喷丸强化原理与表层材料性能

前言 喷丸强化过程是弹丸流不断冲击金属材料表层并使表层材料发 生循环塑性变形， 从而形成变形强化层的过程。经受喷丸循环塑性 变形的表层， 其材料的组织结构发生变化， 亚晶粒极大细化， 位错密 度增高， 晶格畸变增大； 形成很高的宏观残余压应力； 表面粗糙度和 表面形貌也都发生变化。材料表层发生的各种变化， 将明显地提高 材料的抗疲劳和应力腐蚀性能， 使材料表面性能得到强化。 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 Ｄ、亚 晶 粒 尺 寸 ｄ 、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， 相反方向的位错互相抵消， 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 。如 图 １ 所 示 ， 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。
（ 作者单位系哈尔滨汽轮机厂有限责任公司）
－ １０４－
技术论坛
中国高新技术企业
喷丸强化原理与表层材料性能
文 ／ 逯丹 刘铸 王春光
【摘 要 】 对 表 征 喷 丸 强 化 效 果 和 质 量 的 指 标 和 影 响 因 素 进 行 了 研 究 ， 为 喷 丸 机 设 计 要 求 和 喷 丸 强 化 工 艺 的制定奠定了理论基础。 【关 键 词 】 喷 丸 强 化 效 果 工 艺 参 数 喷 丸 强 度 覆 盖 率 粗 糙 度
图 １ 喷丸强化层组织结构示意图 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 。材 料 屈 服 强 度 бＳ 与 晶 粒 尺 寸 Ｄ 或 亚晶粒尺寸 ｄ 间的关系为：
бＳ＝Ｋ１ （ １／ Ｄ１／ ２ ） 或 бＳ＝Ｋ２ （ １／ ｄ１／ ２ ） 式 中 Ｋ１ 、Ｋ２ — 材 料 常 数 可 见 ， 屈 服 强 度 бＳ 随 Ｄ 或 ｄ 的 减 小 而 增 高 。 材 料 的 疲 劳 强 度 在 一定范围内与屈服强度 成 线 性 关 系 。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 。如 图 ２ 所 示 ， 最 表 层 由 于 应 力 松 弛 ， 其 残 余 压 应 力 稍 有 降 低 ， 曲 线 上 产 生 “抬 头 ”现 象 。
图 ２ 喷 丸 强 化 引 入 的 残 余 应 力 分 布 （ бγ－ δ曲 线 ） 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 （ 即 бγ－ δ曲 线 ） 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 （ δｃ 、δ０ ） 值 逐 渐 加 大 ， 一 般 可 达 到 弹 丸 直 径 的 １ ／ ４ ￣ １ ／ ２ ， 最 表 面 残 余 压 应 力 － σｒｓ 却 逐 渐 降 低 ， 而 最 大 残 余 压 应 力 － σｒ，ｍａｘ 基 本 不 变 。 弹 丸 硬 度 越 高 ， 获 得 的 残 余 压 应 力 － σｒｓ ， － σｒ，ｍａｘ 也 越 高。 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 结论 喷丸强化改善了金属材料表面的组织结构， 位错密度增加， 亚 晶粒细化，阻止晶体滑移， 提高材料的屈服极限； 改善了材料表面的 应 力 状 态 ， 引 入 了 不 低 于 抗 拉 强 度 ５０ ％ 的 残 余 压 应 力 ， 使 表 面 处 于 压应力状态或降低了外加交变应力的平均值， 阻碍零件表面疲劳裂 纹源的萌生和扩展； 改善了表面形貌， 提高了零件表面的完整性， 提 高材料的抗疲劳和应力腐蚀能力。