金属表面强化

喷丸对金属表面的影响及发展历程

摘要：

表面喷丸强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。喷丸工艺，以其强化效果显著，成本低廉而广泛应用。文章主要研究了喷丸对金属表面的影响，分析喷丸方法的特点以及目前喷丸方法的现状和发展历程趋势。对于更好的应用及其发展喷丸技术有着重要意义。

关键词：喷丸；表面性能；工艺分类；发展历程

正文：

1 喷丸强化层的组织结构与材料性能

1.1 喷丸强化层的组织结构

材料经一定的冷、热( 退火和淬火、回火) 加工后, 其表面保持着材料固有的晶粒尺寸、亚晶粒尺寸、位错密度及基本相同晶面间距。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, 由于温度和交变载荷的分别或共同作用晶体反复滑移

相反方向的位错互抵消同方向的位错重新排列形成小角度位错墙进而形成尺寸更小的亚

晶粒。喷丸强化层组织结构的变化对材料的机械性能产生了极大的影响。

1.2 喷丸强化层的组织结构变化与材料性能

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,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晶体滑移, 提高材料的屈服强度。屈服强度的提高必然使其疲劳强度提高。因此喷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使材料的疲劳强度提高。

2 喷丸强化层内残余压应力与材料性能

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。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余应力分布的主要因素。材料强度和硬度越高, 喷丸强化表面最大残余压应力越大。材料硬度越高, 喷丸强化表面残余压应力层越浅。弹丸硬度相同的条件下, 随着喷丸强度的增高, 残余压应力的深度值逐渐加大, 一般可达到弹丸直径的1/4 ~1/2。

2.2 残余压应力对提高材料疲劳强度的作用

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, 延长疲劳裂纹源的萌生期, 提高零件的疲劳寿命。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最大拉应力在裂纹尖端引起的应力强度幅值, 达到材料本身的界限应力强度幅值时, 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的作用。

3 喷丸技术的发展历程

3.1喷丸强化的发展状况

1908年,美国制造出激冷钢丸,金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速发展,而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。1929年,在美国由Zimmerli等人首先将喷丸强化技术应用于弹簧的表面强化,取得了良好的效果。20世纪40年代，人们就发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层，可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。到了20世纪60年代，该工艺逐步应用于机械零件的强化处理上。20世纪70年代以来，该工艺已广泛应用于汽车工业，并获得了较大的经济技术效益，如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮均采用了喷丸强化工艺，大幅度提高了抗疲劳强度。

最近几年，随着工业技术的迅猛发展和需求，人们对这一操作简单，效果显著的表面处理技术给予了极大的关注，开发了多种新工艺，下面将介绍包括机械喷丸在内的多种新喷丸工艺的原理和特点逐一介绍。

3.1.2机械喷丸

大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件表面喷射，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格扭曲和高密度错位，足够长的时间后，以冷加工的形式使工件表面金属材料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸表面结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此在工件表面和近表面形成残余的压应力，从而显著地提高了材料的物理和化学性能。

3.1.3激光喷丸

激光喷丸强化是一项新技术。20世纪70年代初，美国贝尔实验室就开始研究高密度激光束诱导的冲击波来改善材料的疲劳强度。

激光喷丸的机理是：短脉冲的强激光透过透明的约束层（水帘）作用于覆盖在金属板材表面的吸收层上，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波，由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈服强度极限时，板料表面发生了塑性变形，同时由于表面的塑性变形使表层下发生的弹性变形难以恢复，因此在表层产生残余压应力。

与传统的机械喷丸强化相比，激光喷丸强化具有以下鲜明的特点和优势：（1）光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸，而传统机械喷丸受到弹丸直径等因素的限制则无法进行；（2）激光脉冲参数和作用区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累计的形式多次喷丸，因而残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控；（3）激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸的残余应力大，其深度比机械喷丸形成的要深；

3.1.4高压水射流喷丸强化工艺

高压水射流喷丸强化工艺是近30年来迅猛发展起来的一项新技术，在20世纪80年代末，Zafred首先提出了利用高压水射流进行金属表面喷丸强化的思想。

高压水射流喷丸强化机理：就是将携带巨大能量的高压水射流以某种特定的方式高速喷射到金属零构件表面上，使零构件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变（冷作硬化层），呈现理想的组织结构（组织强化）和残余应力分布（应力强化），从而达到提高零构件周期疲劳强度的目的。

与传统喷丸强化工艺相比，高压水射流喷丸强化技术具有以下特点：（1）容易对存在狭窄部位、深凹槽部位的零件表面及微小零件表面等进行强化；（2）受喷表面粗糙度值增加很小，减少了应力集中，提高了强化效果；（3）无固体弹丸废弃物，符合绿色材料选择原则，不因弹丸破损而降低表面可靠性。

3.1.5超声/高能喷丸

中国科学院沈阳金属研究所对传统喷丸技术进行了改经，开发了喷丸（高频）和高能喷丸（低频）技术，实现了多种金属材料的表面纳米化，依对304不锈钢的研究表明，随着高能喷丸处理时间的增加，金属中马氏体的含量增加，到一定时间后达到饱和，金属材料表面纳米化可显著提高材料的表面硬度，还可以明显降低氮化温度、缩短氮化时间。

3.2喷丸强化发展趋势

伴随这现代工业的快速发展,对机械产品零件表面的性能要求越来越高,改善材料表面性能,延长零件使用寿命,节约资源,提高生产力,减少环境污染已成为表面工程技术新