Остаточные напряжения и коробление алюминиевых деталей

Коробление – это то, что нередко случается при механической обработке деталей из термически упрочняемых алюминиевых сплавов. Причина коробления этих деталей – остаточные напряжения, которые образовались при их закалке в процессе термического упрочнения.

Кстати, знаменитые алюминиевые цельные корпусы аппаратов iPhone 5 и iPhone 6 компании Apple изготавливаются именно так. Цельную алюминиевую прессованную заготовку подвергают многочисленным фрезерным операциям на хитроумном станке с компьютерным управлением.

(См. подробнее: Алюминиевые сплавы в смартфонах и ноутбуках).

Закалка алюминиевых сплавов

Операция закалки алюминиевых сплавов состоит из двух этапов. Первый этап – это нагрев до температуры закалки: от 450 ºС для сплавов серии 7ххх до 520 ºС для сплавов серии 6ххх. После некоторой выдержки при температуре закалки следует быстрое охлаждение – для различных сплавов разное.

Необходимая для полной закалки скорость охлаждения значительно различается для различных алюминиевых сплавов, например:

  • погружение в холодную или теплую воды для высокопрочного сплава 7075 (отечественный аналог – В95),
  • охлаждение струями воды для сплава 6061 (АД33),
  • охлаждение вентиляторами или сжатым воздухом для сплава 6060 (АД31).

Цель закалки – удержать в твердом растворе алюминия растворенные легирующие элементы – для разных сплавов разные. Вслед за закалкой следует стадия старения – естественного или искусственного (при повышенной температуре). В ходе старения за счет выделения из твердого раствора упрочняющих компонентов, содержащих легирующие элементы, происходит повышение прочности алюминиевого сплава.

Коробление – бич механической обработки алюминия

Это неприятное явление – коробление – особенно «неприятно» тем, что делает трудным или невозможным выдерживать жесткие размерные допуски алюминиевых изделий, которые получают механической обработкой, например, фрезерованием. Особенно это касается больших и/или сложных по форме изделий. Поэтому высокий уровень отбраковки фрезерованных алюминиевых деталей из термически упрочняемых сплавов из-за отклонений от заданных размеров по причине коробления является обычным делом.

На рисунке ниже показано коробление, которое возникло в листе из сплава 7075 в состоянии Т6 (закалка и искусственное старение) толщиной 25 мм и длиной 250 мм после разрезания на электро-эррозионном станке по центральной плоскости на две половинки. Максимальная величина образовавшейся щели достигла 4,3 мм.

koroblenie-alyuminiya

Рисунок 1 – Коробление листа из сплава 7075-Т6
после разрезания вдоль центральной плоскости

Остаточные напряжения в алюминии – какие они?

Уровень остаточных напряжений в закаленном алюминиевом изделии, например в том же толстом листе, возрастает с увеличением его толщины, пока, наконец, не достигает предела текучести алюминиевого сплава в закаленном состоянии.

Знаменитый – аэрокосмический — сплав 7075 имеет значительно более высокий предел текучести в закаленном состоянии по сравнению с другими сплавами, в том числе, с таким популярным в промышленности, как сплав 6061. Поэтому сплав 7075 является наиболее склонным к образованию остаточных напряжений и, следовательно, короблению при механической обработке. Остаточные напряжения в закаленных листах из сплава 7075 толщиной более 33 мм могут достигать 230 МПа. В закаленных листах из сплава 6061 толщиной свыше 15 мм остаточные напряжения могут достигать «всего лишь» 90 МПа.

Почему возникают остаточные напряжения?

Остаточные напряжения возникают из-за неоднородного охлаждения изделия при закалке и связанного с этим неоднородного сокращения его размеров. Когда относительно толстые изделия погружают в закалочную водяную ванну, то поверхностные слои изделия охлаждаются первыми и поэтому сокращаются в размерах намного быстрее, чем его сердцевина. В то же время в начале охлаждения горячая сердцевина оказывает мало сопротивления сокращению размеров поверхностных слоев – мягкая сердцевина пластически деформируется под воздействием сжатия наружных слоев. Позднее в ходе закалки, однако, сердцевина тоже охлаждается и тоже «хочет» сократить свои размеры. Однако этому сокращению препятствуют уже холодные и относительно прочные наружные слои изделия.

Таким образом, внутри изделия образуются растягивающие остаточные напряжения потому что, материал здесь хочет сократить свои размеры, но не может этого сделать из-за сопротивления наружных слоев. Эти растягивающие напряжения во внутренних слоях изделия уравновешиваются сжимающими напряжениями вблизи его поверхности.

Остаточные напряжения в алюминиевых листах

На рисунке 2 показано распределение уравновешенных остаточных напряжений по толщине закаленного листа. Максимум сжимающих (отрицательных) напряжений достигается на обеих наружных поверхностях листа, а максимальные растягивающие остаточные напряжения возникают внутри листа — по центральной плоскости. Такое распределение остаточных напряжений характерно для простого случая полубесконечного листа (плиты). Для деталей менее правильной формы распределение остаточных напряжений будет намного более сложным.

raspredelenie-ostatochnyh-napryazheniyРисунок 2 — Пример уравновешенных остаточных напряжений
в алюминиевом толстом листе

Величины пиковых сжимающих и растягивающих остаточных напряжений в закаленном алюминиевом листе зависит от интенсивности закалки, толщины листа и уровня предела текучести сплава в закаленном состоянии. Обычно остаточные напряжения являются весьма не высокими в относительно тонких листах, но увеличиваются с ростом толщины и достигают предела текучести в закаленном состоянии алюминиевого сплава, из которого они сделаны, в очень толстых листах. Это происходит потому, что с увеличением толщины возрастает различие между температурой на поверхности листа и температурой в его сердцевине. Это приводит к более высоким остаточным напряжениям.

Если в ходе последующей механической обработки закаленного и состаренного листа материал удаляется асимметрично по отношению к распределению остаточных напряжений, то возникает коробление листа в виде его самопроизвольного прогиба.

Как избежать коробления?

Для снижения уровня остаточных напряжений в алюминиевых изделиях и предотвращения коробления деталей при их механической обработке могут в различной степени применяться четыре подхода.

  1. Закалка не в обычной, в подогретой воде. Снижает уровень остаточных напряжений, которые образуются при закалке. Однако эта технология может препятствовать достижению полной закалки алюминиевого сплава и снижению уровня прочности после последующего искусственного старения.
  2. Механическое снижение остаточных напряжений, например, путем растяжения, в закаленном состоянии, перед старением. Снижает уровень остаточных напряжений без ущерба для прочностных свойств. Однако трудно реализовать для изделий сложной формы.
  3. Термическое снижение остаточных напряжений (в ходе обычного искусственного старения или менее обычного перестаривания). При  искусственном старении (Т6) происходит относительно незначительное снижение остаточных напряжений. При старении в режиме перестаривания (например, Т73) достигается более значительное снижение остаточных напряжений, но за счет нежелательного снижения прочностных свойств.
  4. Холодная пластическая деформация (после старения). Эта операция не снижает величину остаточных напряжений, но может изменить их распределение. Однако холодная обработка может привести к дополнительному короблению при последующей механической обработке.

Источник: http://prod.sandia.gov