表面形變強(qiáng)化技術(shù)

關(guān)于表面形變強(qiáng)化技術(shù)

表面形變強(qiáng)化是提高金屬材料疲勞強(qiáng)度的重要工藝措施之一

一、表面形變強(qiáng)化原理基本原理是通過機(jī)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(dá)0.5mm～1.5mm。

第2頁,共41頁，2024年2月25日，星期天在形變硬化層中產(chǎn)生兩種變化：一是在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大地細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，晶格畸變度增大；二是形成了高的宏觀殘余壓應(yīng)力。

第3頁,共41頁，2024年2月25日，星期天奧赫弗爾特理論奧赫弗爾特認(rèn)為，噴丸的殘余應(yīng)力的產(chǎn)生取決于兩個(gè)方面的機(jī)制：一方面由于大量彈丸壓人產(chǎn)生的切應(yīng)力造成了表面塑性延伸；另一方面，由于彈丸的沖擊產(chǎn)生的表面法向力引起了赫芝壓應(yīng)力與亞表面應(yīng)力的結(jié)合。在大多數(shù)材料中這兩種機(jī)制并存。第4頁,共41頁，2024年2月25日，星期天噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力

經(jīng)噴丸和滾壓后，金屬表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力的大小，不但與強(qiáng)化方法、工藝參數(shù)有關(guān)，還與材料的晶體類型、強(qiáng)度水平以及材料在單調(diào)拉伸時(shí)的硬化率有關(guān)。

第5頁,共41頁，2024年2月25日，星期天殘余壓應(yīng)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(qiáng)合金，表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力高，可達(dá)材料自身屈服點(diǎn)的2－4倍。材料的硬化率越高，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力越大。

第6頁,共41頁，2024年2月25日，星期天表面強(qiáng)化方法

有效地提高了金屬表面強(qiáng)度、耐應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強(qiáng)度。表面強(qiáng)化方法還可消除切削加工留下的刀痕；表面形變強(qiáng)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變化，有效地提高了金屬表面強(qiáng)度、耐應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強(qiáng)度。第7頁,共41頁，2024年2月25日，星期天二、表面形變強(qiáng)化的主要方法及應(yīng)用

（一）表面形變強(qiáng)化的主要方法

1．滾壓目前，滾壓強(qiáng)化用的滾輪、滾壓力大小等尚無標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于圓角、溝槽等可通過滾壓獲得表層形變強(qiáng)化，并能在表面產(chǎn)生約5mm深的殘余壓應(yīng)力，其分布如圖所示。

第8頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2．內(nèi)擠壓

內(nèi)孔擠壓是使孔的內(nèi)表面獲得形變強(qiáng)化的工藝措施，效果明顯

第9頁,共41頁，2024年2月25日，星期天3．噴丸

利用高速彈丸強(qiáng)烈沖擊零部件表面，使之產(chǎn)生形變硬化層并引進(jìn)殘余壓應(yīng)力。噴丸強(qiáng)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(yīng)力腐蝕疲勞。抗微動(dòng)磨損、耐點(diǎn)蝕（孔蝕）能力。

第10頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（二）噴丸表面形變強(qiáng)化工藝及應(yīng)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(shí)分離排除破碎彈丸，否則會(huì)影響零部件的噴丸強(qiáng)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(guān)系。

第11頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（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。

第12頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（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(jī)制造業(yè)中獲得廣泛應(yīng)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應(yīng)力。

第13頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（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(huì)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。

第14頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（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(shí)用水混合二氧化硅顆粒，利用壓縮空氣噴射。

第15頁,共41頁，2024年2月25日，星期天注意：強(qiáng)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(huì)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。

第16頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2．噴丸強(qiáng)化用的設(shè)備

噴丸采用的專用設(shè)備，按驅(qū)動(dòng)彈丸的方式可分為：機(jī)械離心式噴丸機(jī)和氣動(dòng)式噴丸機(jī)兩大類。噴丸機(jī)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。

第17頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（1）機(jī)械離心式噴丸機(jī)機(jī)械離心式噴丸機(jī)又稱葉輪式噴丸機(jī)或拋丸機(jī)。工作時(shí)，彈丸由高速旋轉(zhuǎn)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45m／s－75m／s。這種噴丸機(jī)功率小，生產(chǎn)效率高，噴丸質(zhì)量穩(wěn)定，但設(shè)備制造成本較高。主要適用于要求噴丸強(qiáng)度高、品種少批量大、形狀簡單尺寸較大的零部件。

第18頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（2）氣動(dòng)式噴丸機(jī)氣動(dòng)式噴丸機(jī)以壓縮空氣驅(qū)動(dòng)彈丸達(dá)到高速度后撞擊工件的受噴表面。這種噴丸機(jī)工作室內(nèi)可以安置多個(gè)噴嘴，因其方位調(diào)整方便，能最大限度地適應(yīng)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(qiáng)度，操作靈活，一臺(tái)噴九機(jī)可噴多個(gè)零件。適用于要求噴丸強(qiáng)度低、品種多、批量少、形狀復(fù)雜、尺寸較小的零部件。它的缺點(diǎn)是功耗大，生產(chǎn)效率低。

第19頁,共41頁，2024年2月25日，星期天氣動(dòng)式噴丸機(jī)根據(jù)彈丸進(jìn)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(jī)結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)室等。重力式噴丸機(jī)結(jié)構(gòu)比吸人式復(fù)雜，適用于密度和直徑較大的金屬彈丸。

第20頁,共41頁，2024年2月25日，星期天3．噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)的確定

合適的噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)要通過：噴丸強(qiáng)度試驗(yàn)和表面覆蓋率試驗(yàn)來確定。噴丸強(qiáng)度試驗(yàn)

弧高度第21頁,共41頁，2024年2月25日，星期天弧高度與時(shí)間的關(guān)系

在對(duì)試片進(jìn)行單面噴丸時(shí)，初期的弧高度變化速率快，隨后變化趨緩，當(dāng)表面的彈丸坑占據(jù)整個(gè)表面（即全覆蓋率）之后，弧高度無明顯變化，這時(shí)的弧高度達(dá)到了飽和值。

第22頁,共41頁，2024年2月25日，星期天噴丸強(qiáng)度當(dāng)弧高度f達(dá)到飽和值，試片表面達(dá)到全覆蓋率時(shí)，以此弧高度f定義為噴九強(qiáng)度。噴丸強(qiáng)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）。

第23頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（2）表面覆蓋率試驗(yàn)噴丸強(qiáng)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(rèn)為，噴丸強(qiáng)化零件要求表面覆蓋率達(dá)到表面積的100％即全面覆蓋時(shí)，才能有效地改善疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能。第24頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（3）選定噴九強(qiáng)化工藝參數(shù)金屬材料的疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能并不隨噴丸強(qiáng)度的增加而直線提高，而是存在一個(gè)最佳噴丸強(qiáng)度，它由試驗(yàn)確定。

第25頁,共41頁，2024年2月25日，星期天4．旋片噴丸工藝

第26頁,共41頁，2024年2月25日，星期天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(dòng)、擴(kuò)散性蠕變等晶體運(yùn)動(dòng)，其中晶面間滑移最重要。晶面間滑移是通過晶體內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。第27頁,共41頁，2024年2月25日，星期天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(cuò)密度大大增加。而且還會(huì)出現(xiàn)亞晶界和晶粒細(xì)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(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變化，由噴丸引起的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變。例如，滲碳鋼表層存在大量殘余奧氏體，噴丸時(shí)，這些殘余奧氏體可能轉(zhuǎn)變成馬氏體而提高零件的疲勞強(qiáng)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(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而形成有利于電化學(xué)反應(yīng)的雙相組織，使不銹鋼的抗腐蝕能力下降。第28頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（2）彈丸粒度對(duì)噴丸表面粗糙度的影響

第29頁,共41頁，2024年2月25日，星期天第30頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（3）彈丸硬度對(duì)噴丸表面形貌的影響（4）彈丸形狀對(duì)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(yīng)是大量球坑的包絡(luò)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(shí)，凹坑起儲(chǔ)油作用，可以減少摩擦，提高耐磨性。

第31頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（5）噴丸表層的殘余應(yīng)力

噴丸處理能改善零件表層的應(yīng)力分布。噴丸后的殘余應(yīng)力來源于表層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(dǎo)致的殘余應(yīng)力與受噴材料的強(qiáng)度、硬度關(guān)系密切。第32頁,共41頁，2024年2月25日，星期天殘余壓應(yīng)力材料強(qiáng)度高，表層最大殘余壓應(yīng)力就相應(yīng)增大。但在相同噴丸條件下，強(qiáng)度和硬度高的材料，壓應(yīng)力層深度較淺；硬度低的材料產(chǎn)生的壓應(yīng)力層則較深。

第33頁,共41頁，2024年2月25日，星期天滲碳鋼經(jīng)噴丸后的殘余壓應(yīng)力常用的滲碳鋼經(jīng)噴丸后，表層的殘留奧氏體有相當(dāng)大的一部分將轉(zhuǎn)變成馬氏體，因相變時(shí)體積膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而使得表層殘余應(yīng)力場向著更大的壓應(yīng)力方向變化。

第34頁,共41頁，2024年2月25日，星期天在相同噴丸壓力下：大直徑彈丸噴丸后的壓應(yīng)力較低，壓應(yīng)力層較深；小直徑彈丸噴丸后表面壓應(yīng)力較高，壓應(yīng)力層較淺，且壓應(yīng)力值隨深度下降很快。對(duì)于表面有凹坑、凸臺(tái)。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(yīng)力層，使表面缺陷造成的應(yīng)力集中減小到最低程度。

第35頁,共41頁，2024年2月25日，星期天第36頁,共41頁，2024年2月25日，星期天噴丸硬度的影響表6－6為不同彈丸材料對(duì)殘余應(yīng)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(yīng)力也較高。

第37頁,共41頁，2024年2月25日，星期天噴丸速度對(duì)表層殘余應(yīng)力有明顯影響試驗(yàn)表明，當(dāng)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(yīng)力，而且有利于增加變形層的深度，

第38頁,共41頁，2024年2月25日，星期天（6）不同表面處理后的表面殘余應(yīng)力的比較不同表面處理后的表面殘余應(yīng)力及疲勞極限如表6－8所示。表面滾壓強(qiáng)化可獲得最高的殘余應(yīng)力。經(jīng)噴九或滾壓后，疲勞極限