金属材料表面喷丸及其后续检测技术

0引言

喷丸强化是一种传统的材料表面强化手段，其工艺相对比较简单，但是效果明显，被广泛的应用于航天航空、核电、机车、汽车等各个领域。喷丸强化是一个冷处理过程，其原理是利用高速弹丸撞击材料，即无数个弹丸撞击金属零件表面，在材料表面形成小压痕或凹坑，使材料表面发生塑性变形，从而在金属表面产生残余应力 ̈J。表层下压缩的晶粒由于要恢复到原来的形状，从而会产生一个均匀的残余压应力层，使材料表面得到强化经过喷丸处理之后，材料表层的组织结构发生变化，晶粒细化，位错密度增大，晶格畸变增大，最终形成很高的残余压应力。材料表层残余应力的存在将明显地提高材料的抗疲劳性能和疲劳寿命，提高材料表面的强度和硬度、以及抗应力腐蚀及耐高温氧化等性能。

1喷丸强化

喷丸用的丸体，是用铸钢或锻钢、不锈钢、陶瓷或玻璃等制成的。在喷丸过程中，具有足够能量的弹丸锤击工件表面，并在充裕的时间内，以冷加工的形式在工件表面造成重叠的凹点。生成凹点的作业过程引起压应力并拉伸表面结构。这一变化过程被工件内层未受锤击的部分所阻挡，所以，就在工件表面和近表层产生残余压应力见图1。这种压应力会消除因修磨、热处理、焊接、电镀或硬化涂层而造成的有害残余拉应力。

除此之外，当进行喷丸处理的工件受到来着外部的载荷时，如弯曲，表面残余应力就会减少工件表面或接近工件表面的外加拉应力的强度，而几乎所有的疲劳和应力腐蚀造成的断裂都是在这些地方生成的见图 2。因为残余应力的高峰值总是出现在接近工件表面的地方，所以，喷丸是消除外加拉应力的最有效工艺手段。这些外加应力包括由于弯曲或扭曲造成的应力，或由于局部应力源，如刻痕、圆角半径、截面变化、焊接点或表面疵点而造成的应力。

1.1喷丸残余应力场强化作用

当有残余应力存在时，疲劳裂纹的萌生位置则移向次表面，产生疲劳裂纹所需的外加交变应力提高，即提高了疲劳强度。特别当零件表面有缺口或微裂纹时，残余压应力的作用更为显著。喷丸材料表层中残余压应力提高疲劳性能原因有两个:

第一，抵御由外力或外力矩在零件表层产生的拉应力，使作用在材料上的最大交变应力水平下降，从而提高了裂纹开始扩张的临界应力强度因子，当残余压应力层的深度超过微裂纹的深度时，平均应力的下降也能降低疲劳裂纹的扩展速度。第二，残余压应力能阻止位于最大剪应力方向附近的晶体滑移，因而压应力区比拉应力区总是需要更大的外力才能使晶体开始滑移。

1.2喷丸组织强化作用

喷丸组织强化的作用在于，喷丸优化了形变层内的组织结构，使晶块(晶粒、亚晶和位错胞)细化、位错密度和显微畸变增高如图3所示，在某些情况下也可能发生相变强化等。这种组织结构的变化一方面使形变层内的晶体不易发生滑移，另一方面又能把内部金属所发生的滑移阻止在形变强化层与内部的界面上，上述作用均会阻碍疲劳裂纹在材料表面上的萌生，从而延长了材料的疲劳寿命。

1.3表面形貌的作用

喷丸对零件表面造成的变化可能成为强化因素，也可能是弱化因素，这取决于零件喷前得表面状态和喷丸工艺。当受喷前表面粗糙度值较高，且喷丸强度不大时，喷丸后表面粗糙度值反而降低，此时喷丸对表面形貌的改变即为强化因素;当喷丸后表面粗糙度值显著提高或由于过喷引起表面微裂纹，将降低受喷零部件的疲劳强度。

2 喷丸强化技术的应用

喷丸技术的强化效果显著，效率高，限制小，实施的难度较低，因此应用越来越广泛。喷丸强化机理和大量实验结果表明，喷丸强化适用的材料和零件应具有表1中的特点。

3喷丸工艺的选择

喷丸工艺参数包括弹丸速率一空气压力或抛丸转轮的速度、弹丸流量、弹丸的撞击的角度、喷嘴与标靶零件的距离(相隔距离)、弹丸尺寸(规格控制)、弹丸硬度(规格控制)、喷嘴的设计、喷砂管的尺寸和状况。但是研究者从众多的影响因素中归结为喷丸介质、喷丸强度和覆盖率的影响。

3.1喷丸介质的选择喷丸介质(弹丸)的选择主要依据零件的力学性能、形状、尺寸及服役条件，包括弹丸种类和尺寸选择两方面。

丸强化用弹丸有金属弹丸(如铸铁丸、铸钢丸、切制钢丝丸和不锈钢丸等)和非金属弹丸(陶瓷丸和玻璃丸等)。金属弹丸中铸钢丸韧性好，成本较低，因此应用较多。陶瓷弹丸是一种较新的喷丸介质，可用于替代玻璃丸和部分替代铸钢丸。

弹丸种类的选择一般应遵循:

(1)黑色金属可用各种弹丸，有色金属及不锈钢零件建议选用非金属丸或不锈钢丸。

(2)对喷后表面粗糙度要求不高的零件可选择金属丸，反之则应选择陶瓷丸或玻璃丸。

(3)受喷材料硬度较高，应选择高硬度的弹丸。

弹丸的尺寸选择应遵循以下原则:

(1)对于零件狭缝和沟槽等非开放式受喷部位，弹丸的尺寸应保证一定的通过性，如齿根R较小的的齿轮，弹丸直径应小于R/2。

(2)对于喷丸前表面粗糙度值较大的零件，宜选择较大尺寸的弹丸，反之则宜选择较小尺寸。

(3)对于喷丸后表面需要进行机械加工的零件喷丸，弹丸宜选择较大尺寸。

3.2喷丸强度的选择

喷丸强度是喷丸介质冲击能量的度量值，喷丸强度通常使用ALMEN试片进行度量，零件喷丸强度的选择应遵循以下原则:

(1)应保证喷丸变形能够满足设计的要求。

(2)在保证不产生损伤的前提下，提供足够的强化效果。

(3)同样的材料喷丸强化，喷前零件的表面粗糙度值越高，则喷丸强度应随之适当增大。

(4)对于喷丸前表面电镀或喷后表面进行机械加工的零件喷丸，应选择较大的喷丸强度。

3.3喷丸覆盖率

受喷零件表面上弹丸坑占据的面积与受喷表面总面积之比，通常以百分数表示，称为表面覆盖率。喷丸覆盖率的选择应根据受喷零件的实际状态而定，一般情况下对于室温服役的零件，喷丸覆盖率应达到 100%;而对于高温下服役的零件则应根据零件的服役状态通过试验确定最佳喷丸覆盖率。

4喷丸强化效果的表征

4.1喷丸残余应力的表征

喷丸残余应力随着距表面深度的增加逐渐增大，到达最大值后逐渐降低，在压应力层以下区域变为较小的拉应力。喷丸后材料的残余应力随层深的分布曲线如图4所示，lysrs为表面残余应力、o-mtrs为最大残余压应力、Zm为最大残余压应力层深、Zo为残余应力总体层深。喷丸残余应力的分布与材料强度以及喷丸强度有关，喷丸强度一定时，材料的强度越高，残余压应力层深越小;材料一定时，喷丸强度越高，残余压应力层深越大，表面残余应力和最大残余压应力也相应提高。