第七章 表面形变强化技术
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表面淬火和表面形变强化技术资料
曲
轴
喷
曲轴喷丸强化机
丸
强
工艺(设备)种类：
化 机
叶轮式（抛丸式）
压缩空气式(干喷式和湿喷式)
弹丸种类：
铸铁丸、铸钢丸、不锈钢丸、 钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸等。
（抛 丸 处 理）
喷砂与喷丸： 目的： 处理后的表面形貌： 形变层深： 喷料动能来源： 喷料种类及尺寸： 自动化程度：
(优点)工艺简单，设备费用低，工件变形小。 (缺点)淬硬层薄，对形状复杂（电阻接触加热法）、尺寸很大（电解液加 热法）的工件不适用。
4.6 几种典型表面淬火工艺的特点比较
感应加热淬火一直是应用最为广泛的表面淬火工艺。 激光淬火应用越来越多。
4.7 表面形变强化技术
一、受控喷丸强化技术
1．受控喷丸技术原理
(2)激光工艺参数 激光功率、光斑直径、扫描速度
淬火层宽度：光斑直径D 淬硬层深度H： H∝P/(Dv) P/(Dv)_比能量（J/cm2）
P－激光功率，v－扫描速度
(3)表面预处理状态 表面组织准备：较细的表面组织
图片
(淬火态最优，细片状珠光体、回火马氏体或奥氏体次之，球状珠光体较差。)
表面“黑化”处理：磷化法、氧化法、喷刷涂料法
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。
(液相淬火法)
关键：
使材料表面经历了一个快速熔化一凝固过程
组织：
熔凝层(铸态组织) 相变硬化层 热影响区 基材
性能特点(与激光淬火层相比 )：
2．受控喷丸对材料表面形貌 与性能的影响
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。
机械强度研究现状
也由于内挤压的特殊工艺性, 要求一定要均匀、缓慢、连续 地挤压孔, 不允许有冲击和暂停现象。
图1
目前主要的滚压加工工具有硬质合金滚轮式滚压工具、滚柱式滚压工具、 硬质合金YZ 型深孔滚压工具、圆锥滚柱深孔滚压工具、滚珠式滚压工具,这 种方法主要应用在大型轴类、套筒类零件内、外旋转表面的加工、滚压螺钉、 螺栓等零件的螺纹以及滚压小模数齿轮和滚花等, 并取得了显著成果, 很好 的提高了经济效益, 如天津大学内燃机研究所唐琦等人通过对370Q 型汽油 机、376Q 型柴油机进行的曲轴负荷分析、强度估算及弯曲疲劳强度实验表 明, 与未滚压曲轴相比教, 经圆角滚压的曲轴疲劳强度增加了92.3% , 安全 系数由1.18 提高到2.28 并大幅度提高曲轴疲劳强度; 还有如柳州南方汽车 缸套厂在对缸套进行滚压试验后发现同一材料、硬度和壁厚的气缸套, 由原 来的直槽改制成为沉割槽, 其破断力在原来基础上提高了35%以上, 技术指 标显著增加, 获得明显效果, 如表1所示。
目前主要应用于以下几种类型: 1. 挤压棒挤压强化。孔壁上涂干膜润滑剂, 施加力的方式为 拉挤或推挤, 适用于大型零部件装配和维修; 2. 衬套挤压强化。孔内装有衬套, 挤压棒用拉挤或推挤方式 通过衬套孔, 适用于各类零部件的装配和修理; 3. 压印模挤压强化。在圆孔或长圆孔周围用压印模挤压出同 心沟槽。适用于大型零部件及蒙皮关键承力部位的孔压印; 4. 旋转挤压强化。使用有一定过盈量, 经向镶有圆柱体的挤 压头, 旋转通过被挤压的孔, 适用于起落架大直径管件和 孔。 由于内挤压特殊的高效而简单的强化工艺, 使得内挤压强 化工艺得到了一系列广泛的应用, 并也取得了良好的效果, 一下是几种常见材料挤压的强化效果见表2, 可知孔挤压后 可大幅度提高疲劳极限。
第七章 表面形变强化技术
渗碳钢经喷丸后的残余压应力
• 常用的渗碳钢经喷丸后，表层的残留奥 氏体有相当大的一部分将转变成马氏体， 因相变时体积膨胀而产生压应力，从而 使得表层残余应力场向着更大的压应力 方向变化。
• 在相同喷丸压力下： • 大直径弹丸喷丸后的压应力较低，压应 力层较深； • 小直径弹丸喷丸后表面压应力较高，压 应力层较浅，且压应力值随深度下降很 快。 • 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。
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。
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。
（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。
（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。
表面强化技术 PPT
第13讲 表面强化技术
目
1 2 3
录
表面强化技术的定义及分类 金属表面形变强化 表面淬火 热扩渗技术 等离子体扩渗技术 激光表面强化技术 电子束表面强化技术
2018/5/22
4
5 6 7
目
8 9 10
录
电镀和化学镀 气相沉积技术 热喷涂、堆焊和热喷焊 离子注入和电火花表面强化
11
2018/5/22
表2-1 喷丸对模具寿命的影响
模具名称 电动机定、转 子模 定子单模冲模 一字槽光冲模 活扳手热精压 模 模具材料 喷丸介质d/mm 铸钢丸0.5 玻璃丸0.25~0.35 玻璃丸0.25~0.35 铸钢丸0.5 玻璃丸0.25~0.35 一次刃磨使用寿命/万次 喷丸前 1.2~3.2 52 0.96~1.35 0.175 0.388 喷完后 11.49 70 2.0~2.3 0.263 0.517
1.2 表面强化技术定义
定义：采用某种工艺手段使零件表面获得与基体材料 的组织结构，性能不同的一种技术。 优点：延长零件的使用寿命，节约稀有、昂贵材料， 促进高新技术发展。
2018/5/22
1 表面强化技术的定义及分类
1.3 表面强化技术分类
金属表面形变强化 电子束表面强化技术
表面淬火
电镀和化学镀
2018/5/22
2 金属表面形变强化
2.2.2 喷丸材料
1 钢丝线切割丸 2
铸钢丸
铸钢丸
常用钢丝直径d=0.4~1.2mm，硬度为45~50 HRC 为最佳，组织最好好回火M或者B。
弹丸尺寸为0.2~1.5mm，退火处理，硬度为 30~57 HRC，易碎，耗量大，但价格便宜 一般来说，黑色金属制件可用铸铁丸、钢铸丸、 铸钢丸的品质与含碳量有关，一般含碳量在 钢丝线切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属如 0.85%~1.2% ，锰含量在0.65%~1.2% 铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢则采用不锈 含质量分数为60%的SiO2，硬度46~50HRC， 钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。 脆性大，适用于零件硬度低于弹丸的硬度的场 合。 弹丸硬度高，但脆性大，喷丸后可或得较高的 残余压应力。 包括SiO2颗粒和Al2O3颗粒。喷丸时用水混合 SiO2颗粒，利用压缩空气
目
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表面强化技术的定义及分类 金属表面形变强化 表面淬火 热扩渗技术 等离子体扩渗技术 激光表面强化技术 电子束表面强化技术
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电镀和化学镀 气相沉积技术 热喷涂、堆焊和热喷焊 离子注入和电火花表面强化
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表2-1 喷丸对模具寿命的影响
模具名称 电动机定、转 子模 定子单模冲模 一字槽光冲模 活扳手热精压 模 模具材料 喷丸介质d/mm 铸钢丸0.5 玻璃丸0.25~0.35 玻璃丸0.25~0.35 铸钢丸0.5 玻璃丸0.25~0.35 一次刃磨使用寿命/万次 喷丸前 1.2~3.2 52 0.96~1.35 0.175 0.388 喷完后 11.49 70 2.0~2.3 0.263 0.517
1.2 表面强化技术定义
定义：采用某种工艺手段使零件表面获得与基体材料 的组织结构，性能不同的一种技术。 优点：延长零件的使用寿命，节约稀有、昂贵材料， 促进高新技术发展。
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1 表面强化技术的定义及分类
1.3 表面强化技术分类
金属表面形变强化 电子束表面强化技术
表面淬火
电镀和化学镀
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2 金属表面形变强化
2.2.2 喷丸材料
1 钢丝线切割丸 2
铸钢丸
铸钢丸
常用钢丝直径d=0.4~1.2mm，硬度为45~50 HRC 为最佳，组织最好好回火M或者B。
弹丸尺寸为0.2~1.5mm，退火处理，硬度为 30~57 HRC，易碎，耗量大，但价格便宜 一般来说，黑色金属制件可用铸铁丸、钢铸丸、 铸钢丸的品质与含碳量有关，一般含碳量在 钢丝线切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属如 0.85%~1.2% ，锰含量在0.65%~1.2% 铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢则采用不锈 含质量分数为60%的SiO2，硬度46~50HRC， 钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。 脆性大，适用于零件硬度低于弹丸的硬度的场 合。 弹丸硬度高，但脆性大，喷丸后可或得较高的 残余压应力。 包括SiO2颗粒和Al2O3颗粒。喷丸时用水混合 SiO2颗粒，利用压缩空气
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。
第七章 激光表面强化
1. 所有临界点（Ac1、Ac3、Acm）比一般加热条
件下大幅提高，特别是常用的亚共析钢，共析 钢和过共析钢（T10钢以下）激光表面改性条 件：功率密度104~105 W/cm2；加热速度：103 K/s~105 K/s（随扫描速度变化），临界点可上 移：200~400℃，加热速度达：105~106 K/s时 含0.2~0.9 wt% C的碳钢，完全奥氏体化的临界 点均达到1130℃以上。
第七章
激光表面改性技术
1
激光精密加工 物理与光电工程学院 周金运
金属表面 激光强化处理
不熔化
熔化
汽化
相变硬化 合金化
熔敷 冲击硬化
非晶化
晶粒细化
2
激光精密加工 物理与光电工程学院 周金运
7.1 激光相变硬化原理
3
激光精密加工 物理与光电工程学院 周金运
4
激光精密加工 物理与光电工程学院 周金运
热交换过程）－被加热表面与近表层存在极高的温度 梯度－极高的冷却速度。
激光加工是一个与常规热加工过程差别很大的、典型 的非平衡状态。
例：铜: 激光功率密度 106 W/cm2时： 3 × 105 ℃/cm。
Gr15轴承钢: 激光功率密度107 W/cm2时：3×106 ℃/cm。
激光辐照提供了一般热源所远不能相比的远离平衡态
理解激光固态相变硬化，关键是3个要点——
激光快速加热和快速冷却相变过程的动力学特点，微观组织
中晶体缺陷和晶格畸变与传统工艺冷速下有显著不同，最终
室温组织中，溶质（C及其它合金元素）的固溶度远高于一
般淬火条件下的固溶度。
16
激光精密加工 物理与光电工程学院 周金运
激光快速加热和快速冷却相变 过程的动力学特点
件下大幅提高，特别是常用的亚共析钢，共析 钢和过共析钢（T10钢以下）激光表面改性条 件：功率密度104~105 W/cm2；加热速度：103 K/s~105 K/s（随扫描速度变化），临界点可上 移：200~400℃，加热速度达：105~106 K/s时 含0.2~0.9 wt% C的碳钢，完全奥氏体化的临界 点均达到1130℃以上。
第七章
激光表面改性技术
1
激光精密加工 物理与光电工程学院 周金运
金属表面 激光强化处理
不熔化
熔化
汽化
相变硬化 合金化
熔敷 冲击硬化
非晶化
晶粒细化
2
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7.1 激光相变硬化原理
3
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4
激光精密加工 物理与光电工程学院 周金运
热交换过程）－被加热表面与近表层存在极高的温度 梯度－极高的冷却速度。
激光加工是一个与常规热加工过程差别很大的、典型 的非平衡状态。
例：铜: 激光功率密度 106 W/cm2时： 3 × 105 ℃/cm。
Gr15轴承钢: 激光功率密度107 W/cm2时：3×106 ℃/cm。
激光辐照提供了一般热源所远不能相比的远离平衡态
理解激光固态相变硬化，关键是3个要点——
激光快速加热和快速冷却相变过程的动力学特点，微观组织
中晶体缺陷和晶格畸变与传统工艺冷速下有显著不同，最终
室温组织中，溶质（C及其它合金元素）的固溶度远高于一
般淬火条件下的固溶度。
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激光快速加热和快速冷却相变 过程的动力学特点
表面形变强化技术共39页文档
表面形变强化技术
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
Байду номын сангаас 谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
Байду номын сангаас 谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
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，
对于表面形变强化技术的现状分析
摘要：表面强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。
常用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺，其强化效果显著，成本低廉。
笔者主要概括了表面强化技术的分类、目的和作用，分析了形变强化方法的特点以及目前表面强化主要研究方法的现状和发展趋势。
关键词：表面形变；强化技术；滚压；内挤压；喷丸引言材料表面处理技术简称材料表面技术，是材料科学的一个重要分支，是在不改变基体材料的成分和性能（或虽有改变而不影响其使用）的条件下，通过某些物理手段（包括机械手段）或化学手段来赋予材料表面特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。
材料表面技术在工业中的应用，大幅度提高了产品（尤其是金属零件）的性能、质量和寿命，并产生了巨大的经济效益，因而深受各国政府和科技界的重视。
1 表面形变强化原理通过机械手段（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0.5～1.5mm），从而使表面层硬度、强度提高。
2 表面形变强化工艺分类表面形变强化主要有喷（抛）丸、滚压和孔挤压等三种工艺。
2.1喷丸强化工艺喷丸是国内外广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法，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、耐蚀点（孔蚀）能力，它具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方法。
2.1.1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[1]。
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。
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喷丸硬度的影响
• 表6－6为不同弹丸材料对残余应力的影响。 可以发现，由于陶瓷丸和铸铁丸硬度较高， 喷丸后残余应力也较高。
喷丸速度对表层残余应力有明显 影响
• 试验表明，当弹丸粒度和硬度不变，提高 压缩空气的压力和喷射速度，不仅增大了 受喷表面压应力，而且有利于增加变形层 的深度，
（6）不同表面处理后的表面残 余应力的比较
（5）喷丸表层的残余应力
• 喷丸处理能改善零件表层的应力分布。 • 喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性 变形和金属的相变，其中以不均匀的塑性变 形最重要。
• 工件喷丸后，表层塑性变形量和由此导致的 残余应力与受喷材料的强度、硬度关系密切。
残余压应力
• 材料强度高，表层最大残余压应力就相应 增大。 • 但在相同喷丸条件下，强度和硬度高的材 料，压应力层深度较浅；硬度低的材料产 生的压应力层则较深。
喷丸表层的组织变化
• 金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性 变形，表层位错密度大大增加。而且还会出现亚晶 界和晶粒细化现象。 • 喷丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表 层组织结构将产生变化，由喷丸引起的不稳定结构 向稳定态转变。
• 例如，渗碳钢表层存在大量残余奥氏体，喷丸时，这些残余奥氏体可能 转变成马氏体而提高零件的疲劳强度； • 奥氏体不锈钢特别是镍含量偏低的不锈钢喷丸后，表层中部分奥氏体转 变为马氏体，从而形成有利于电化学反应的双相组织，使不锈钢的抗腐 蚀能力下降。
（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。
• 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
• 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。
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。
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。
• 不同表面处理后的表面残余应力及疲劳极 限如表6－8所示。表面滚压强化可获得最 高的残余应力。经喷九或滚压后，疲劳极 限也明显提高。
6．喷丸强化的效果检验
• 弧高度试验不仅是确定喷丸强度的试验方法， 同时又是控制和检验喷九质量的方法。 • 在生产过程中，将弧高度试片与零件一起进 行喷丸，然后测量试片的弧高度f.如f值符合 生产工艺中规定的范围，则表明零件的喷丸 强度合格。这是控制和检验喷九强化质量的 基本方法。
第七章 表面形变强化技术
采用某种工艺手段使材料表面获得与其基 体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
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。
• 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。
• 弧高度试片给出的喷丸强度，是金属材料 的表面强化层深度和残余应力分布的综合 值。
• 若需了解表面强化层的深度、组织结构和 残余应力分布情况，还应进行组织结构分 析和残余应力测定等一系列检验。
• 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
• 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。
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。
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。（3）选定喷九强化工艺参数
• 金属材料的疲劳强度和抗应力腐蚀性能 并不随喷丸强度的增加而直线提高，而 是存在一个最佳喷丸强度，它由试验确 定。
4．旋片喷丸工艺
5．喷丸表面质量及影响因素
• (1) 喷丸表层的塑性变形和组织变化。
• 金属的塑性变形来源于晶面滑移、孪生、 晶界滑动、扩散性蠕变等晶体运动，其中 晶面间滑移最重要。晶面间滑移是通过晶 体内位错运动而实现的。
（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。
（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铝颗粒等。 • 喷丸时用水混合二氧化硅颗粒，利用压 缩空气喷射。
• 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。
（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。
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。
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
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。
渗碳钢经喷丸后的残余压应力
• 常用的渗碳钢经喷丸后，表层的残留奥 氏体有相当大的一部分将转变成马氏体， 因相变时体积膨胀而产生压应力，从而 使得表层残余应力场向着更大的压应力 方向变化。
• 在相同喷丸压力下： • 大直径弹丸喷丸后的压应力较低，压应 力层较深； • 小直径弹丸喷丸后表面压应力较高，压 应力层较浅，且压应力值随深度下降很 快。 • 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。
（2）弹丸粒度对喷丸表面粗糙 度的影响
（3）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影响
• （4）弹丸形状对喷丸表面形貌的影响
• 球形弹丸高速喷射工件表面后，将留下 直径小于弹丸直径的半球形凹坑，被喷 面的理想外形应是大量球坑的包络面。 • 这种表面形貌能消除前道工序残留的痕 迹，使外表美观。同时，凹坑起储油作 用，可以减少摩擦，提高耐磨性。
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。
• 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。