表面形变强化技术.ppt

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1、表面形变强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一一、表面形变强化原理基本原理是通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达0.5mm～1.5mm。在形变硬化层中产生两种变化：一是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；二是形成了高的宏观残余压应力。奥赫弗尔特理论奥赫弗尔特认为，喷丸的残余应力的产生取决于两个方面的机制：一方面由于大量弹丸压人产生的切应力造成了表面塑性延伸；另一方面，由于弹丸的冲击产生的表面法向力引起了赫芝压应力与亚表面应力的结合。在大多

2、数材料中这两种机制并存。喷丸产生的残余压应力经喷丸和滚压后，金属表面产生的残余压应力的大小，不但与强化方法、工艺参数有关，还与材料的晶体类型、强度水平以及材料在单调拉伸时的硬化率有关。残余压应力具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高，可达材料自身屈服点的2－4倍。材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。表面强化方法有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。表面强化方法还可消除切削加工留下的刀痕；表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增加，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑，因此可减轻由切削加工留下的

3、尖锐刀痕的不利影响。这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。二、表面形变强化的主要方法及应用（一）表面形变强化的主要方法1．滚压目前，滚压强化用的滚轮、滚压力大小等尚无标准。对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能在表面产生约5mm深的残余压应力，其分布如图所示。2．内挤压内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显3．喷丸利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件；可显著提高抗弯曲疲

4、劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳。抗微动磨损、耐点蚀（孔蚀）能力。（二）喷丸表面形变强化工艺及应用1．喷丸材料（1）铸铁弹丸：冷硬铸铁弹丸是最早使用的金属弹丸。铸铁弹丸易于破碎，损耗较大，要及时分离排除破碎弹丸，否则会影响零部件的喷丸强化质量。目前这种弹丸已很少使用。（2）铸钢弹丸：铸钢弹丸的品质与碳含量有很大关系。（3）钢丝切割弹丸弹簧钢丝（或不锈钢丝）切制成段制成。钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体。使用寿命比铸铁弹丸高20倍左右。（4）玻璃弹丸近十几年发展起来的新型喷丸材料，已在国防工业和飞机制造业中获得广泛应用。脆性较大。（5）

5、陶瓷弹丸弹丸硬度很高，但脆性较大。喷丸后表层可获得较高的残余应力。（6）聚合塑料弹丸是一种新型的喷丸介质，以聚合碳酸酯为原料，颗粒硬而耐磨，无粉尘，不污染环境，可连续使用，成本低，而且即使有棱边的新丸也不会损伤工件表面。常用于消除酚醛或金属零件毛刺和耀眼光泽。（7）液态喷丸介质包括二氧化硅颗粒和氧化铝颗粒等。喷丸时用水混合二氧化硅颗粒，利用压缩空气喷射。注意：强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是圆球形，不能有棱角毛刺，否则会损伤零件表面。一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属如铝合

6、金、镁合金、钛合金和不锈钢制件则需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。2．喷丸强化用的设备喷丸采用的专用设备，按驱动弹丸的方式可分为：机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两大类。喷丸机又有干喷和湿喷之分。于喷式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合在液态中成悬浮状，然后喷丸，因此工作条件有所改善。（1）机械离心式喷丸机机械离心式喷丸机又称叶轮式喷丸机或抛丸机。工作时，弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加速抛出。弹丸离开叶轮的切向速度为45m／s－75m／s。这种喷丸机功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本较高。主要适用于要求喷丸强度高、品种少批量大

7、、形状简单尺寸较大的零部件。（2）气动式喷丸机气动式喷丸机以压缩空气驱动弹丸达到高速度后撞击工件的受喷表面。这种喷丸机工作室内可以安置多个喷嘴，因其方位调整方便，能最大限度地适应受喷零件的几何形状。而且可通过调节压缩空气的压力来控制喷丸强度，操作灵活，一台喷九机可喷多个零件。适用于要求喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件。它的缺点是功耗大，生产效率低。气动式喷丸机根据弹丸进人喷嘴的方式又可分为：吸人式、重力式和直接加压式三种。吸入式喷丸机结构简单，多使用密度较小的玻璃弹丸或小尺寸金属弹丸，适用于工件尺寸较小、数量较少、

8、弹丸大小经常变化的场合，如实验室等。重力式喷丸机结构比吸人式复杂，适用于密度和直径较大的金属弹丸。3．喷丸强化工艺参数的确定合适的喷丸强化工艺参数要通过：喷丸强度试验和表面覆盖率试验来确定。喷丸强度试验弧高