Na Shanghai Huishuo Aluminum Industry Technology Co., Ltd., nossa equipe de engenharia recentemente respondeu a uma pergunta de um construtor de máquinas que projetava uma junta de estrutura de pórtico de alumínio com ranhura em T da série 40: o projeto deveria ter como meta os 207 MPa publicados para 6061-T6, os 152 MPa típicos de 6063-T6 ou os 117 MPa listados para 6063-T5. A escolha altera o tamanho do parafuso, a geometria do suporte e a espessura da parede do perfil.
Resistência ao cisalhamento do alumínio não é um único número de manual; depende da liga, da têmpera, do método de teste e de onde o plano de cisalhamento fica na montagem real. Este guia aborda os valores importantes para estruturas industriais de extrusão com ranhura em T e como aplicá-los sem engenharia excessiva em cada conexão.
A liga de extrusão 6061-T6 possui 207 MPa de resistência ao cisalhamento; 6063-T5 transporta 117 MPa; 7075-T6 atinge 330 MPa. Use 60% da resistência à tração máxima como estimativa de primeira passagem.
O que significa resistência ao cisalhamento em perfis extrudados
A resistência ao cisalhamento é a tensão máxima que um perfil de alumínio pode resistir antes que um plano do material deslize paralelamente à carga aplicada e, para ligas estruturais de alumínio, normalmente fica entre 55 e 65 por cento da resistência à tração final.
Definição central: a tensão de cisalhamento é igual à força aplicada dividida pela área do plano de resistência, escrita como F/A. Quando a tensão de cisalhamento calculada excede a resistência ao cisalhamento da liga, a seção falha deslizando ou rasgando ao longo desse plano, em vez de dobrar fora de forma.
Em uma estrutura extrudada, o cisalhamento aparece em três locais distintos: a haste do parafuso, o engate da rosca dentro de uma porca em T e a parede da ranhura do perfil. Cada plano possui uma área e uma condição de restrição diferentes, portanto cada um deve ser verificado de forma independente; o plano mais fraco governa a junta.
- Capacidade de cisalhamento da haste do parafuso - decidida pela classe e diâmetro do fixador.
- Resistência da tira da rosca da porca T - definida pelo comprimento de engate na porca.
- Área de cisalhamento da parede da ranhura do perfil - determinada pela espessura da parede atrás da ranhura.
A anodização não entra no cálculo. Uma camada de óxido de 5 a 25 micrômetros melhora a resistência ao desgaste superficial, mas a resistência ao cisalhamento é suportada inteiramente pela liga base e pela têmpera da extrusão.
Resistência ao cisalhamento do alumínio por liga e têmpera
Em todas as ligas de alumínio comerciais, a resistência ao cisalhamento varia de aproximadamente 40 MPa para metal puro recozido a 330 MPa para 7075-T6, e as duas ligas usadas na maioria das extrusões com ranhura em T, 6063 e 6061, fornecem entre 117 e 207 MPa dependendo da têmpera.
Resistência ao cisalhamento de ligas de alumínio comuns, MPa
1100-O 45 6063-T5 117 5052-H32 138 6063-T6 152 6061-T6 207 2024-T3 283 7075-T6 330
207 MPa Resistência ao cisalhamento 6061-T6
117 MPa Resistência ao cisalhamento 6063-T5
330 MPa Referência de pico 7075-T6
0,6xUTS Estimativa de cisalhamento de primeira passagem
Valores de resistência ao cisalhamento publicados para ligas de alumínio comuns e têmperas usadas em aplicações estruturais e industriais. | Liga e temperamento | Resistência ao cisalhamento (MPa) | Resistência ao cisalhamento (psi) | Aplicação típica |
| 1100-O | 40-62 | 5.800-9.000 | Alumínio puro, peças químicas e para serviços leves |
| 6063-T5 | 117 | 17.000 | Perfis de extrusão padrão com ranhura em T |
| 5052-H32 | 138 | 20.000 | Trabalhos em chapa marítima e painéis formados |
| 6063-T6 | 152 | 22.000 | Perfis estruturais de extrusão com ranhura em T |
| 6061-T6 | 207 | 30.000 | Perfis de extrusão e estruturas de máquinas para serviços pesados |
| 2024-T3 | 283 | 41.000 | Folhas estruturais aeroespaciais |
| 7075-T6 | 330 | 48.000 | Acessórios aeroespaciais e de alta tensão |
A mudança de temperamento é importante em quadros reais. Uma extrusão 6063-T6 resiste aproximadamente 30% mais carga de cisalhamento por milímetro quadrado do que o mesmo perfil em 6063-T5 em dimensões de parede idênticas, portanto, juntas de alto cisalhamento devem especificar a têmpera e verificá-la no certificado do material.
Como a resistência ao cisalhamento é medida e onde os resultados dão errado
A resistência ao cisalhamento do alumínio é medida com testes de fixação do tipo punção e de cisalhamento único, e ambos exigem um controle rígido da folga; quando a configuração está desligada, a resistência relatada pode mudar em mais de 10% no mesmo material.
- ASTM B831 cobre testes de cisalhamento tipo punção de produtos finos de liga de alumínio e é a referência padrão para cupons de chapas e extrusão.
- A ASTM F606 rege o teste de cisalhamento de fixadores parafusados e se aplica quando o parafuso, e não o perfil, é o componente sob avaliação.
- Os procedimentos internos da usina baseados nesses padrões são comuns para perfis de extrusão e os resultados são impressos no certificado de teste do material.
Regra de configuração de teste
Mantenha a folga entre punção e matriz entre 5 e 12 por cento da espessura da amostra e remova as superfícies anodizadas ou pintadas antes do teste, ou a resistência ao cisalhamento relatada pode divergir em mais de 10 por cento.
Três variáveis corrompem os resultados do teste de cisalhamento mais do que quaisquer outras.
- Folga punção-matriz: muito pequena produz cisalhamento secundário e valores artificialmente altos; muito grande cria rebarbas e números baixos e não repetíveis.
- Orientação da amostra: a resistência pode diferir em alguns por cento entre a extrusão e as direções transversais devido à orientação do grão.
- Preparação da superfície: superfícies de fixação irregular ou anodizadas alteram o atrito na zona de cisalhamento e devem ser removidas antes do teste.
Para perfis extrudados, o resultado mais representativo vem da usinagem de um cupom plano a partir da parede do perfil real e do teste desse material exato, e não dos valores genéricos do manual de folhas.
A regra dos 60 por cento: estimando a resistência ao cisalhamento a partir de dados de tração
Quando nenhum valor de cisalhamento certificado estiver disponível, estime a resistência ao cisalhamento como 60% da resistência à tração final; para ligas de alumínio, isso prevê a resistência ao cisalhamento e à perfuração dentro de cerca de 5,5% dos valores medidos, em média.
Estimativa de cisalhamento de primeira passagem
A estimativa de cisalhamento é igual a 0,6 x resistência à tração final. Exemplo: 6061-T6 a 310 MPa UTS dá aproximadamente 186 MPa; 6063-T5 a 190 MPa UTS fornece aproximadamente 114 MPa.
A regra dos 60% é uma ferramenta de estágio conceitual e não um substituto para dados certificados de fábricas. Quando uma junta se tornar crítica, solicite o certificado de propriedade mecânica para o calor de extrusão específico ou execute um teste de punção em um cupom do perfil entregue.
Use a regra nestas situações:
- Projeto conceitual, ao comparar ligas e têmperas antes de definir o layout da estrutura.
- Cotação do fornecedor, quando uma folha de dados lista a resistência à tração, mas omite a resistência ao cisalhamento.
- Análise de falha, ao verificar se uma junta fissurada foi carregada além de um cisalhamento razoável permitido.
Aplicação de dados de resistência ao cisalhamento em estruturas de extrusão com ranhura em T
No projeto de pórticos com ranhura em T, a resistência ao cisalhamento do material do perfil é mais importante na conexão, porque os pórticos quase sempre falham primeiro na junta e não no meio do vão.
Uma junta aparafusada com ranhura em T é limitada pelo menor dos três valores: capacidade de cisalhamento do parafuso, resistência da tira roscada da porca em T ou a área de cisalhamento da parede do perfil atrás da ranhura. Em perfis de paredes finas, a borda da ranhura é geralmente o plano mais fraco, razão pela qual as juntas sobrecarregadas apresentam uma ranhura deformada ou rachada antes do cisalhamento do fixador.
A espessura da parede é a alavanca que aumenta a capacidade da junta sem alterar a liga. Um perfil 4040 com parede de 4,5 mm fornece aproximadamente o dobro da área de cisalhamento de uma versão de parede fina de 1,8 mm na mesma geometria de ranhura, enquanto a resistência ao cisalhamento do material permanece em 207 MPa para 6061-T6 em ambos os casos.
HS-8-4040W Perfil de alumínio com ranhura em T 4040 para serviço extrapesado e parede de 4,5 mm A parede de 4,5 mm deste perfil 4040 quase duplica a área de cisalhamento em comparação às versões de paredes finas, tornando-o uma forte escolha para zonas de junta sob cargas repetidas, conforme destacado pela discussão circundante sobre espessura da parede e resistência ao cisalhamento. Ver Produto → Para suportes de pórtico, braços em balanço e pontos de içamento, especifique perfis 6061 para serviços pesados com paredes espessadas nas zonas de união e reservar perfis standard para os restantes vãos. A versão resumida de nossa comparação entre 6061 e 6063: 6063-T5 é adequado para estruturas leves, enquanto 6061-T6 é o padrão de engenharia para juntas que suportam cargas de cisalhamento repetidas.
HS-10-4545 Extrusão de alumínio 4545 para serviços pesados com parede de 2,4 mm de espessura Ideal para suportes de pórtico e braços cantilever, este perfil 45x45 oferece uma parede de 2,4 mm para maior capacidade de junta. Sua ranhura em T de 10,2 mm suporta fixadores pesados, adaptando-se a aplicações onde o desempenho de cisalhamento da classe 6061 é enfatizado. Ver Produto → Uma vez definido o cisalhamento permitido, aplique um fator de segurança de pelo menos 2 para cargas estáticas e 3 para cargas dinâmicas ou reversíveis antes de compará-lo com a força de junta aplicada.
Verificação de projeto conjunto
Projete a capacidade do parafuso e da porca T pelo menos 20% acima da capacidade de cisalhamento da parede do perfil. Uma sobrecarga inesperada deforma visivelmente o slot antes que qualquer coisa quebre, transformando uma falha repentina em um sinal visível de manutenção.
Perguntas frequentes sobre resistência ao cisalhamento do alumínio
Qual é a resistência ao cisalhamento do alumínio 6061-T6?
O alumínio 6061-T6 tem uma resistência ao cisalhamento publicada de 207 MPa (30.000 psi). Para trabalhos de projeto, aplique a regra dos 60 por cento contra sua resistência à tração final de 310 MPa, o que dá aproximadamente 186 MPa, e então adicione um fator de segurança baseado no tipo de carregamento.
Qual é a resistência ao cisalhamento do alumínio com ranhura em T 6063-T5?
O alumínio 6063-T5 tem uma resistência ao cisalhamento de cerca de 117 MPa (17.000 psi). A têmpera T6 aumenta isso para aproximadamente 152 MPa (22.000 psi). Verifique a têmpera no certificado de material do perfil antes de calcular a capacidade da junta, pois muitos perfis de ranhura em T padrão são fornecidos em 6063-T5.
A anodização altera a resistência ao cisalhamento do alumínio?
Não. A anodização forma uma fina camada de óxido, normalmente com 5 a 25 micrômetros de espessura, o que melhora a resistência ao desgaste e à corrosão, mas não altera a resistência ao cisalhamento da extrusão. Os cálculos estruturais devem ignorar o revestimento e utilizar o valor da liga base.
Como a resistência ao cisalhamento do alumínio se compara à do aço?
O aço estrutural A36 tem resistência ao cisalhamento próxima a 250 MPa, próxima ao alumínio 6061-T6 a 207 MPa. Como o alumínio pesa cerca de um terço, a resistência específica ao cisalhamento do 6061-T6 é aproximadamente o dobro da do A36, de modo que as estruturas de alumínio podem suportar cargas de junta semelhantes com uma fração do peso.
