第四章+表面形变强化
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第4章金属变形与强化
脆性 材料
使在断裂前发生较
塑性材料
大的塑性变形。强
度和塑性同时增加,
金属在断裂前消耗
的功也大，因而其
应变
韧性也比较好。
第4章金属变形与强化
通过细化晶粒来同时 提高金属的强度、硬 度、塑性和韧性的方 法称细晶强化。
多晶体金属的屈服点 与其晶粒直径的关系 符合霍尔-佩奇公式
d——晶粒的平均直径，单位为cm
第四章 金属的变形与强化
塑性变形及随后的加热对金 属材料组织和性能有显著的 影响. 了解塑性变形的本质, 塑性变形及加热时组织的变 化，有助于发挥金属的性能 潜力，正确确定加工工艺.
第4章金属变形与强化
5万吨水压机
第一节 纯金属的塑性变形
一、单晶体金属的塑性变形
单晶体受力后，外力在 任何晶面上都可分解为 正应力和切应力。
面和晶向相对于另一部分发生相对 滑动的现象。
1、滑移变形的特点 ： ⑴ 滑移只能在切应力的作
用下发生。产生滑移的最 小切应力称临界切应力.
⑵ 滑移常沿晶体中原子密 度最大的晶面和晶向发生。
因原子密度最大的晶面和 晶向之间原子间距最大， 结合力最弱，产生滑移所 需切应力最小（如右图）
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移 方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
第二节 合金的塑性变形与强化 机制
合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种. 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.
第4章金奥属氏变体形与强化珠光体
实际工程材料中，一切阻碍位错运动的因素 都会使金属的强度提高，造成强化。
阻碍位错运动的障碍有四种： 溶质原子——固溶强化 第二相粒子——沉淀强化 晶界————晶界强化 位错本身——位错强化
表面形变强化名词解释
表面形变强化名词解释
表面形变强化是一种提高材料力学性能的方法，通过增加材料表面的形变量，使其具有更高的强度和硬度。
这种方法可以通过不同的方式实现，例如通过表面冷加工、化学处理或涂层等方法。
通过表面形变强化，材料的表面形成了许多细小的颗粒、晶粒或微结构，这些微观结构的存在可以增加材料的塑性变形能力并阻碍位错的移动，从而提高材料的强度和硬度。
此外，表面形变强化还可以改善材料的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命等性能。
表面处理第四、五讲表面淬火及表面形变强化共83页
表面处理第四、五讲表面淬火及表面形 变强化
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。。——孔子
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。。——孔子
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
表面形变强化技术
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。
• 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。
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。
表面工程学-第四章
第四章
表面淬火和表面形变强化技术
在表面工程技术中，不需要外加其它材料，主要依靠材料自身组 织与结构转变来进行表面改性的工艺主要有两类： 一、表面淬火与退火技术 二、表面形变强化技术 特点：工艺简单、效果显著、应用广泛
一
（一）原理：
表面淬火技术
定义： 采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3（对亚共析钢）或者Ac1（对 过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的 工艺过程。 注意：凡是能通过整体淬火强化的金属材料，原则上都可以进行表面淬火。
注：P/(Dv)称为比能量，物理意义为单位面积激光作用区注入的激光能量
(3)表面预处理状态 • 表面组织准备：
通过调制处理等手段，获得较 细的材料表面组织(细片状珠光体、 回火马氏体或奥氏体)
•
表面“黑化”处理：
磷化法、氧化法、喷刷涂料法、 镀膜法
二、激光表面熔凝技术原理
定义：
采用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，当激光束移开后由于基材 内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的表面处理工艺。(液相淬
2．受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响 (1)对材料表面硬度的影响：
表面硬度可大幅度提高，且硬化层深度最高 可达0.8mm
(2)对表面粗糙度的影响：
表面粗糙度对其疲劳寿命影响很大， 降低表面粗糙度可以增加零件的疲劳强度。 受控喷丸以后的表面痕迹没有方向性， 有利于增加零件的疲劳强度。
(3)对疲劳寿命与抗应力腐蚀能力的影响：
三、适用范围：
主要用于单件、小批量生产及大型齿轮、轴、轧辊、导轨等
四、组织特征：过渡区较宽
第三节
激光淬火与电子束淬火技术
一、激光淬火技术的原理及应用：
表面淬火和表面形变强化技术
在表面工程技术中，不需要外加其它材料，主要依靠材料自身组 织与结构转变来进行表面改性的工艺主要有两类： 一、表面淬火与退火技术 二、表面形变强化技术 特点：工艺简单、效果显著、应用广泛
一
（一）原理：
表面淬火技术
定义： 采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3（对亚共析钢）或者Ac1（对 过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的 工艺过程。 注意：凡是能通过整体淬火强化的金属材料，原则上都可以进行表面淬火。
注：P/(Dv)称为比能量，物理意义为单位面积激光作用区注入的激光能量
(3)表面预处理状态 • 表面组织准备：
通过调制处理等手段，获得较 细的材料表面组织(细片状珠光体、 回火马氏体或奥氏体)
•
表面“黑化”处理：
磷化法、氧化法、喷刷涂料法、 镀膜法
二、激光表面熔凝技术原理
定义：
采用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，当激光束移开后由于基材 内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的表面处理工艺。(液相淬
2．受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响 (1)对材料表面硬度的影响：
表面硬度可大幅度提高，且硬化层深度最高 可达0.8mm
(2)对表面粗糙度的影响：
表面粗糙度对其疲劳寿命影响很大， 降低表面粗糙度可以增加零件的疲劳强度。 受控喷丸以后的表面痕迹没有方向性， 有利于增加零件的疲劳强度。
(3)对疲劳寿命与抗应力腐蚀能力的影响：
三、适用范围：
主要用于单件、小批量生产及大型齿轮、轴、轧辊、导轨等
四、组织特征：过渡区较宽
第三节
激光淬火与电子束淬火技术
一、激光淬火技术的原理及应用：
表面淬火和变形强化
4.5.1 抛丸强化
抛丸强化撞击面大，生产效率高。 用于弹簧钢板、圆弹簧、大型工件、 车轮以及大批量生产的零件等。
4.5.1 喷（抛）丸强化
喷（抛）丸强化后 表层残余应力分布 疲劳破坏时，表面 产生拉应力，表面 残余压应力可以抵 消部分拉应力，降 低应力峰值，从而 提高疲劳强度。
4.5.1 喷（抛）丸强化
第四章 表面淬火
4.2 感应加热表面淬火技术
1. 感应加热淬火原理
将工件紧靠在有足够功率输出的感应圈附 近,感应圈通电，在高频(中频)交流磁场 的作用下（如果工件与线圈的间隙非常小） 由于集肤效应,在工件表面产生很大的涡 流，大小与线圈电流相等，方向相反。
涡流产生热量，将工件表面加热迅速加热 到淬火温度，并用冷却介质快速冷却，达 到对工件表面淬火的目的。
第四章 表面淬火
轴 柱塞杆火焰加热表面淬火技术
火焰淬火（flame quenching）原理： 用火焰快速将工件表面加热到淬火温度， 并快速冷却，使工件表面得到淬火组织。 控制参数：火焰大小、火焰与工件的相 对距离和相对移动速度 淬火深度：钢淬透性、加热深度和冷却 条件等
合适的工艺参数下，在0.2~0.4mm表层， 产生数百兆帕的压应力。 1Cr18Ni9Ti、20钢、45钢、40Cr、 60Si2Mn喷（抛）丸强化后疲劳强度可 提高14~47%。；铝合金的临界腐蚀应力 提高1倍；汽车渗碳齿轮疲劳寿命提高4 倍；弹簧钢板疲劳寿命可延长5倍。
4.5.1 喷（抛）丸强化
（5）激光熔覆：用镀敷或喷涂技术，将陶瓷 涂敷在金属表面，用激光照射，使陶瓷和 金属基体表层熔化，并形成冶金结合。 激光加热还有大量其他用途：激光切割、 激光刻字、激光打孔等
第四章 表面淬火
表面形变强化
摘要腐蚀、磨损、断裂是机械零部件的三大失效形式，其中以断裂失效带来的灾难与损失最大，而断裂失效中疲劳失效所占比例最高，民用机器零部件约占40%~50%，而军用和航空飞行的零部件则高达90%。
可见，研究疲劳断裂、探索疲劳断裂机制至关重要，表面形变强化处理是提高机器零部件疲劳寿命最为有效的手段。
关键词：失效，断裂失效，疲劳断裂，表面形变强化表面形变强化基本原理表面形变强化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。
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。
这两种变化使得金属表面的强度硬度得到了很大的提高，疲劳寿命也有了很大的改观。
喷丸强化1、喷丸表面强化原理喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，它是将大量的高速运动的弹丸(铸铁丸、钢丸、玻璃丸、硬质合金丸等)喷射到零件表面，犹如无数的小锤反复锤击金属表面，使零件表层和次表层金属发生一定的塑性变形、从而在塑性变形层中产生金属特有的冷作硬化，还产生一层残余压应力。
从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。
它已被广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件这个技术的关键是要根据零件的材料和形状特点控制弹丸流的速度和控制零件表面与弹丸流之间的相对运动。
2、喷丸强化用弹丸喷丸强化最常用的主要有钢丝切丸、铸钢丸、玻璃丸三种。
喷丸强化用的弹丸必须具备以下特征：a）较高硬度和强度；b）应考虑弹丸质量、密度及规格大小之间的关系；c）要求弹丸不破碎，耐磨损，使用寿命长；（1）钢丝切丸钢丝切丸是用回火高强度钢丝经切割制成，目前使用最多的是用弹簧钢做成的钢丸，它的最适宜的硬度为HRC=45~50。
它的成本较高，因两端由棱角会划伤工件表面，在欧美工业发达国家已经大量使用预钝化去棱角-磨角钢丝切丸。
表面变形强化
原理：通过机械手段在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，微观是晶粒间产生位错，晶粒变形或破碎——细晶强化。
方法：表面锤击，表面滚压，内挤压，喷丸，超声冲击。
应用：使模具表面产生冷作硬化，改善模具表面粗糙度，有效去除电火花加工产生额表面变质层，提高模具疲劳强度，抗冲击，磨损性能，从而达到提高模具使用寿命的目的。
表面淬火原理：通过对工件表面快速加热与淬火冷却相结合的方法来实现。
种类：感应加热表面淬火，火焰加热淬火，电接触加热淬火，电解液加热淬火，高能束加热淬火。
特点：1得到好的硬化层，工件变形小，通常不用后续加工。
2无接触加热，冷却靠自身热传导。
3局部淬火。
4自动化加工。
热扩渗技术原理：通过加热、扩散方式使欲渗金属或非金属材料式工件表面，形成表面合金层的工艺。
条件：1渗入元素能与基体金属形成化合物。
2欲渗元素与基材紧密接触。
3有一定渗入速度。
4对于靠化学反应提供活性原子的工艺满足热力学条件。
机理：1产生渗剂元素活性原子并提供给基体金属表面。
2渗剂元素活性原子吸附基体金属上。
3渗剂元素原子在高温下向基体内部扩散。
种类：渗碳，渗氮，碳氮共渗，渗硼，渗金属堆焊技术原理：用焊接方法将堆焊材料融化，在金属材料和工件表面堆覆一个耐磨、耐蚀的合金属。
分类：电弧堆焊，等离子体堆焊，电渣堆焊，氧—乙炔火焰堆焊。
定义：将喷涂材料经特定热源加热至熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化并喷射到工件表面，形成耐磨、耐蚀以及抗高温等特殊性能涂层的一种表面加工方法。
过程:1加热2雾化3加速飞行4堆积涂层组成：气孔，氧化物，涂层变形颗粒特点：1喷涂材料和基材不受限制2涂层材料广泛3零件没有尺寸形状限制4除火焰喷涂外，其他基材温度较低低压等离子喷涂原理：在低压条件下，将金属或非金属粉末送入刚性非转特型等离子弧焰中，加热至熔融状态随离子焰高速喷涂并沉积到预先处理的工件表面，形成一个特殊性能的涂层。
设备：真空喷涂室电源水路供气系统特点：1低压密闭室内进行2粉末完全均匀熔融喷涂3空隙率低4工件预热温度高活化基材表面5冷却慢应力小不易开裂6通入惰性气体不易氧化7能获得不同性能涂层失效分析失效分析1失效2形式：弯曲镦粗塑性变形失效3原因强度不足，刚度不足A材料本身：高温工作过程中，材料的屈服强度低，而产生了塑性变形工艺热处理：室温工作时，选用高强度钢并做硬化处理高温下工作时，选用蠕变强度高的热强钢并做热处理B工作环境：冲击，腐蚀，高温C装配尺寸：镦粗气相沉积（物理化学）联系：1两者都为气体沉积成膜2两种方法得到的涂层成分基本相同区别：1反应方式不同：化学气相沉积利用化学反应物理气相沉积利用蒸发辉光放电和弧光放电2压强不同：化学…是在低压或常压下，物理…是在带负偏压3温度不同：化学…在高温下，物理..在温度较低下4化学模强度高，精度高，可以形成多层性5化学气相沉积的绕镀性好水溶液沉积表面强化一电镀1在含镀层金属的溶液中，被镀材料做阴极，镀层材料或不溶性材料作阳极，在直流电作用下，被镀材料表面获得镀层的方法。
表面强化技术课件
集肤效应”， “临近效应” 和“环状效 应”。
• 基本过程：将工件放在有足够功率输出 的感应线圈中，在高频交流磁场的作用 下，产生很大的感应电流，并由于集肤 效应而集中分布于工件表面，使表面迅 速加热到钢相变点Ac3或Accm之上，然 后在冷却介质中快速冷却，使工件表面 获得M。
• 2.特点：
• a、加热速度快（感应加热速度可达 103℃ /s，激光加热则可达到105--109℃/s ） 且加热温度要高于整体淬火的温度；
• b、冷却速度快；
• c、表面硬度高（其硬度比普通淬火高 HRC2～4 ）；
• d、需预备热处理；
• e、适合中高碳钢。
二、感应加热表面淬火
• 1.原理： • 利用感应电流
塑料喷丸退漆是近年来发展起来的新工艺。其原 理为：颗粒状塑料在压缩空气的作用下．通过喷 管高速喷射到工件表面在塑料丸较锋利的棱角切 割和冲撞击打双重作用下使漆层表面发生割裂和 剥离，从而达到高效退漆的目的。
6.喷丸新技术－空气火焰超音速表面喷 砂、喷丸
空气火焰超音速表面喷砂、喷丸：空气火焰超音 速表面预处理技术，是利用气体燃料或液体燃料 与高压电气或高压空气．在超音速喷枪燃烧室内 混合燃烧膨胀产生高温高速焰流．从而带动砂粒 或丸粒以超音速喷向零件处理表面。燃烧焰流速 度达1500m/s以上，粒子速度为300—600m/s，从 而可获得高效优质的表面预处理效果。
• 2.机理： 加工硬化机理。即随变形量的 增加，金属强度硬度升高，塑性韧性下 降。
• 原因：a、位错密度随变形量增加而增加， 从而变形抗力增加；b、随变形量增加， 亚结构细化，亚晶界对位错运动有阻碍； c、随变形量增加，空位密度增加；d、 几何硬化。
二、喷丸强化
▪ 1.原理：喷丸强化又称为受控喷丸强化，
• 基本过程：将工件放在有足够功率输出 的感应线圈中，在高频交流磁场的作用 下，产生很大的感应电流，并由于集肤 效应而集中分布于工件表面，使表面迅 速加热到钢相变点Ac3或Accm之上，然 后在冷却介质中快速冷却，使工件表面 获得M。
• 2.特点：
• a、加热速度快（感应加热速度可达 103℃ /s，激光加热则可达到105--109℃/s ） 且加热温度要高于整体淬火的温度；
• b、冷却速度快；
• c、表面硬度高（其硬度比普通淬火高 HRC2～4 ）；
• d、需预备热处理；
• e、适合中高碳钢。
二、感应加热表面淬火
• 1.原理： • 利用感应电流
塑料喷丸退漆是近年来发展起来的新工艺。其原 理为：颗粒状塑料在压缩空气的作用下．通过喷 管高速喷射到工件表面在塑料丸较锋利的棱角切 割和冲撞击打双重作用下使漆层表面发生割裂和 剥离，从而达到高效退漆的目的。
6.喷丸新技术－空气火焰超音速表面喷 砂、喷丸
空气火焰超音速表面喷砂、喷丸：空气火焰超音 速表面预处理技术，是利用气体燃料或液体燃料 与高压电气或高压空气．在超音速喷枪燃烧室内 混合燃烧膨胀产生高温高速焰流．从而带动砂粒 或丸粒以超音速喷向零件处理表面。燃烧焰流速 度达1500m/s以上，粒子速度为300—600m/s，从 而可获得高效优质的表面预处理效果。
• 2.机理： 加工硬化机理。即随变形量的 增加，金属强度硬度升高，塑性韧性下 降。
• 原因：a、位错密度随变形量增加而增加， 从而变形抗力增加；b、随变形量增加， 亚结构细化，亚晶界对位错运动有阻碍； c、随变形量增加，空位密度增加；d、 几何硬化。
二、喷丸强化
▪ 1.原理：喷丸强化又称为受控喷丸强化，
第四章金属材料的强化理论
溶质溶剂原子尺寸相差越 大，强化效果越显著
影
响 因 溶质原子类型
素
1 溶质原子造成球对称的点阵畸 变，其强化约为G/10 2溶质原子造成非球对称的点阵 畸变，其强化约为G的几倍。
3. 固溶强化机理 ➢ 溶质原子造成点阵畸变，其应力场与位错应
力场发生弹性交互作用并阻碍位错运动,使变 形抗力提高。 ➢ 溶质原子吸附在位错附近形成柯氏气团，使 位错被钉扎住，从而使变形抗力提高。
二、单晶体的塑性变形
2.滑移系 一个滑移面和在此面上的一个滑移方向构
成一个滑移系。 一般来说，滑移面通常是原子密排面，滑
移方向是原子排列最紧密的方向金属中滑移 系越多，其塑性越好。
二、单晶体的塑性变形
切应力与正应力关系： k s cos cos
coscos 称 为 取 向 因 子 ， 当 45 时，取向因子有极 大值，此时切应力最大，正应 力具有最低值。金属在这种条 件下容易滑移，并表现出最大 塑性。
3）亚结构细化 冷变形会增加晶粒中的位错密度，随着变形量的增 加，位错交织缠结，在晶粒内部形成胞状亚结构。 4）点阵严重畸变
五、塑性变形对金属组织和性能影响
2. 塑性变形对金属性能的影响
1） 塑性变形对金属力学性能的影响 ➢ 由于形成了纤维组织和形变织构，导致金属明显的各向异性 ➢ 由于位错密度升高，位错运动时相互交割加剧，产生位错塞
Cu-Ni合金成分与性能关系
第四章 金属材料的强化理论
4.1 形变强化 4.2 固溶强化 4.33 第第二二相相强强化化 4.4 细晶强化
4.3 第二相强化
概念
当第二相以细小弥散的微粒均 匀分布于基体相中时，将阻碍 位错运动, 产生显著的强化作用
颗粒钉扎作用的电镜照片
表面处理第四、五讲表面淬火及表面形变强化
表面淬火层的性能（3） （3） 疲劳强度：高频淬火可显著提高零件的疲劳强度。这 是由于表面产生的压应力可以抑制裂纹的萌生和扩展，使其 缺口敏感性下降。
表 4－2 40Cr 钢不同处理状态下疲劳强度的比较 － 处理状态 疲劳强度 σ 1 N／mm2 200 正火 240 调质 290 调质+表面淬火δ = 5mm 330 调质+表面淬火δ = 9mm
功率密度 加热时间 硬化层深度 工件冷却 淬火层组织 畸 变
感应加热淬火新技术（2） 2 双频感应加热淬火 对于凹凸不平的工件可采用两种频率交替加热， 较高频率加热时，凸出部位温度较高；较低频率 加热时，低凹部位温度较高。这样可达到均匀硬 化的目的。 3 超音频感应加热淬火 采用20kHz ～ 50kHz的频率（超音频波）感应 加热淬火可解决凹凸不平工件表面淬硬层不均匀的 问题。
二、表面淬火与常规淬火的区别 (1) 加热速度越快，奥氏体晶粒越细、硬度越高。
表面淬火与常规淬火的区别 (2)
提高加热速度将使 Ac3 与 Acm线上移，可以防止过热。 快速加热使奥氏体成分不 均匀，易形成贫碳的奥氏体， 合金元素也难实现成分均匀化。
表面淬火与常规淬火的区别 (3)
5.03 10
4
f
mm
感应加热频率越高，淬硬层越浅，但加热速度越快。
感应加热频率与淬硬层的关系
表6－9 感应加热淬火用交流电频率 名 称 高 频 超音频 中 频 工 频 频率范围/Hz （100~500）×103 （20~100）×103 （1.5~10）×103 50 淬硬深度/mm 0.5~2 2~5 2~5 10~15
表面淬火层的组织和硬度分布 硬化层的厚度可用金相法和硬度法测定。
表面形变强化(修改版)
• （2）机械离心式抛丸机 • 弹丸依靠高速旋转的机械离心轮而获得动力的抛丸机。 他适用于要求喷丸强度高、品种少、批量大、形状简单、 尺寸较大的零件。 抛丸机工作原理与重力 式气动喷丸机基本相同， 不同之处在于用抛丸器 代替了喷嘴。
喷丸 设备
气动式喷丸机
机械离心式抛丸机
吸入式喷丸 机
重力式喷丸 机
（1）钢丝切丸 钢丝切丸是用回火高强度钢丝经切割制成，成本较高， 因两端有棱角会划伤工件表面，在欧美工业发达国家已经 大量使用预钝化去棱角-磨角钢丝切丸。预钝化钢丝切丸 分为G1、G2、G3三种类型。一般要求钢丝切丸硬度越高越 好，一般应不低于工件硬度。
（2）铸钢丸 铸钢丸是将金属熔化后的钢液，经雾化成丸、烘干、 选圆、二次淬火、回火筛分制成。其硬度可根据回火温度 不同，获得不同硬度的铸钢丸，组织为回火屈氏体或回火 马氏体。喷丸强度较低时可用铸钢丸。喷丸强度较高时， 严禁使用铸钢丸。
?b疲劳强度随表面残余压应力的增加而增加疲劳裂纹大多从表面开始裂纹的发展是靠拉应力表面形变强化在表面层产生残余压力生残余压力使外加拉应力与残余压应力合成的总应力降低从而可提高材料的疲劳强度及延长疲劳寿命在疲劳过程中残余应力r起平均应力作用
讲课人：张谋
2012年12月18日
主要内容
• 1. 基本原理
第一种变化
喷丸前后晶粒、亚晶粒位错组态、晶界分布示意图
第二种变化
• 在表面强化过程中，表面塑性变形带来的表面尺寸变 化，而引起表面残余应力。下图是喷丸和滚压处理后的残 余应力分布。
• a、强化后残余应力的分布规律 • 表面为残余压应力，心部为残余拉应力。
• b、疲劳强度随表面残余压应力的增加而增加
（1）喷丸强度 喷丸强度采用弧高度试片来测量。
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第四章 表面形变强化技术
（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。 需去棱角加工。
第四章 表面形变强化技术
（4）玻璃弹丸 近十几年发展起来的新型喷丸材料，玻璃丸由高质量 玻璃制成。 硬度： HRC46~50。 脆性大，使用中破碎率高，造成 使用成本偏大。 目前主要用于钛、铝、镁及其他 不允许铁质污染的材料。 也可在钢铁丸喷丸后作二次加工 用,以除去铁质污染和降低零件 表面粗糙度。 已在国防工业和飞机制造业中获 得广泛应 用。
第四章 表面形变强化技术
（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
第四章 表面形变强化技术
4.1.5 喷丸工艺 • 在实际生产中通过喷丸强度、表面覆盖率、表面粗 糙度这3个参数来检验、控制和评定喷丸强化质量。
第四章 表面形变强化技术
影响残余应力的因素
零件受喷表面残余压应力的大小和压应力层的深 度取决于受喷材料的性能和喷丸强度。 材料的强度和硬度越高，压应力越大，压应力层 的深度就越浅。 喷丸强度越高，压应力层的深度越深。
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
抛丸机工作原理与重力式气动 喷丸机基本相同，不同之处在 于用抛丸器代替了喷嘴。
第四章 表面形变强化技术
（2）表面喷丸强化技术设备
叶轮式喷丸机原理示意图
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
喷丸强化用弹丸
形状：多为圆球 硬度：在具有一定冲击韧性的情况下，硬度越高越好 直径：0.05~1.5mm 材质：铸铁、铸钢、不锈钢、弹簧钢、玻璃、陶瓷….. 弹丸选择：
喷丸前后晶粒、亚晶粒位错组态、晶界分布示意图
第四章 表面形变强化技术 表面残余压应力产生机制
由于大量弹丸压入产生的切应力造成了表面
塑性延伸。
由于弹丸冲击表面产生的法向力引起了压应力与 亚表面应力的结合。
大多数材料中两种机制并存
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
• 在表面强化过程中，表面塑性变形带来的表面尺 寸变化，而引起表面残余应力。下图是喷丸处理 后的残余应力分布。
第四章 表面形变强化技术
a、吸入式喷丸机
压缩空气从喷嘴射出 时，在喷嘴内腔导丸 口处形成负压，将下 部贮丸箱的弹丸吸入 喷嘴内腔，随压缩空 气由喷嘴射出，喷向 被强化零件表面。
通过调节压缩空气压力控制喷丸强度，操作灵活。适于批量 小、形状复杂、尺寸小的零件，但功耗大，效率低。
第四章 表面形变强化技术
1）可预防汽车零件弯曲疲劳；改善齿廓根部的弯曲疲劳性 能；提高曲轴的抗疲劳性能和安全使用寿命；增加连杆的 强度和刚度。 2）提高齿轮齿部弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，是改善齿 轮抗咬合能力、提高齿轮寿命的重要途径。 3）提高紧固件抗疲劳断裂的应力腐蚀、抗氢脆断裂的一种 行之有效的表面强化工艺。经喷丸强化后工件的使用可靠 性、耐久性均可获得明显的改善和提高。
第四章 表面形变强化技术
（2）表面覆盖率
表面覆盖率：零件受喷表面上弹坑占据的面积与受喷表 面积的比值，通常以百分数表示。
当零件的硬度等于或低于试片的硬度时，该零件的覆 盖率能够达到或超过100%； 当零件的硬度高于试样片的硬度时，零件的覆盖率低 于100%。
第四章 表面形变强化技术
29% 59%
第四章 表面形变强化技术
三种弧高度试片的换算关 系为：1A≈3.3N,1C≈3A。 A型用于测量弧值 0.1~0.6mm。大于0.6mm 的采用C型试片。小于 0.1mm的采用N型试片。 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）。
第四章 表面形变强化技术
喷丸处理除了产生应力强化和组织细化外， 还可以有效消除这些加工刀痕。
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
4.1.3 表面喷丸强化技术设备
第四章 表面形变强化技术
4.1.4 喷丸强化用设备
喷丸 设备
气动式喷丸机
机械离心式抛丸机
吸入式喷丸 机
重力式喷丸 机
直接加压式 喷丸机
喷丸技术的发展
喷丸表面强化技术是本世纪三十年代发展起来 的一种表面强化工艺，首先应用于汽车制造业中的 各种弹簧，以提高其疲劳寿命。
目前，喷丸工艺在国外，已经被广泛应用于铝合 金、钛合金、镁合金、不锈钢、结构钢、高强钢及超 刚强钢、高温合金及粉末冶金等零构件。
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
（1）喷丸强度
影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、 弹丸流量、喷丸时间等。弹丸直径越大，速度越快，弹丸 与工件碰撞的动量越大，喷丸的强度就越大。喷丸形成的 残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60%，残余压应 力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
表面形变强化 ：采用喷丸、滚压或挤压金属零件的 表面，使其表面产生塑性变形，形成形变强化层。
显微组织变化 表层压应力
改善
抗疲劳强度 耐磨性 耐腐蚀性
应用：航空、航天、机械、纺织、汽车、 铁道等工业领域
第四章 表面形变强化技术
• 表面形变强化
• 表面形变强化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。
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
在相同喷丸速度下：
• 增大弹丸直径，残余压应力不一定变大，但压应力层 深度增加；
• 对于表面有凹坑、凸台。划痕等缺陷或表面脱碳的工 件，通常选用较大的弹丸， 以获得较深的压应力层， 使表面缺陷造成的应力集中减小到最低程度。
喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强 度达到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加 。 饱和点：在一倍于饱和点的喷丸时间里，弧高度值得增量不超 过饱和点处弧高度值的10%。满足于上述条件时饱和点处的弧 高度值定义为该组工艺参数的喷丸强度。
弧高度曲线
第四章 表面形变强化技术
喷丸强度的表征 喷丸强度采用弧高度试片来测量。 弧高度试片或称阿尔门（Almen）试片是用来综合度量喷 丸强化工艺参数的一种专用量具。 共三种规格：N、A、C试片；
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。来自第四章 表面形变强化技术
4.1 表面喷丸强化技术
喷丸强化（Shot peening） 就是将大量高速运动的弹丸 连续喷射到零件表面上，如 同无数的小锤连续不断地锤 击金属表面，使金属表面产 生极为强烈的塑性变形，形 成一定厚度的形变硬化层。 喷丸强化技术是以强化工件表面为目的，不同于清利喷丸 和喷砂技术。 喷丸形变硬化层厚度：0.1~1mm(根据工况要求）
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4.1.4 喷丸强化用设备
喷丸强化用的设备主要有两种结构形式：气动式与机械 离心式。 （1）气动式喷丸机 气动式喷丸机是依靠压缩空气带动将弹丸从喷嘴高速 喷出，冲击工件的设备。 适用于要求喷丸强度较低、品种多、批量小、形状复 杂、尺寸较小的零件。
• 按弹丸运动方式可分为吸入式、重力式、直接加压式三种 类型。
• 硬化层中产生两种变化：
• 1)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； • 2)形成了高的宏观残余压应力。
这两种变化使得金属表面的强度、硬度得到了很大提高， 疲劳寿命也有了很大的改观。
第四章 表面形变强化技术
喷丸强化
表面形 变强化
表面滚压和 孔挤压强化
机械镀
第四章 表面形变强化技术
83%
98%
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
20世纪90年代初，国内喷丸成形技术研究才迎来第二个 高潮，到20世纪90年代中期，掌握了机翼6米级整体壁板喷 （抛）丸成形技术，使国内喷丸成形技术跨入数控时代。
第四章 表面形变强化技术
E) 带有应力集中部位的各种零构件
第四章 表面形变强化技术
4.1.1 喷丸强化的应用
第四章 表面形变强化技术
4.1.2 表面喷丸强化技术原理
第四章 表面形变强化技术
4.1.2 表面喷丸强化技术原理
喷丸强化硬化层结构和残余应力分布图
硬化层内 的变化
密度很高的位错
交变应力 温度
逐渐排列规则，呈多 边形，小的亚晶粒 推迟疲劳破坏
高的残余压应力
组织细化
金属的塑形变形是通过位错运动实现的。
第四章 表面形变强化技术
弧高测量仪： 1.将标准块的平面放置于 弧高测试仪底部，待示数稳 定后按归零键。 2．将经过喷丸的试片于弧 高测试仪底部，抛丸表面向 外侧放置，此时得到形变数 值。 3．数值说明，表上显示的 数据保留小数点后两位，此 时将数值后加上试片代号即 可。例：数值显示为 0.42mm,测试试片为N型.最 终得出数值为0.42N。
（a）喷丸前组织，晶界与亚晶界比较清晰，晶粒与亚晶粒比较大； （b）初始喷丸时，随变形量增加，位错互相作用使位错密度不断 增 加，原亚晶界逐步模糊不清、消失； （c）随喷丸覆盖增加，弹丸反复冲击金属表面，使一 些位错重新 排列形成新的亚晶界。随喷丸时间延长，塑性变形继续进行， 位错密度进一步增加，使晶界逐步消失又组成新的晶界，导致 晶粒破碎、 细化。
b、重力式喷丸机 将弹丸提升到一 定高度，借助弹 丸自重由上至下 流入喷嘴，由压 缩空气带动，由 喷嘴喷向被强化 零件。