillon : la résistance peut différer de quelques pour cent entre les directions d'extrusion et transversale en raison de l'orientation des grains.
- Préparation de la surface : un serrage irrégulier ou des surfaces anodisées modifient le frottement au niveau de la zone de cisaillement et doivent être retirés avant l'essai.
Pour les profilés extrudés, le résultat le plus représentatif provient de l'usinage d'un coupon plat à partir de la paroi réelle du profilé et du test de ce matériau exact, et non des valeurs manuelles génériques des feuilles.
La règle des 60 % : estimation de la résistance au cisaillement à partir des données de traction
Lorsqu'aucune valeur de cisaillement certifiée n'est disponible, estimez la résistance au cisaillement à 60 pour cent de la résistance à la traction ultime ; pour les alliages d'aluminium, cela prévoit une résistance au cisaillement au découpage et au perçage à environ 5,5 pour cent des valeurs mesurées en moyenne.
Estimation du cisaillement au premier passage
L'estimation du cisaillement est égale à 0,6 x résistance à la traction ultime. Exemple : le 6061-T6 à 310 MPa UTS donne environ 186 MPa ; Le 6063-T5 à 190 MPa UTS donne environ 114 MPa.
La règle des 60 pour cent est un outil au stade de la conception et ne remplace pas les données certifiées des usines. Lorsqu'un joint devient critique, demandez le certificat de propriété mécanique pour la chaleur d'extrusion spécifique, ou effectuez un test de poinçonnage sur un coupon du profilé livré.
Utilisez la règle dans les situations suivantes :
- Conception du concept, lors de la comparaison des alliages et des états avant que la disposition du cadre ne soit fixée.
- Citation du fournisseur, lorsqu'une fiche technique indique la résistance à la traction mais omet la résistance au cisaillement.
- Analyse de défaillance, lors de la vérification si un joint fissuré a été chargé au-delà d'un cisaillement raisonnable autorisé.
Application des données de résistance au cisaillement aux cadres d'extrusion à rainure en T
Dans la conception des cadres à rainures en T, la résistance au cisaillement du matériau du profilé compte le plus au niveau de la connexion, car les cadres échouent presque toujours au niveau du joint en premier plutôt qu'au milieu d'une travée.
Un assemblage boulonné à rainure en T est limité par la plus petite des trois valeurs : la capacité de cisaillement du boulon, la résistance de la bande filetée de l'écrou en T ou la zone de cisaillement de la paroi profilée derrière la fente. Dans les profilés à paroi mince, le rebord de la fente est généralement le plan le plus faible, c'est pourquoi les joints surchargés présentent une fente déformée ou fissurée avant le cisaillement de la fixation.
L’épaisseur de paroi est le levier qui augmente la capacité du joint sans changer l’alliage. Un profil 4040 avec une paroi de 4,5 mm offre environ le double de la surface de cisaillement d'une version à paroi mince de 1,8 mm pour la même géométrie de fente, tandis que la résistance au cisaillement du matériau reste à 207 MPa pour le 6061-T6 dans les deux cas.
Profilé en aluminium 4040 à rainure en T extra-robuste HS-8-4040W avec paroi de 4,5 mm La paroi de 4,5 mm de ce profilé 4040 double presque la surface de cisaillement par rapport aux versions à paroi mince, ce qui en fait un choix judicieux pour les zones de joint soumises à des charges répétées, comme le soulignent les discussions sur l'épaisseur de paroi et la résistance au cisaillement. Voir le produit → Pour les supports de portique, les bras en porte-à-faux et les points de levage, précisez profils 6061 robustes avec des murs épaissis dans les zones de joint et réserver des profils standards pour les travées restantes. La version courte de notre comparaison 6061 et 6063 : le 6063-T5 convient aux charpentes légères, tandis que le 6061-T6 est la valeur par défaut pour les joints supportant des charges de cisaillement répétées.
HS-10-4545 Extrusion d'aluminium 4545 robuste avec paroi de 2,4 mm d'épaisseur Idéal pour les supports de portique et les bras en porte-à-faux, ce profil 45x45 offre une paroi de 2,4 mm pour une capacité de joint supplémentaire. Sa fente en T de 10,2 mm prend en charge les fixations lourdes, adaptées aux applications où les performances de cisaillement de qualité 6061 sont mises en valeur. Voir le produit → Une fois le cisaillement admissible défini, appliquez un facteur de sécurité d'au moins 2 pour les charges statiques et 3 pour les charges dynamiques ou inversées avant de le comparer à la force articulaire appliquée.
Vérification de la conception des joints
Concevoir la capacité des boulons et des écrous en T à au moins 20 pour cent au-dessus de la capacité de cisaillement des parois profilées. Une surcharge inattendue déforme alors visiblement la fente avant que quoi que ce soit ne se brise, transformant une panne soudaine en un signal de maintenance visible.
FAQ sur la résistance au cisaillement de l’aluminium
Quelle est la résistance au cisaillement de l’aluminium 6061-T6 ?
L'aluminium 6061-T6 a une résistance au cisaillement publiée de 207 MPa (30 000 psi). Pour les travaux de conception, appliquez la règle des 60 % par rapport à sa résistance à la traction ultime de 310 MPa, ce qui donne environ 186 MPa, puis ajoutez un facteur de sécurité basé sur le type de charge.
Quelle est la résistance au cisaillement de l’aluminium à rainure en T 6063-T5 ?
L'aluminium 6063-T5 a une résistance au cisaillement d'environ 117 MPa (17 000 psi). L'état T6 porte ce chiffre à environ 152 MPa (22 000 psi). Vérifiez l'état sur le certificat de matériau du profilé avant de calculer la capacité du joint, car de nombreux profilés à rainure en T standard sont fournis en 6063-T5.
L'anodisation modifie-t-elle la résistance au cisaillement de l'aluminium ?
L'anodisation forme une fine couche d'oxyde, généralement de 5 à 25 micromètres d'épaisseur, qui améliore la résistance à l'usure et à la corrosion, mais ne modifie pas la résistance au cisaillement globale de l'extrusion. Les calculs structurels doivent ignorer le revêtement et utiliser la valeur de l'alliage de base.
Comment la résistance au cisaillement de l’aluminium se compare-t-elle à celle de l’acier ?
L'acier de construction A36 a une résistance au cisaillement proche de 250 MPa, proche de l'aluminium 6061-T6 à 207 MPa. Étant donné que l'aluminium pèse environ un tiers de son poids, la résistance spécifique au cisaillement du 6061-T6 est environ le double de celle de l'A36, de sorte que les cadres en aluminium peuvent supporter des charges de joint similaires pour une fraction du poids.
