第七章 表面形變強化技術

1、第七章 表面形變強化技術采用某種工藝手段使材料表面獲得與其基體材料的組織結構、性能不同的一種技術。表面形變強化是提高金屬材料疲勞強度的重要工藝措施之一 一、表面形變強化原理 基本原理是通過機械手段（滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等）在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成形變硬化層，此形變硬化層的深度可達0.5mm1.5mm。 在形變硬化層中產(chǎn)生兩種變化： 一是在組織結構上，亞晶粒極大地細化，位錯密度增加，晶格畸變度增大； 二是形成了高的宏觀殘余壓應力。 奧赫弗爾特理論 奧赫弗爾特認為，噴丸的殘余應力的產(chǎn)生取決于兩個方面的機制： 一方面由于大量彈丸壓人產(chǎn)生的切應力造成了表面塑性延伸； 另一方面，由于彈丸的沖擊產(chǎn)

2、生的表面法向力引起了赫芝壓應力與亞表面應力的結合。 在大多數(shù)材料中這兩種機制并存。 噴丸產(chǎn)生的殘余壓應力 經(jīng)噴丸和滾壓后，金屬表面產(chǎn)生的殘余壓應力的大小，不但與強化方法、工藝參數(shù)有關，還與材料的晶體類型、強度水平以及材料在單調(diào)拉伸時的硬化率有關。 殘余壓應力 具有高硬化率的面心立方晶體的鎳基或鐵基奧氏體熱強合金，表面產(chǎn)生的壓應力高，可達材料自身屈服點的24倍。 材料的硬化率越高，產(chǎn)生的殘余壓應力越大。 表面強化方法有效地提高了金屬表面強度、耐應力腐蝕性能和疲勞強度。 表面強化方法還可消除切削加工留下的刀痕； 表面形變強化手段還可能使表面粗糙度略有增加，但卻使切削加工的尖銳刀痕圓滑，因此可減輕由

3、切削加工留下的尖銳刀痕的不利影響。 這種表面形貌和表層組織結構產(chǎn)生的變化，有效地提高了金屬表面強度、耐應力腐蝕性能和疲勞強度。二、表面形變強化的主要方法及應用 （一）表面形變強化的主要方法 1滾壓 目前，滾壓強化用的滾輪、滾壓力大小等尚無標準。 對于圓角、溝槽等可通過滾壓獲得表層形變強化，并能在表面產(chǎn)生約5mm深的殘余壓應力，其分布如圖所示。 2內(nèi)擠壓 內(nèi)孔擠壓是使孔的內(nèi)表面獲得形變強化的工藝措施，效果明顯 3噴丸 利用高速彈丸強烈沖擊零部件表面，使之產(chǎn)生形變硬化層并引進殘余壓應力。 噴丸強化已廣泛用于彈簧、齒輪、鏈條、軸、葉片、火車輪等零部件； 可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應力腐蝕疲

4、勞?？刮幽p、耐點蝕（孔蝕）能力。 （二）噴丸表面形變強化工藝及應用 1噴丸材料 （1）鑄鐵彈丸：冷硬鑄鐵彈丸是最早使用的金屬彈丸。 鑄鐵彈丸易于破碎，損耗較大，要及時分離排除破碎彈丸，否則會影響零部件的噴丸強化質(zhì)量。目前這種彈丸已很少使用。 （2）鑄鋼彈丸：鑄鋼彈丸的品質(zhì)與碳含量有很大關系。 （3）鋼絲切割彈丸 彈簧鋼絲（或不銹鋼絲）切制成段制成。 鋼彈丸的組織最好為回火馬氏體或貝氏體。使用壽命比鑄鐵彈丸高 20倍左右。 （4）玻璃彈丸 近十幾年發(fā)展起來的新型噴丸材料，已在國防工業(yè)和飛機制造業(yè)中獲得廣泛應用。 脆性較大 。（5）陶瓷彈丸 彈丸硬度很高，但脆性較大。噴丸后表層可獲得較高的殘余

5、應力。 （6）聚合塑料彈丸 是一種新型的噴丸介質(zhì)，以聚合碳酸酯為原料，顆粒硬而耐磨，無粉塵，不污染環(huán)境，可連續(xù)使用，成本低，而且即使有棱邊的新丸也不會損傷工件表面。 常用于消除酚醛或金屬零件毛刺和耀眼光澤。 （7）液態(tài)噴丸介質(zhì) 包括二氧化硅顆粒和氧化鋁顆粒等。 噴丸時用水混合二氧化硅顆粒，利用壓縮空氣噴射。 注意：強化用的彈丸與清理、成型、校形用的彈丸不同，必須是圓球形，不能有棱角毛刺，否則會損傷零件表面。 一般來說，黑色金屬制件可以用鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。 有色金屬如鋁合金、鎂合金、鈦合金和不銹鋼制件則需采用不銹鋼丸、玻璃丸和陶瓷丸。 2噴丸強化用的設備 噴丸采用的專用

6、設備，按驅(qū)動彈丸的方式可分為： 機械離心式噴丸機和氣動式噴丸機兩大類。 噴丸機又有干噴和濕噴之分。 于噴式工作條件差，濕噴式是將彈丸混合在液態(tài)中成懸浮狀，然后噴丸，因此工作條件有所改善。 （1）機械離心式噴丸機 機械離心式噴丸機又稱葉輪式噴丸機或拋丸機。 工作時，彈丸由高速旋轉的葉片和葉輪離心力加速拋出。 彈丸離開葉輪的切向速度為45ms75ms。這種噴丸機功率小，生產(chǎn)效率高，噴丸質(zhì)量穩(wěn)定，但設備制造成本較高。 主要適用于要求噴丸強度高、品種少批量大、形狀簡單尺寸較大的零部件。 （2）氣動式噴丸機 氣動式噴丸機以壓縮空氣驅(qū)動彈丸達到高速度后撞擊工件的受噴表面。 這種噴丸機工作室內(nèi)可以安置多個噴

7、嘴，因其方位調(diào)整方便，能最大限度地適應受噴零件的幾何形狀。 而且可通過調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力來控制噴丸強度，操作靈活，一臺噴九機可噴多個零件。 適用于要求噴丸強度低、品種多、批量少、形狀復雜、尺寸較小的零部件。它的缺點是功耗大，生產(chǎn)效率低。 氣動式噴丸機根據(jù)彈丸進人噴嘴的方式又可分為： 吸人式、重力式和直接加壓式三種。 吸入式噴丸機結構簡單，多使用密度較小的玻璃彈丸或小尺寸金屬彈丸，適用于工件尺寸較小、數(shù)量較少、彈丸大小經(jīng)常變化的場合，如實驗室等。 重力式噴丸機結構比吸人式復雜，適用于密度和直徑較大的金屬彈丸。 3噴丸強化工藝參數(shù)的確定 合適的噴丸強化工藝參數(shù)要通過： 噴丸強度試驗和表面覆蓋率試驗

8、來確定。 噴丸強度試驗 弧高度弧高度與時間的關系 在對試片進行單面噴丸時，初期的弧高度變化速率快，隨后變化趨緩，當表面的彈丸坑占據(jù)整個表面（即全覆蓋率）之后，弧高度無明顯變化，這時的弧高度達到了飽和值。 噴丸強度 當弧高度f達到飽和值，試片表面達到全覆蓋率時，以此弧高度f定義為噴九強度。 噴丸強度的表示方法是0.25C或fc=0.25，字母或腳碼代表試片種類，數(shù)字表示弧高度值（單位為mm）。 （2）表面覆蓋率試驗 噴丸強化后表面彈丸坑占有的面積與總面積的比值稱為表面覆蓋率。 一般認為，噴丸強化零件要求表面覆蓋率達到表面積的100即全面覆蓋時，才能有效地改善疲勞性能和抗應力腐蝕性能。（3）選定噴

9、九強化工藝參數(shù) 金屬材料的疲勞強度和抗應力腐蝕性能并不隨噴丸強度的增加而直線提高，而是存在一個最佳噴丸強度，它由試驗確定。 4旋片噴丸工藝 5噴丸表面質(zhì)量及影響因素 (1) 噴丸表層的塑性變形和組織變化。 金屬的塑性變形來源于晶面滑移、孿生、晶界滑動、擴散性蠕變等晶體運動，其中晶面間滑移最重要。晶面間滑移是通過晶體內(nèi)位錯運動而實現(xiàn)的。噴丸表層的組織變化 金屬表面經(jīng)噴丸后，表面產(chǎn)生大量凹坑形式的塑性變形，表層位錯密度大大增加。而且還會出現(xiàn)亞晶界和晶粒細化現(xiàn)象。 噴丸后的零件如果受到交變載荷或溫度的影響，表層組織結構將產(chǎn)生變化，由噴丸引起的不穩(wěn)定結構向穩(wěn)定態(tài)轉變。例如，滲碳鋼表層存在大量殘余奧氏體

10、，噴丸時，這些殘余奧氏體可能轉變成馬氏體而提高零件的疲勞強度；奧氏體不銹鋼特別是鎳含量偏低的不銹鋼噴丸后，表層中部分奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，從而形成有利于電化學反應的雙相組織，使不銹鋼的抗腐蝕能力下降。（2）彈丸粒度對噴丸表面粗糙度的影響 （3）彈丸硬度對噴丸表面形貌的影響 （4）彈丸形狀對噴丸表面形貌的影響 球形彈丸高速噴射工件表面后，將留下直徑小于彈丸直徑的半球形凹坑，被噴面的理想外形應是大量球坑的包絡面。 這種表面形貌能消除前道工序殘留的痕跡，使外表美觀。同時，凹坑起儲油作用，可以減少摩擦，提高耐磨性。 （5）噴丸表層的殘余應力 噴丸處理能改善零件表層的應力分布。 噴丸后的殘余應力來源于表層

11、不均勻的塑性變形和金屬的相變，其中以不均勻的塑性變形最重要。 工件噴丸后，表層塑性變形量和由此導致的殘余應力與受噴材料的強度、硬度關系密切。殘余壓應力 材料強度高，表層最大殘余壓應力就相應增大。 但在相同噴丸條件下，強度和硬度高的材料，壓應力層深度較淺；硬度低的材料產(chǎn)生的壓應力層則較深。 滲碳鋼經(jīng)噴丸后的殘余壓應力 常用的滲碳鋼經(jīng)噴丸后，表層的殘留奧氏體有相當大的一部分將轉變成馬氏體，因相變時體積膨脹而產(chǎn)生壓應力，從而使得表層殘余應力場向著更大的壓應力方向變化。 在相同噴丸壓力下： 大直徑彈丸噴丸后的壓應力較低，壓應力層較深； 小直徑彈丸噴丸后表面壓應力較高，壓應力層較淺，且壓應力值隨深度下降

12、很快。 對于表面有凹坑、凸臺。劃痕等缺陷或表面脫碳的工件，通常選用較大的彈丸，以獲得較深的壓應力層，使表面缺陷造成的應力集中減小到最低程度。 噴丸硬度的影響 表66為不同彈丸材料對殘余應力的影響。可以發(fā)現(xiàn)，由于陶瓷丸和鑄鐵丸硬度較高，噴丸后殘余應力也較高。 噴丸速度對表層殘余應力有明顯影響 試驗表明，當彈丸粒度和硬度不變，提高壓縮空氣的壓力和噴射速度，不僅增大了受噴表面壓應力，而且有利于增加變形層的深度， （6）不同表面處理后的表面殘余應力的比較 不同表面處理后的表面殘余應力及疲勞極限如表68所示。表面滾壓強化可獲得最高的殘余應力。經(jīng)噴九或滾壓后，疲勞極限也明顯提高。 6噴丸強化的效果檢驗 弧高度試驗不僅是確定噴丸強度的試驗方法，同時