表面形变强化

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定义为喷丸强度。 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 所谓覆盖率是指强化后表面弹痕占据的面积与总强化 表面的比值。要求大于100%。喷丸覆盖率的影响因素：零 件材料的硬度、弹丸直径、喷射角度及距离、喷丸时间等。
•
喷丸与滚压、孔挤压过程 中，在机械力作用下工件表面 产生塑性变形，引起加工硬化， 使表面硬度、强度提高。 • 由右上图可见，弹丸冲击 工件表面产生凹坑，使其周围 产生塑性变形及宏观残余应力。 弹丸反复多次冲击工件表面塑 性变形量增大，表面硬度、强 度增加。 • 右下图为喷丸后表层硬度 分布与时间关系，喷丸开始时 硬度增加较快，后期硬度增加 缓慢。
挤压棒挤压强化装置
旋压挤压强化装置
四、机械镀
采用喷丸强化处理的主要零件种类
二、喷丸强化提高金属材料抗应力疲劳腐蚀 应力腐蚀都是从金属表面开始的，表面呈拉应力状态 时，腐蚀进程就会加快；反之，表面压应力就会一直腐蚀 的发展。 喷丸可使金属表层残余应力从拉应力改变成压应力， 阻止腐蚀进展，从而大大提高金属的抗应力腐蚀应力。
三、表面滚压和孔挤压强化
• 金属的塑形变形是通过位错运动实现的，在塑性变形过程 中，由于位错间相互作用，使位错密度增加。下图中（a） 为喷丸前组织，晶界与亚晶界比较清晰，晶粒与亚晶粒比 较大；（b）为初始喷丸时，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）为随喷丸覆盖增加，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，使晶粒破碎、细化。
29% 59%
83%
98%
• 2.4 喷丸强化的应用 一、喷丸强化提高疲劳寿命 （1）提高表面镀零件的疲劳强度。 （2）对于钢之零件的喷丸，材料硬度、强度越高，喷 丸强化对疲劳强度提高得越大。 （3）铝合金及钛合金零件的喷丸强化。 （4）焊接件的喷丸强化。 （5）弹簧的喷丸强化。 （6）齿轮的喷丸强化。 （7）连杆喷丸强化。
（1）喷丸强度 喷丸强度采用弧高度试片来测量。
h：试片厚度 a：测量圆周直径 ƒ：弧高度 d：残余应力层的深度 σ：平均残余压应力
• 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。
机械镀
二、喷丸强化Hale Waihona Puke Baidu
• 2.1 喷丸强化用的弹丸 • 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(直径0.6~1.2mm，硬度为HRC=45~50)做 成的钢丸，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。 预钝化钢丝切丸分为G1、G2、G3三种类型，具有良好 的综合机械性能。 一般要求钢丝切丸硬度越高越好，一般应不低于工件 硬度。
喷丸前后晶粒、亚晶粒位错组态、晶界分布示意图
• 1.3 形成表面残余应力 • 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，最表面层由于应 力松驰，其残余应力稍有降低，故曲线上有“抬头”现象。
• 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。
• 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。
• c、直接加压式喷丸机 弹丸与压缩空气首先 在混合室内混合，再 通过导丸管共同进入 喷嘴，由喷嘴射出， 喷向被强化零件。
• 1.2 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。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。
（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。 铸钢丸不同于钢丝切丸，他会破碎，从而在循环使用 时划伤工件，而且铸钢丸硬度越大，抛丸速度越高，破裂 越严重。为了避免破碎，一般喷丸强化选用硬度为 HRC48~52的铸钢丸，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。
（3）玻璃丸 玻璃丸由高质量碱玻璃制成，不含铁杂质硬度相当于 HRC46~50，外观为实心球体。使用中破碎率高，造成使用 成本偏大。所以目前仅限用于对表面粗糙度有特殊要求的 关键结构零件。 此外,还有陶瓷弹丸、聚合塑料弹丸等
• 2.2 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。他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。
• （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。
• 2.3 喷丸工艺 • 在实际生产中是通过喷丸强度、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的。 • 影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹丸流速、 弹丸流量、喷丸时间等。 • 影响表面覆盖率的因素主要有：零件材料的硬度、弹丸直 径、喷射角度及距离、喷丸时间等。 • 表面粗糙度的影响因素有：零件材料的强度和硬度、弹丸 直径、喷射角度及速度、零件的原始表面粗糙度。
• 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，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σ r起平均应力作 用。
喷丸强化
表面形 变强化
表面滚压和孔挤压强化
• 3.1 滚压和孔挤压强化用设备 滚压和孔挤压强化用设备是利用现有冷加工设备如车、 钻床或镗床，再配备用作滚压和孔挤压强化工艺必须的装 置。 （1）滚压强化用装置 在滚压过程中，主要运动是轴的回转运动，辅助运动 是滚子沿轴的回转中心进行转动。适用于圆周类零件的强 化。
（2）孔挤压强化用装置
压印模挤压强化装置 村套挤压强化装置
讲课人：张谋
2012年12月18日
主要内容
• 1. 基本原理
1.1 概述 1.2 表面形变强化 1.3 表面残余应力
• 2. 喷丸强化
2.1 2.2 2.3 2.4 喷丸强化用弹丸 喷丸强化用设备 喷丸工艺 喷丸强化的应用
• 3. 表面滚压和孔挤压强化 • 4. 机械镀
一、基本原理
1.1 概述 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。
表面滚压是一种无屑加工技术，它可以显著地提高零 件疲劳强度，并且降低缺口敏感性。它有如下特点： a、适用于轴类零件如曲轴圆角滚压、滚丝轮加工重要 的螺丝和对缺口部位进行局部滚压。喷丸对零件形状的适 应性更强。 b、滚压后表层残余压应力层深大、应力值高，强化效 果比喷丸明显。 c、滚压生产率低，使用不如喷丸广泛。 孔挤压是利用棒、村套、模具等特殊工具，对零件孔 或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形的硬化层。