表面形变强化技术
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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。
（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。
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。
• 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。
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 •
弧高度
弧高度与时间的关系
• 在对试片进行单 面喷丸时，初期的 弧高度变化速率快， 随后变化趋缓，当 表面的弹丸坑占据 整个表面（即全覆 盖率）之后，弧高 度无明显变化，这 时的弧高度达到了 饱和值。
（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Biblioteka Baidu颗粒等。 • 喷丸时用水混合二氧化硅颗粒，利用压 缩空气喷射。
• 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）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。
• 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、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。
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
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尖锐刀痕的不利影响。
喷丸强度
• 当弧高度f达到饱和值，试片表面达到全覆 盖率时，以此弧高度f定义为喷九强度。 • 喷丸强度的表示方法是0.25C或fc=0.25， 字母或脚码代表试片种类，数字表示弧高 度值（单位为mm）。
（2）表面覆盖率试验
• 喷丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总面 积的比值称为表面覆盖率。 • 一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖率 达到表面积的100％即全面覆盖时，才能有 效地改善疲劳性能和抗应力腐蚀性能。
• 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。
（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、形 状简单尺寸较大的零部件。
• 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。
（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。
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。
• 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。
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 •
弧高度
弧高度与时间的关系
• 在对试片进行单 面喷丸时，初期的 弧高度变化速率快， 随后变化趋缓，当 表面的弹丸坑占据 整个表面（即全覆 盖率）之后，弧高 度无明显变化，这 时的弧高度达到了 饱和值。
（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Biblioteka Baidu颗粒等。 • 喷丸时用水混合二氧化硅颗粒，利用压 缩空气喷射。
• 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）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。
• 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、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。
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
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尖锐刀痕的不利影响。
喷丸强度
• 当弧高度f达到饱和值，试片表面达到全覆 盖率时，以此弧高度f定义为喷九强度。 • 喷丸强度的表示方法是0.25C或fc=0.25， 字母或脚码代表试片种类，数字表示弧高 度值（单位为mm）。
（2）表面覆盖率试验
• 喷丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总面 积的比值称为表面覆盖率。 • 一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖率 达到表面积的100％即全面覆盖时，才能有 效地改善疲劳性能和抗应力腐蚀性能。
• 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。
（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、形 状简单尺寸较大的零部件。