（材料加工工程专业论文）almg合金轮胎模具表面增压喷丸亚微米化新技术的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，通过表面自纳米化技术已经在铝镁合金表面获得了纳米晶体结构，由于 其具有一系列优异的力学及物理化学性能n 吨1 ，因而在橡胶模具上获得了初步应用。 但是，将表面纳米化技术应用于7 0 5 0 a 1 合金轮胎模具上，产业化具有一定难度。 7 0 5 0 a 1 合金轮胎模具型腔的强度不是很高，晶粒细化至纳米级的冲击力太大，会打 坏模具筋，棱，破坏模具型腔。因此，本文提出了一种喷丸亚微米化( 亚微米：晶 粒尺寸接近l o o n m 左右) 方法，探讨了弹丸直径、喷丸时间等工艺参数对轮胎模具 表面亚微米化进程的影响，研究亚微米晶层的耐磨性能、耐硫化腐蚀性能、电化学 性能及其影响规律。期望用亚微米材料的特殊性质来提高轮胎模具的使用性能。论 文的主要研究内容如下： 1 通过实验确定了实现7 0 5 0 a 1 合金表面亚微米化的优化工艺参数，包括喷丸压 力、喷丸时间、弹丸直径等。测试了亚微米晶层的硬度及摩擦磨损性能，采用增压 喷丸方式可使a 卜m g 合金表面获得约3 0 4 0 u m 厚的亚微米晶层，晶粒尺寸约为l o o n m 。 表面亚微米化后，在常温和高温下，摩擦因数及磨损量减小，常温和高温的耐磨性 都有不同程度的提高 2 研究了所制备的亚微米晶层的热稳定性。结果通过k i s s i n g e r 方程计算得到 的亚微米晶晶粒长大的激活能比未处理样品高1 6 1 k j m o l ，x r d 结果表明随着退火 温度的升高，b r a g g 峰宽化比较缓慢的减少，晶粒尺寸在1 9 0 - 2 3 0 明显增大，显微 硬度在2 0 0 也明显下降，因此，可以认为7 0 5 0 铝合表面亚微米晶层的热稳定温度为 2 0 0 左右。 3 利用平板硫化实验模拟了轮胎生产时的工作情况，比较了表面亚微米化样品 与未喷丸样品的抗硫化污染性能。结果表明亚微米化表面抗硫化污染性能明显提高， 原因是亚微米化表面致密的氧化膜及良好的自修复性，低反应性，高的表面硬度及 活化表面易于吸附油膜，提高了硫化时的脱模性，表面亚微米级的微凸提高了表面 的润湿角，减少了污染物粘附的面积，故表现出良好的抗硫化腐蚀性能。 4 7 0 5 0 铝合表面亚微米化后在3 5 n a c l 腐蚀溶液中电化学腐蚀性能有所提高， 喷丸后自腐蚀电位提高，自腐蚀电流降低。原因：表面亚微米化后在表面层更容易形 广东工业大学硕士毕业论文 成一层氧化膜，另外细化的金属亚微米组织，在自然条件下更容易钝化形成致密的 薄膜，金属基体能被有效保护起来，使得氧化过程放缓，提高抗蚀性。 关键词：铝合金；喷丸；表面亚微米化；摩擦磨损性能；热稳定性；硫化污染；化 学稳定性 i l a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，n a n o c r y s t a l l i n es t r u c t u r eo f a 1a l l o yh a db e e na t t a i n e dt h r o u g ht h e s u r f a c en a n o - c r y s t a l l i n et e c h n o l o g y ，s i n c ei th a sas e r i e so fe xc e l l e n tm e c h a n i c a la n d p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s 1 2 ，w e r ep r e l i m i n a r yu s e di nt h ef i e l do fr u b b e r m o l d sp r o d u c t i o n b u t ，t h es u r f a c en a n o - c r y s t a l l i n ew a sa p p l i e dt o7 0 5 0a 1a l l o yt i r em o u l d ，i tw a s d i f f i c u l tf o r m a k i n gt h et e c h n o l o g yi n d u s t r i a l i z a t i o n ，b e c a u s e7 0 5 0a 1a l l o yt i r e d i e - c a v i t yr o u g h i n gs t r e n g t hi s n o tv e r yh i g h ，w a l l o po fa l l o ys u r f a c eg r a i nw h i c hw a s r e f i n e du pn a n o s c a l ew a st o ob i g ，i tc a nb r e a kt e n d o n sa n da r r i so fm o l da n dd a m a g e m o l dc a v i t y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp r o p o s e dak i n do fs h o tp e e n i n gm i c r o - c r y s t a l l i n e ( g r a i ns i z ec l o s e dt oa b o u t 10 0 n m ) ，a n d a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fm i c r o c r y s t a l l i n et h e p r o c e s so ft y r em o u l d so nt h es u r f a c e ，w h i c hw a se x e r t e db yp r o c e s sp a r a m e t e r so f p r o j e c t i l ed i a m e t e ra n ds h o tp e e n i n gt i m e ，m i c r o c r y s t a l l i n el a y e r so fw e a rr e s i s t a n c e ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，e l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c eo fs u l f i d ea n dt h ei n f l u e n c el a ww e r e r e s e a r c h e d t h es p e c i a lp r o p e r t i e so ft h em i c r o c r y s t a l l i n em a t e r i a l sw a sh o p e dt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft y r em o u l d s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so fp a p e rw e r ea s f o l l o w s ： 1 t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tt h eo p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r so fs u r f a c e m i c r o c r y s t a l l i n e7 0 5 0a 1a l l o yh a dr e a l i z e d ，i n c l u d i n gs h o tp e e n i n gp r e s s u r e ，s h o t p e e n i n gt i m e ，p r o je c t i l ed i a m e t e r ，e t c m i c r o - c r y s t a l l i n el a y e ro fh a r d n e s sa n dw e a l p e r f o r m a n c ew e r ed e t e r m i n e d 2 t h et h e r m a ls t a b i l i t yo fm i c r o c r y s t a l l i n el a y e rw a ss t u d i e d e x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t e dt h a ta c t i v a t i o ne n e r g yo fg r a i ng r o w t ho i lm i c r o p a r t i c l i z a t i o nt r e a t m e n to ft h e s u r f a c eo fa l u m i n u ma l l o yw e r em o r e16 1k j m o lt h a nu n t r e a t e ds a m p l e s n a m e l y ，t h e t r e a t e d s a m p l e sp o s s e s sr e l a t i v e l ye x c e p t i o n a l t h e r m a l s t a b i l i t y t h e r e s u l t so f m i r c o h a r d n e s sf l sw e l la sx r da n a l y s i sm e e ta g r e e m e n tw i t hd s cc u f v e s ，t h e r e f o r e ， m i c r o c r y s t a l l i n el a y e rh e a ts t a b l et e m p e r a t u r eo f7 0 5 0a l u m i n u ma l l o ys u r f a c ew a s a b o u t2 0 0 i i i 广东工业大学硕士毕业论文 3 t t r e sp r o d u c t i o nw o r kc o n d i t i o nw a ss i m u l a t e db yp l a t ev u l c a n i z i n ge x p e r i m e n t a l ， c o m p a r e dw i t h s u l f i d ep o l l u t i o nr e s i s t a n t p e r f o r m a n c eb e t w e e nt h eo r i g i n a l a n d a s p r e p a r e ds a m p l e s t w op l a t es u l f u rv u l c a n i z a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t ，w h i c h r e s p e c t i v e l yf o c u s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no fd u r a t i o na n dc y c l e so fs u l f u rv u l c a n i z a t i o n b o t ho ft h et w oe x p e r i m e n t s r e s u l t ss h o wt h a tt h et r e a t e d s a m p l eo w n e db e t t e r a n t i f o u l i n gp e r f o r m a n c et h a nt h eo r i g i n a lw h i c hc a l la t t r i b u t et ot h ec o o p e r a t i o no ft h e t r e a t e ds u r f a c ew i t hl o wr e a c t i o np r o p e r t i e s ，a n dt h ec o o p e r a t i v eb i n a r ys t r u c t u r e sa t m i c r o - m e t e rs c a l e sw h i c hr e d u c et h ee n e r g i e so ft h es u r f a c e sf o ro n et h i n ga n df o r a n o t h e rt h i n gr e d u c et h ea d h e r i n ga r e a sf o rt h ef o u l i n g 4 e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o np e r f o r m a n c eo fs u r f a c e m i c r o c r y s t a l l i n ea 1a l l o y s a m p l e si nc o r r o s i v em e d i u mo f3 5 n a c ls o l u t i o nh a si m p r o v e dt ov a r y i n gd e g r e e s ， t h ec o r r o s i o np o t e n t i a lo fa s p r e p a r e ds a m p l e sh a si m p r o v e d ，t h ec o r r o s i o nc u r r e n ta l s o c o r r e s p o n d i n g l yr e d u c e d t h i ss h o w e dg r a i nr e f i n e m e n to fa l u m i n u ma l l o ys u r f a c ew a s m o r el i k e l yt of o r mal a y e ro fo x i d el a y e ra n dt h eo t h e rw a sb e c a u s eo fe x i s t i n g r e f i n e m e n tm i c r o c r y s t a l l i n eo r g a n i z a t i o nw a sf o r m e dt i n ya n dd e n s i f yf i l mi nn a t u r a l c o n d i t i o n so fo x i d e ，s oa st oe f f e c t i v ep r o t e c tm e t a ls u b s t r a t e ，w h i c hm a d eo x i d a t i o n p r o c e s ss l o w i n g t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c ew a se n h a n c e d k e y w o r d s ：a l u m i n u ma l l o y ；s h o tp e e n i n g ；s u r f a c em i c r o e r y s t a l l i n ec h a n g e ；t h e r m a l s t a b i l i t y ；s u l f i d ep o l l u t i o n ；e l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c e i v 广东工业大学硕士毕业论文 c o n te n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i i i c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2s u r f a c ee n g i n e e r i n gd e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dr e s e a r c ha c t u a l i t y 1 1 3s h o tp e e n i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dr e s e a r c ha c t u a l i t y 2 1 4s h o tp e e n i n gr e i n f o r c e m e n ts c h e d u l ea n dm e c h a n i s m 3 1 5 s h o tp e e n i n gt e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s 5 1 6 s h o tp e e n i n gt e c h n o l o g yo p p o r t u n i t ya n dc h a l l e n g e 6 1 7 p r o p e r t i e so f a l u m i n u ma l l o y 7 1 8 a f t e rt h es h o t p e e n i n g t r e a t m e n to ft h ee f f e c ta l u m i n i u ms u r f a c eg r a i n s r e f i n e m e n t 9 1 8 1 t h ep e r f o r m a n c eo f t h em a t e r i a ls u r f a c e 9 1 8 2o v e r a l lp e r f o r m a n c e 1 2 1 8 3c h e m i c a ls t a b i l i t y 1 3 1 9 s u r f a c em i c r o c r y s t a l l i z a t i o nr e s e a r c hd e v e l o p m e n ta n do u t l o o k 1 4 1 1 0 t o p i c ss i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hc o n t e n t 1 5 c h a p t e r2m i c r o c r y s t a l l i z a t i o nl a y e rp r e p a r a t i o n 17 2 1i n t r o d u c t i o n 1 7 ， 2 2e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n dm e t h o d s 17 2 2 1e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s 17 2 2 2t h ep r e p a r a t i o no ft h es a m p l e s 18 2 3e l e c t r o l y t i cp o l i s h i n gc r a f tp a r a m e t e rs e l e c t i o n 一18 2 3 1e l e c t r o l y t i cp o l i s h i n ge x p e r i m e n ta n da n a l y s i s 1 8 v i i i c o n t e n t s 2 4e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s 2 2 2 4 1a n o d i co x i d ef i l md i s p l a yo r g a n i z a t i o nm o r p h o l o g y 2 2 2 4 2a n o d i co x i d ef i l mx r dc o n t e n tp h a s e a n a l y s i s 2 6 2 4 3a f t e rt h es h o tp e e n i n gc r o s s - s e c t i o n a ld e f o r m a t i o nl a y e ro b s e r v a t i o n s 2 6 2 4 4m i c r o c r y s t a l l i z a t i o nl a y e rx r d a n a l y s i sa n dg r a i ns i z ec a l c u l a t i o n 2 8 2 4 5m i c r o c r y s t a l l i z a t i o nl a y e rm i c r o h a r d n e s sa n a l y s i s 3 0 2 4 6m i c r o c r y s t a l l i z a t i o nw e a r a b i l i t ya n a l y s i s 3 2 2 4 7m i c r o c r y s t a l l i z a t i o nl a y e rf r i c t i o nf a c t o ra n a l y s i s 3 3 2 48t h ec h a n g e so f c o e f f i c i e n tf r i c t i o ni nw e a rp r o c e s s 3 4 2 4 9t h ei n f l u e n c eo f h a r d n e s so nf r i c t i o nc o e f f i c i e n t 3 5 2 4 10m i c r o - c r y s t a l l i z a t i o nl a y e rh i g ht e m p e r a t u r ew e a r a b i l i t ya n a l y s i s 3 6 2 5s u m m e r yo fc h a p t e r2 3 9 c h a p t e r3t h e r m a ls t a b i l i t yo fm i c r a - c r y s t a l l i z a t i o nl a y e r s 4 0 3 1i n t r o d u c t i o n 4 0 3 2e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e s 4 0 3 2 1 e q u i p m e n ta n dm a t e r i a l s 4 0 3 2 2e x p e r i m e n tm e t h o d 4 1 3 3e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s 4 1 3 3 1m i c r o - c r y s t a l l i z a t i o nl a y e ro r g a n i z a t i o nm o r p h o l o g y 4 1 3 3 2s u r f a c em o r p h o l o g yo b s e r v a t i o na n da n a l y s i s ( s e m ) 4 2 3 3 3m i c r o - c r y s t a l l i z a t i o nl a y e rx r da n a l y s i s 4 2 3 3 4m i c r o - c r y s t a l l i z a t i o nd s c a n a l y s i s 4 3 3 3 5a f t e rh e a t i n gt r e a t m e n t ，m i c r o - c r y s t a l l i z a t i o nl a y e rx r d a n a l y s i s 4 5 3 4s u m m e r yo fc h a p t e r3 4 7 c h a p t e r 4o fm i c r o - c r y s t a l l i z a t i o nl a y e rv u l c a n i z a t i o nf o u l i n gb e h a v i o r 4 8 4 1i n t r o d u c t i o n 4 8 4 2e x p e r i m e n tp r e p a r a t i o na n dm e t h o d s 4 8 4 2 1e q u i p m e n tm a t e r i a l sa n dm e t h o d s 4 8 4 3e x p e r i m e n tp r i n c i p l e 5 0 4 4e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s 51 i x 广东工业大学硕士毕业论文 4 4 1af i r s tg r o u pv u l c a n i z a t i o nt e s tr e s u l t sa n a l y s i s 51 4 4 2as e c o n dg r o u po fs u l f i d et e s tr e s u l t sa n a l y s i s 5 2 4 4 3t h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o nf a c t o ro ns t r i p p i n gp e r f o r m a n c e 5 5 4 4 4t h ei n f l u e n c eo fh a r d n e s so ns t r i p p i n gp e r f o r m a n c e 5 6 4 4 5t h ei n f l u e n c eo fw e t t a b i l i t yo ns u l f i d ec o r r o s i o n 5 6 4 5s u m m e r yo fc h a p t e r4 5 9 c h a p t e r 5m i c r o - c r y s t a l l i z a t i o nl a y e rc h e m i c a ls t a b i l i t y 6 0 1 ；1i n t r o d u c t i o n 6 0 5 2e l e c t r o c h e m i c a le x p e r i m e n t s 6 0 5 3t h ea n o d ep o l a r i z a t i o nc u r v ea n a l y s i s 6 2 1 ；4c o r r o s i o nm o r p h o l o g y a n a l y s i s 6 3 5 5s u m m e r yo fc h a p t e r5 6 4 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 6 5 r e r e r e n c e s 6 6 d u r i n gam a s t e r ss c i e n t i f i cr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s 7 3 o r i g i n a lc r e a t i o ns t a t e m e n t 7 4 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 5 x 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀1 ：匕 表面工程技术发展到现在已经有很悠久的历史，在中国古代，像淬火技术、桐 油漆防腐技术等。在基础理论的研究方面，近代的金属热处理、腐蚀与防护学、焊 接学、光电子学等多种基础学科对表面工程技术在新理论方面的突破有一定的影响 并成功的应用于工程之中。表面工程概念的提出始于2 0 世纪8 0 年代。l9 8 3 年英国 t b e l 教授首先提出了表面工程的概念。表面工程技术的应用对提高产品的性能， 降低成本，节约资源具有十分重要的意义。表面工程技术将成为主导2 1 世纪工业发 展的关键技术之一。 1 2 表面工程的发展过程及研究现状 磨损、腐蚀和断裂是机械零部件、工程构件的三大主要破坏形式，他们所导致 的经济损失十分巨大，而以磨损与腐蚀最大。众所周知，磨损和腐蚀均发生于机件 表面材料流失过程，而且其他形式的机件失效有许多是从表面开始，采用表面防护 措施延缓和控制表面的破坏，成为解决上述问题的有效方法，在解决问题的同时， 促进了表面工程科学与表面技术的形成与发展。表面工程技术围绕腐蚀，磨损和腐 蚀三大因素，成为2 l 世纪发展的七大关键技术之一，这为s u r f a c ee n g i n e e r i n g 的发展、创新和应用提供了很好的平台。同时，随着现代工业的迅猛发展，对产品 表面的性能要求越来越高，改善材料表面性能，会有效地延长产品的使用寿命，提 高生产力，节约资源，减少环境污染；它为表面工程技术提出了更高的挑战。表面 工程的发展可划分为以下三个阶段：第一阶段，以单一表面工程技术的品种增加、 工艺成熟为主要特征，包括堆焊、热喷涂、电镀、电刷镀、化学镀、化学热处理、 离子注入、真空熔结、激光熔覆、激光处理、电子束熔覆、物理气相沉积、化学气 相沉积、黏涂、涂装等，他们也成为第一代表面工程技术。第二阶段，以复合表面 工程技术的出现和协同创新为主要特征，即将两种或多种传统的表面技术复合应用， 起到“1 + 1 2 的协同效果。例如，热喷涂与激光( 或电子束) 重熔的复合，热喷涂 与电刷镀的复合，化学热处理与电镀的复合，多材质、多层薄膜技术复合，表面纳 广东工业大学硕士毕业论文 米化加工与渗氮技术的复合等等。这些技术复合己成为表面性能的“倍增器 。这 种复合表面工程技术，又称为第二代表面工程技术。第三阶段以微纳米材料与传统 表面工程技术的结合与实用化为主要特征。因此，传统表面工程技术与微纳米材料 结合将是未来发展的重点。表面工程加工的目的就是让表面层产生残余应力，由于 其形成的原因比较复杂，而且不容易测量，但是金属表面存在残余应力能产品的寿 命。一般而言，当产品表面产生残余拉应力时，会导致疲劳强度下降，相反当表面 产生残余压应力时，疲劳强度会得到提高。因此，在机加工时，尽量让使产品表面 不产生残余拉应力而产生残余压应力。而比较普遍采用的工艺是，在加工过程中增 加一道表面形变强化工艺。这是一种通过机加工来增强晶体缺陷密度，形成非平衡 结构强化层，即通过机械方法使金属表面产生塑性变形，造成高密度的位错和亚晶 碎化，形成高硬度、高强度、并存在残余压应力的加工方法。用得较多的方法表面 形变强化处理能使表面产生塑性变形层和表面残余压应力，其强化原因是由于材料 表面组织结构的变化、引入残余压应力和表面形貌发生变化之所致。当材料表层承 受剧烈冲击产生形变硬化层，在此层内产生两种变化：一是在组织结构上，亚晶粒 极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；二是形成了高的宏观残余压应力。表 面形变强化是提高金属材料使用寿命的措施之一，而表面形变强化最常用的是喷丸 强化。 1 3 喷丸技术的发展过程及研究现状 1 9 世纪7 0 年代，第一台喷丸器出现，它采用机械离心式进行喷砂加工，由此 喷丸机的核心部件喷丸器的正式诞生。1 9 0 8 年，钢丸被美国制造出，金属弹丸 的出现，导致喷砂工艺获得迅速发展，而且一种金属表面强化技术一喷丸也产生了。 1 9 2 9 年，美国z i m m e r l i 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。4 0 年代后，喷丸表面强化技术开始被广泛应用。到了上世纪7 0 年代 末，随着喷丸清理和喷丸强化技术的迅速发展，喷丸机械的研究进入了一个新的时 期，从此，喷丸机械的发展步入了下一个快速发展的时期。 喷丸过程就是高速运动的弹丸撞击零件表面并使表层产生塑性变形的过程。为 使零件不同部位的表面获得不同深度的塑变层，需要提供可控速度的弹丸流，以及 使零件作一定方式运动的工艺装备，这些要求将由喷丸机和强化用弹丸完成。 目前，根据弹丸获得动能的方式，可将喷丸机分为两种类型，气动式喷丸机和机械 2 第一章绪论 离心式喷丸机。如果按照其使用的场合，又可将喷丸机分为；可携式与固定式喷丸 机。但是不管那种类型的喷丸机，一般包括下面几个主要部分；a 强化工作室；b 提升弹丸机构；c 筛选弹丸机构；d 电控系统。喷丸强化用的介质是弹丸。弹丸的 材料一般可分为黑色金属、有色金属及非金属弹丸。喷丸所用的弹丸要求如下：1 ) 它应具备圆球形状，2 ) 弹丸在具有一定冲击韧性的情况下，其硬度越高越好。目前 最先进的喷丸技术是旋片喷丸、超音速式喷丸、小孔喷丸、混合水射流喷丸，旋片 喷丸的原理是通过特种胶粘剂使其牢固的粘着在旋片上，旋片高数旋转，使弹丸反 复撞击基体表面已达到强化目的。由于旋片喷丸强化设备简单，操作方便，可以对 机械设备上的零件在现场不解体进行表面强化。美国在这方面达到了很高的水平。 超音速式喷丸机采用液体燃料或气体燃料与高压空气在喷枪燃烧室内混合燃烧膨胀 产生的高速焰流带动弹丸，使弹丸以非常高的的速度喷向零件表面，从而可以获得 高效优质的喷丸强化效果，特别适用于大型结构件表面喷丸强化。小孔喷丸机与常 规喷丸加工设备相比，在结构上、控制上、喷丸加工工艺等方面的要求很高，目前， 掌握了小孔喷丸加工及其控制技术的国家比较少。混合水射流喷丸机采用混合丸粒 供给方式，由供给系统输入的弹丸在混合室与高速水射流相混合，获得很高的速度 后经弹丸喷嘴喷射到零件表面上，从而实现高效、优质、无污染、高强度等的喷丸 强化效果。 1 4 喷丸强化方式及机理 喷丸强化的过程是将大量高速运动的弹丸( 钢丸、铸铁丸、玻璃丸、硬质合金 丸) 喷射到零件表面，犹如无数的小锤反复锤击金属表面。由此，金属零件表面将 产生极为强烈的( 相当于最大程度的压应力加工所产生的) 塑性变形。这种变形使 零件表面产生一定厚度的冷作硬化层，并产生一层残余压缩应力，此表面层称为表 面喷丸强化层。 喷丸形变强化可以在金属表面形成一层晶粒细化组织，这就便于在金属表面引 入硬度高、耐蚀性强的元素，在合金表面得到性能优异的强化层。这一强化层与基 体之间有一个梯度分布，因而结合牢固，不易脱落，相比于其它表面处理得到的强 化层有较高的使用寿命。喷丸是很有效的一种处理方法，利用它进行表面强化处理， 不仅可以提高表面强度，而且能使表层与基体之间形成一层残余压应力，这可以大 大提高材料的抗疲劳性能，增强合金作为结构材料的强度，增加其使用寿命。合金 3 广东工业大学硕士毕业论文 经过喷丸处理后，表面形变层存在较大的残余压应力。喷丸处理可造成样品表层晶 粒细化、点阵畸变和位错密度增高，即发生明显的显微组织强化效应。这可以有效 提高材料表层的屈服强度口q 1 。通过大量的实验发现，喷丸对强合金等材料，能显著 提高其疲劳强度。这是由于两方面原因的结果，一方面表面层组织为冷变形组织， 另一方面表层保留较高的残余压应力值。 喷丸加工法的作用过程和表面晶粒细化形成机制合金在外加载荷( 不锈钢珠高 速撞击) 的重复无规则作用下，金属材料表面的粗晶组织被不同方向喷射来的钢珠 ( 有一定冲量，可具体控制) 剧烈打击，产生强烈塑性变形，使得表面粗晶产生大量 的缺陷( 由碰撞产生的) ，缺陷的进一步形成和发展，最终导致晶粒细化，直至晶粒 细化得很小。这种通过喷丸强化使金属表面晶粒细化的过程主要包括：在钢罐中放 置大量的球形钢丸，弹丸在钢罐内被高速喷出，以随机的方向与金属表面发生碰撞。 当金属表面的某些晶粒达到滑移系剪切应力的临界值时，就可以移动产生位错。样 品在随后的任意次碰撞中，弹丸冲击力的大小和方向都会改变，这会使该粗晶其它 的滑移系移动。多滑移系的大量移动会使位错的增殖、运动，原来的粗慢慢就会裂 变成大量的细小晶粒，于是就产生了大量的晶界，从而表面原子数呈指数增加，最 终的结果是金属表面晶粒进一步细化。所以需要增加载荷的强度和碰撞的频率，才 能使弹丸以随机的方向在金属的表面进行无规则的碰撞。由正压力和剪切力组成的 应力系统是由于喷丸的作用在金属表面形成的，喷丸可在金属表面产生强烈的塑性 变形，以致在表面形成细小的晶粒。金属材料通过喷丸处理后，表面的塑性变形与 最大程度的压力加工相当。这种塑性变形在金属表面产生一定厚度的加工硬化层一 一喷丸强化层。就组织结构而言，强化层内形成了密度极高的位错。在温度和交变 应力两者其一作用或者同时作用时，方向相反的位错遭遇后会相互抵消，方向相同 的位错则会重新排列，从而形成多边形化。此时强化层内位错密度尽管有所下降， 但随后会形成更加细小的亚晶粒。就应力状态而言，由于金属的变形在内层与表层 具有不均匀性，当表层塑性变形向四周延伸时，由于受到内层金属的阻碍，使得较 高的残余压应力在强化层内形成。所以，喷丸表面强化层与内层材料组织结构和应 力状态是完全不同的。细小亚晶粒和高密度位错提高了金属表层的屈服强度。通过 局部强烈塑性变形使金属表面产生了大量的缺陷( 如孪晶、位错、层错和剪切带) 。 当位错密度增加到一定程度时，杂乱的缺陷会产生湮灭、重组以及复合成小角晶界。 当塑性变形继续增加时，位错不断产生，并且与原来的亚晶界复合，从而使亚晶之 4 第一章绪论 间取向不断增大，最后成为大角度晶界。最终导致金属表层结构由原来的粗大晶粒 被粉碎细化成细小的晶粒。 1 5 喷丸强化工艺特点 喷丸是进行抗疲劳力强化的方法之一，这是因为在喷丸过程中，弹丸动能其中 一部分让金属材料表层吸收，从而导致在再结晶温度下金属表层产生塑性形变层一 一冷作硬化层，呈现出残余应力分布和理想的组织结构