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1、技术论坛中国高新技术企业喷丸强化原理与表层材料性能文/逯丹刘铸王春光【摘要】对表征喷丸强化效果和质量的指标和影响因素进行了研究,为喷丸机设计要求和喷丸强化工艺的制定奠定了理论基础。【关键词】喷丸强化效果工艺参数喷丸强度覆盖率粗糙度前言喷丸强化过程是弹丸流不断冲击金属材料表层并使表层材料发生循环塑性变形,从而形成变形强化层的过程。经受喷丸循环塑性变形的表层,其材料的组织结构发生变化,亚晶粒极大细化,位错密度增高,晶格畸变增大;形成很高的宏观残余压应力;表面粗糙度和表面形貌也都发生变化。材料表层发生的各种变化,将明显地提高材料
2、的抗疲劳和应力腐蚀性能,使材料表面性能得到强化。1喷丸强化层的组织结构与材料性能图2喷丸强化引入的残余应力分布(бγ-δ曲线)1.1喷丸强化层的组织结构被喷材料的硬度(强度)、弹丸硬度和喷丸强度等是影响表层残材料经一定的冷、热(退火和淬火、回火)加工后,其表面保持着余应力分布(即бγ-δ曲线)的主要因素。材料强度和硬度越高,喷丸材料固有的晶粒尺寸D、亚晶粒尺寸d、位错密度及基本相同晶面间强化表面最大残余压应力越大。材料硬度越高,喷丸强化表面残余距。喷丸强化时,表层金属在大量高速弹丸的冲击下,发生激烈的循压应力层越浅。弹丸硬
3、度相同的条件下,随着喷丸强度的增高,残余环塑性变形。在塑性变形过程中,伴随着晶体滑移,导致亚晶粒内位压应力的深度(δc、δ0)值逐渐加大,一般可达到弹丸直径的1/4~1/错密度增加,晶格畸变使晶面间距发生变化,由大致相同变为由表2,最表面残余压应力-σrs却逐渐降低,而最大残余压应力-σr,max面向内层逐渐减小。喷丸强化层在工作过程中,由于温度和交变载基本不变。弹丸硬度越高,获得的残余压应力-σrs,-σr,max也越荷的分别或共同作用,晶体反复滑移,相反方向的位错互相抵消,同高。方向的位错重新排列形成小角度位错墙,进而
4、形成尺寸更小的亚晶2.2残余压应力对提高材料疲劳强度的作用粒。如图1所示,喷丸强化层组织结构的变化,对材料的机械性能产喷丸强化在材料表层引入的残余压应力,是提高材料疲劳强度生了极大的影响。的主要因素之一。残余压应力的作用主要有以下两个方面:当零件表面光滑且无任何缺陷时,表面残余压应力在交变载荷的作用下起作用。喷丸引入的残余压应力与零件承受的交变应力中的拉应力在同一截面叠加后,不仅能降低交变载荷中拉应力水平,而且能使零件承受的最大拉应力由表面移至次表面。处于这种应力状态下的零件,其疲劳裂纹源不再萌生于表面,而是萌生于内层的次
5、表面;当交变应力幅值小于残余压应力时,使零件表面处于压应力状态,在交变应力水平低于材料的疲劳强度极限的条件下,零件所处的这种应力状态将阻碍零件表面疲劳裂纹源的萌生,延长疲劳图1喷丸强化层组织结构示意图裂纹源的萌生期,提高零件的疲劳寿命。1.2喷丸强化层的组织结构变化与材料性能当零件表面上已存在某种缺陷或微裂纹时,在交变载荷作用喷丸强化层内组织结构的变化是提高材料疲劳强度的重要因素下,这种缺陷和微裂纹有可能成为裂纹源,但只有外加交变载荷中之一。金属材料的疲劳性能取决于表层材料组织结构和机械性能,最大拉应力在裂纹尖端引起的应力
6、强度幅值,达到材料本身的界限喷丸强化层内晶粒或晶粒细化及晶格畸变的增高,都能有效地阻止应力强度幅值时,裂纹才开始扩散。当喷丸强化引入的残余压应力晶体滑移,提高材料的屈服强度。材料屈服强度бS与晶粒尺寸D或深度超过裂纹深度时,残余压应力具有降低外加交变应力的平均值亚晶粒尺寸d间的关系为:的作用,使零件实际承受的应力强度幅值减小,从而减缓裂纹的扩бS=K1(1/D1/2)或бS=K2(1/d1/2)展速率,这就是残余压应力在提高有微裂纹材料的疲劳强度中所起式中K1、K2—材料常数的作用。可见,屈服强度бS随D或d的减小而增高。
7、材料的疲劳强度在3结论一定范围内与屈服强度喷丸强化改善了金属材料表面的组织结构,位错密度增加,亚成线性关系。屈服强度的提高必然使其疲劳强度提高。因此,喷晶粒细化,阻止晶体滑移,提高材料的屈服极限;改善了材料表面的丸强化能显著提高材料的疲劳强度。喷丸强化层内晶粒形状和排列应力状态,引入了不低于抗拉强度50%的残余压应力,使表面处于方式的变化,提高了表面的显微硬度,即材料表面形成加工硬化,也压应力状态或降低了外加交变应力的平均值,阻碍零件表面疲劳裂使材料的疲劳强度提高纹源的萌生和扩展;改善了表面形貌,提高了零件表面的完整性,提
8、2喷丸强化层内残余压应力与材料性能高材料的抗疲劳和应力腐蚀能力。2.1喷丸强化层内残余压应力的分布及影响因素喷丸塑变使材料表层引入残余压应力,而次表层是与之平衡的残余拉应力。如图2所示,最表层由于应力松弛,其残余压应力稍有(作者单位系哈尔滨汽轮机厂有限责任公司)降低,曲线上产生“抬头”现象。-104-
