（航空宇航制造工程专业论文）300m钢喷丸强化工艺中打磨问题的研究.pdf

摘要3 0 0 m 钢是一种被广泛应用于飞机起落架等关键零件制造的低合金超高强度钢。本文基于国内某航空企业的需要，对3 0 0 m 钢零件喷丸强化后打磨处理对其强化效果的影响及其影响机理进行了研究。本文的试验内容包括：试样加工、喷丸强化及打磨处理、表面残余应力场测定、表面粗糙度测定、三点弯曲疲劳试验、断口分析等工作。本文首先对喷丸强化对3 0 0 m 钢残余应力及疲劳性能的影响进行了研究。通过x 射线应力测定，研究了相同试样在低强度、中强度、高强度喷丸后试样表层残余应力的分布及变化特点；通过三点弯曲疲劳试验，研究了不同强度的喷丸强化对试样疲劳性能的影响。研究说明，喷丸强度并非越大越好。本文研究的重点是对喷丸强化后打磨对3 0 0 m 钢残余应力及疲劳性能的影响问题进行研究。通过x 射线应力测定和三点弯曲疲劳试验，研究了喷丸强度相同的试样经过不同去除量的打磨后试样残余应力及疲劳性能变化的特点。在此基础上，分析了喷丸标准中规定喷丸后打磨处理去除量不可以超过阿尔门( a 1 m c n ) 强度值的1 1 0 的原因。研究证明，喷丸后对零件进行适量的打磨处理有利于提高零件的疲劳性能。关键词：3 0 0 m 钢，喷丸，打磨，残余应力，疲劳a b s t r a c ta b s t r a c t3 0 0 ms t e e l i sak i n do fl o wa l l o yu l t r a 坷曲s 仃e n g ms t e e l ，w h i c hi s 、 ，i d e l yu s e di l lt h em a l l u f a c t u r eo fs e v e r a lk e yp a n s ，f o re x a m p l e ，t i l ea i r c r a f tl a n d i n gg e a lb a s e do nt h er e q u i r e m e n to fad o m e m ca v i a 主i o ne m e r p r i ，t l l ei 1 1 n u e n c eo fp o l i s l l i n ga n e rs h o tp c e 伍n g o n3 0 0 ms t e e la i l d i t s m e c h a i l i 锄a r e s t u d i c d i n t h i s p a p e r t 1 1 i sp a p e r t se x p e r i m e n t si n c l u d es p e c i m e n s 。m a n k t i l r e ，s h o tp e e n i i 玛a r i dp o l i s l l i n 舀s i d u a ls 仃e s sm e n s m t i o i l ，吼i r f k er o l l l ；h n e s sm e n s u m t i o n ，f a t i g u et e s t sa n d丘烈柚r es 曲c e 锄l y s i s f i r 8 t ，t h ei l i f l u e r l c co fs h o tp e e i l i n go nr c s i d u a ls t r _ c s sa n df - a t i g u ep e r f o n l 蚴n c e 帆3 0 0 ms t c e lw 鹤s t l l d i e d b yt h ew a yo fx - r a ys n e s sm e 舔嗍c n t m ec h 缸a c t l 嘶s t i c so fr 嬲j d 删s 仃e s sd j s t r i b u t i i ，no f 渺j m e 璐，删c hw e f es h o p e e n e da td j f f 渤ti m e n s j t j e s ，啪s t i l d i e d ；孤db yt l l ew a yo ft h l 陀e p o i n tb e n d i r i gf a t i g i l et e s t ，m ei i l n l l c n c eo fs h o tp e c i l i n gi n t e l l s i t yo n3 0 0 m 鼬ls p e c i m e i l s 。f a t i g u cp e r f o m 啪c ew a ss n 】d i e d s t u d i e ss h o wt h a tt 1 1 es h o tp e e n i n gi n t e 璐i t yi sn o ta l w a y st h el l i g h c rm eb c t t e lt h ef o c i l so f t l l i sp a p e ri s 血es t u d yo nt h c 砌u e n c eo f p 0 1 i s h i n ga f i e rs h o tp e e i l i i l go n3 0 0 ms t e e l b yt h ew a yo f x - r a ys 仃e s sm e 嬲l l r e m e n t 姐dt 1 1 r e e - p o i t l tb e n d i n gf 缸i 磬璩t e s t ，t h ec h 触a c 矧s t i c so fr e s i d i l a ls 饪e 豁d i s 雠b u t i o n 勰df a t i g u ep e d b n 】啕n c eo ft l l es p _ c c i m e i l sw e r es t i l d i e d ，w h i c hw e 北s h o tp c e n e da tt l l e 锄ei m e f l s i t i e sb u tp o l i s h e da t蛐f e r e n td e 础l s o nt 1 1 i sb 嬲i s ，t h er e a s o nw h ys h o tp e e n i n gs t 锄d a r d sp r 0 v i d et l m tm ed e p t ho fm e a 薹r e m o v a ld o e sn o te x c e e dl o o ft h es p e c j n c da r ch e i g h tw 私a i l a j y s e d r e s e a r c hs h o w sm a tp r o p e fp o l i s h i i l ga f i e rs h o tp c e l l i n go n3 0 0 ms t e e li sg o o dt oi n c r e a s ei 协f a t i g i l ep e r f 嘶m a n c e k e yw o r d s ：3 0 0 ms t e e l ，s h o tp e e n i 参p o k s h m g ，豫s i d n a is t r s s ，f a | i g h eh西北工业大学业学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：捌、指导教师签名年月日碰年月日西北工业大学学位论文原创性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名年月日1 。1 课题的研究背景与意义1 绪论3 0 0 m 钢是美国国际镍公司于1 9 5 2 年研制的一种低合金超高强度钢( 哪=1 9 6 3 m p a ，伽2 = 1 6 1 5 m p a ) ，具有强度高、横向塑性高、断裂韧性高、疲劳性能优良、抗应力腐蚀性能好等特点，用其制造起落架不但结构尺寸较小，而且与飞机机体同寿命使用，即使使用寿命长达数万小时的民航客机也是如此。我国于8 0 年代中期开始仿制该钢种，1 9 9 0 年通过技术鉴定，现在广泛应用于飞机起落架和抗疲劳螺栓等关键零件的制造中。由于3 0 0 m 钢对应力集中、氢脆、应力腐蚀敏感，所以在零件设计时必须运用疲劳设计准则，尽可能降低应力集中水平；另外，在制造过程中，还要采取行之有效的工艺措施( 如整体锻件、真空淬火、控制机械加工、表面强化、表面防护) ，这样才能发挥3 0 0 m 钢的性能潜力。喷丸是一种广泛使用的材料表面冷加工方法，喷丸强化所引起的残余压应力场可明显改善材料的疲劳性能和抗腐蚀性能，在飞机、坦克、汽车和各种机械设备的齿轮、弹簧、活塞杆、叶片及模具等的表面清理、提高使用寿命与防腐能力方面发挥了重要的作用。在飞杌起落架的制造过程中，起落架的外筒、活塞杆等零件在加工成形后都需要进行喷丸强化处理。而在此前的机加过程中，零件表面可能会留下一些不易察觉的凹凸界面，零件经过喷丸强化后，这些凹凸界面会明显地显现出来，所以需要对喷丸后的零件表面人工用风枪进行打磨抛光，使其平整。但打磨过程势必去除一定深度的喷丸所形成的残余压应力层，进而影响到喷丸的效果：残余应力及疲劳性能。对此，工艺上仅规定参照喷丸标准来操作，对于喷丸后打磨有何影响及其影响的机理并不清楚。国内外的喷丸标准中都严禁喷丸后进行有损喷丸的机械加工。当特殊情况下必须要加工时，喷丸标准中都对此做了规定。如我国航空工业指导性标准h b z2 6 1 9 9 2 规定：喷丸表面的去层深度不应超过该表面阿尔门( a l n l ) 强度值的1 5到1 1 0 ；对抗拉强度小于1 4 0 0 m p a 的金属件去层深度可选l ，5 ，高强度钢则选1 1 0 。( 阿尔门强度值说明见后表1 1 )但是，由于打磨的操作完全靠人工，它很难保证达到产品图纸引用标准规定的去除量要求。当不小心打磨量比较大时，按标准要求必须对打磨处进行补喷，西北工业大学硕士论文然而实际上工厂往往为了提高喷丸效率就省略了补喷环节，从而有可能影响起落架零件的使用性能。针对喷丸后打磨对喷丸效果影响的问题，尤其是其影响的机理，国内航空企业认识还不够透彻。鉴于起落架在整个飞机制造环节中的重要性，对3 0 0 m 钢喷丸强化后打磨对喷丸效果的影响，必须予以深入研究，把打磨对喷丸影响的机理研究清楚，从而避免因忽视而造成重大损失。基于航空企业对3 0 0 m 钢喷丸强化后打磨对其强化效果的影响机理的研究需求，作者通过残余应力测定及疲劳试验等技术手段，对3 0 0 m 钢试样经不同喷丸强化及打磨后表层的残余应力分布以及疲劳性能等变化的特点进行了研究，对喷丸后打磨对喷丸强化效果影响的机理进行了探索。1 2 相关研究进展并非所有零件在喷丸强化后都需要打磨，打磨的情况不是很多，但也绝非是少有的小问蹶。由于飞机起落架及其制造的重要性，制造环节中任何一个细小环节的失误都有可能影响到起落架最终的使用性能和寿命。因此，对3 0 0 m 钢喷丸强化后打磨对喷丸效果的影响进行研究是非常必要并且重要的。3 0 0 m 钢原是美国国际镍公司于1 9 5 2 年研制的，我国于8 0 年代才开始仿制，1 9 9 0 年通过航空航天工业部及冶金工业部联合技术鉴定并开始使用。对于3 0 0 m钢的各种性能，国外的研究必然已经非常的深入和透彻，但由于其用途的特殊性，在网络数据库中查得的相关资料非常少，仅仅有国内学者在外刊上发表的相关英文版文献【i 】。因此国内对3 0 0 m 钢的研究只能靠自已的力量去实现。对此，我国相关单位在努力完成3 0 0 m 钢的仿制后，经数据整理、汇集，由航空航天部第六二一研究所编写并出版了3 0 0 m 钢性能数据手册【2 】一书。书中涉及国产和美国3 0 0 m钢不同的尺寸规格，记录了3 0 0 m 钢在研制及鉴定过程中所得到的大量的试验及性能数据。这本书成为作者对3 0 0 m 钢认识并进行研究的首要参考资料。国内目前可查的专家学者的研究文献中，针对3 0 0 m 钢材料的研究并不多。而且大多数文献的研究重点都集中于喷丸强化的理论与工艺的优化上，对于本文所要研究的喷丸强化后打磨抛光所带来的影响问题虽有涉及，但非常有限，目前为止还没有发现有专门针对此问题进行研究的文献，尤其缺乏对这种影响机理的深入研究。北京航空材料研究院、燕山大学材料系、哈尔滨工业大学等单位对3 0 0 m 钢及其喷丸强化工艺做过深入研究【l j 吲。对3 0 0 m 钢喷丸强化工艺参数与材料表面强化与损伤的关系，强化工艺参数对表面粗糙度、残余应力的影响，以及材料表面层2的这些变化与疲劳强度的关系等进行了系统性的研究。认为对于3 0 0 m 超高强度钢，存在一最佳喷丸强度，偏离该值均不能获得最佳的表面强化效果；喷丸引入的表层残余压应力场的主要作用是转移疲劳源的成核位置。这些研究中虽然未涉及喷丸后打磨的情况，但是他们对3 0 0 m 钢的喷丸强化进行了大量深入的研究，为本文对3 0 0 m 钢喷丸强化后打磨问题的研究打下了坚实的基础。除此之外，可查的其它文献中都未指明是针对3 0 0 m 钢进行的研究，但是其中一些研究成果，比如喷丸处理的强化效应等各种理论对于本文研究的3 0 0 m 钢喷丸后打磨对喷丸效果的影响问题还是有重要的参考意义的。在喷丸强化形成的残余应力场方面，北京航空材料研究院的高玉魁等人1 7 q o 】对常见几种高强度钢在不同喷丸强化规范下引入的残余压应力场进行了深入研究，归纳了喷丸强化残余压应力场的特点，指出喷丸强度并非越大越好，喷丸强度过大，会造成表面残余应力降低，表面粗糙度增大，弓l 起应力集中，从而降低疲劳性能。在喷丸强化的机制方面，北京航空材料研究院的王仁智与哈工大的姚枚等人研究总结了喷丸强化综合效应理论【1 1 1 ，认为在忽略喷丸引起的表层材料循环硬化软化影响的前提下，参与喷丸强化的因素有残余压应力场、表面粗糙度和材料本身的表面疲劳极限( s f l ) 和内部疲劳极限( i f l ) 四项。在表面残余应力及表面粗糙度相互竞争并共同作用的情况下，疲劳源可能萌生于材料表面或内部，这是这些因素共同作用，驱赶疲劳源的结果。另外，王仁智在文献【6 】中也指出：材料在喷丸强化后将发生以下几种变化：组织结构( 亚晶粒尺寸、位错密度及组态、相转变等) 的变化、表层残余应力场的形成、表面粗糙度( 即应力集中) 的变化。而这些变化对材料力学性能的影响又表现为强化与弱化两种方式。作为强化机制有组织强化与应力强化，而作为弱化机制实质上就是表面上的应力集中。他们在喷丸强化机制研究中所使用的试验材料，虽然未包含有3 0 0 m 钢，但是对于本文对3 0 0 m 钢喷丸强化的研究，具有很强的指导意义。燕山大学的张志建在这些理论的基础上对喷丸件表象疲劳极限及喷丸工艺优化问题进行了进一步分析【1 2 1 ，指出了现行的以试片的弧高值作为喷丸强度评价标准的不合理性，提出了对于4 0 c r 钢，使喷丸形成的残余压应力场深度为奥氏体晶粒平均直径的1 0 1 5 倍的喷丸强度为最佳喷丸强度的喷丸工艺优化准则。但是，对于该方法在生产实际中的实用性并未详细说明，且这种优化准则还仅限于该文所研究的几种材料，对于其它材料( 比如3 0 0 m 钢) 的情况还未有研究。另外，该论文在对4 0 c r 钢材料喷丸件表象疲劳极限及喷丸工艺的优化进行深入研究的过程中，对喷丸后磨削的情况做了试验对比，认为喷丸后磨削可以降低表面粗糙度，西北工业大学硕士论文使疲劳源由材料表面转入内部，进而提高表象疲劳极限。但喷丸强度过大时，表面会受到损伤，使磨削所起的作用降低。即磨削只能部分降低粗糙度对疲劳性能的影响。但是其研究过程中喷丸后的磨削是通过上磨床精磨实现的，而磨削过程不仅仅会降低表面粗糙度，其产生的大量热量必然致使表层材料的组织结构也发生了变化，这所带来的影响是不应忽视的，而且喷丸后进行磨削操作是喷丸标准中严格禁止的，生产实际中喷丸后是绝对不会去上磨床磨削的，真正需要考虑的是喷丸强化后打磨处理对喷丸效果的影响。这正是本文所要进行研究的重点。以上这些学者的研究成果对于本文研究3 0 0 m 钢喷丸强化工艺中的打磨问题都有着很强的指导意义。根据上述文献中的观点，关于喷丸强化工艺中的打磨目前普遍的结论是：过度喷丸会引起零件表面粗糙度增大，引起应力集中，进而在表面产生疲劳源，通过打磨可以部分减弱粗糙度增大对材料表象疲劳极限的影响。对于高强度喷丸的重要零件，喷丸后最好进行轻微打磨。但是，对于喷丸后打磨的去除量应是多少，打磨对喷丸效果影响的机理及实质等问题，目前并没有文献进行过研究。本文在前述学者的理论及研究成果的基础上，通过残余应力测定及疲劳试验等技术手段，从残余应力分布和疲劳性能变化等角度，对喷丸强化对3 0 0 m 钢的影响，以及喷丸强化后不同去除量的打磨处理对3 0 0 m 钢的影响及其机理，进行了深入的研究。1 3 本文研究思路与内容安排1 3 1 研究思路3 0 0 m 钢广泛用于飞机起落架的制造，而在制造环节中，必不可少的要对零件进行喷丸强化。根据喷丸标准规定，喷丸后严禁进行任何有损喷丸的机械加工。但在生产实际中确实会遇到喷丸后还需对被喷表面打磨抛光的情况。对此，喷丸标准中特别规定去除量不得超过喷丸强度弧高值的1 l o 。但是，为何国内外的标准中都如此规定，喷丸后打磨的去除量对喷丸效果、特别是零件的疲劳性能有何影响，成为有待解决的问题。本文针对此问题，对3 0 0 m 钢喷丸强化后打磨抛光的影响进行了比较系统深入的研究。研究主要分为两部分：第一部分是喷丸强化对3 0 0 m 钢残余应力及疲劳性能的影响，主要是通过对不同强度喷丸后的试样的残余应力和疲劳性能的变化结果进行对比来进行研究；第二部分是喷丸强化后打磨对3 0 0 m 钢残余应力及疲劳4性能的影响，各组试样经相同强度喷丸强化后，再进行不同去除量的打磨抛光处理，最后对比分析它们残余应力及疲劳性能的变化。试验具体的分配方案如表l l所示：表l l 试验方案研究内容喷丸强度打磨去除量疲劳试验的试样残余应力测定的试样，m m，m m| 令| 奄a 喷丸强化对3 0 0 m0 1 6 a +01 51钢的残余应力及疲o 2 3 a1 51劳性能的影响o ，4 0 a1 5lb 喷丸强化后打磨对0 2 3 a0 o l 如0 1 51 513 0 0 m 钢的残余应力o 0 2 0 31 5l及疲劳性能的影响0 0 3 5 o 0 4 51 5lo 1 6 a + ：用a 型标准阿尔门试片，经喷丸强化后所测得的弧高值为o 1 6 m m 。1 3 2 内容安排本文各章节的内容安排如下：第一章：绪论本章首先介绍了本文的研究背景、研究意义，然后介绍了国内外相关的研究进展，最后给出了本文的研究内容、研究思路、试验方案，以及各章节的内容安排。第二章：喷丸强化技术本章主要是对本文研究内容的基础：喷丸强化技术进行了全面介绍。从喷丸强化技术的发展，到喷丸强化的设备和各种工艺参数，到喷丸强化的机制，与本文研究内容相关的国内外喷丸标准内容摘选，最后对喷丸形成的残余应力场的测定技术：x 射线应力测定的方法和原理进行了介绍。第三章：试验材料及试验方法本章主要对本文中所进行试验的试验材料和试验方法进行了统一的说明。首先对3 0 0 m 超高强度钢进行了介绍，然后说明了试验所用试样加工的工艺流程，接着对试样进行喷丸强化处理及打磨抛光的方法、设备、参数进行了说明，然后对残余应力测定的方法、疲劳试验及数据处理的方法，还有断口分析和粗糙度检测的方法一一进行了介绍。第四章：喷丸强化对3 0 0 m 钢残余应力及疲劳性能的影响本章研究不同喷丸强度的喷丸强化对3 0 0 m 钢残余应力及疲劳性能的影响。通过对低、中、高三种强度的喷丸试样进行残余应力测定与疲劳试验，对比找出不西北工业大学硕士论文同喷丸强度对3 0 0 m 钢影响的规律。第五章：喷丸强化后打磨对3 0 0 m 钢残余应力及疲劳性能的影响本章研究试样经相同强度喷丸后，对试样表面进行不同深度的打磨抛光处理对试样的喷丸效果( 包括残余应力及疲劳性能) 的影响。借助残余应力测定与疲劳试验等手段，找出喷丸后打磨对喷丸效果影响的机理及规律。第六章：总结与展望本章首先对全文的研究工作做了总结，给出了论文的研究成果；然后对研究中遇到的问题，以及有待于今后继续研究的方向做了进一步的展望。6第二章喷丸强化技术2 喷丸强化技术喷丸强化技术是用来提高金属零构件疲劳断裂抗力和应力腐蚀断裂抗力，并为实际使用证明为一种效果显著的表面强化工艺。对金属零部件进行喷丸可以显著地提高其表象疲劳极限。与其它表面强化工艺( 例如滚压、表面热处理、表面化学热处理等) 相比，喷丸强化具有设备简单、操作方便、适应面广、节能省时、成本低廉、效果显著的特点。喷丸强化工艺在广阔的工程领域中，得到了日益深入的应用和发展。喷丸处理是以高速运动的弹丸流喷射材料表面并使其表层发生塑性变形的过程( 此塑性变形层深度通常处于o 1 o 8 呦) 。合理地利用喷丸后表面塑性变形层内的残余压应力场和变形的显微组织，可以改善金属材料的疲劳断裂抗力和应力腐蚀( 氢脆) 断裂抗力。一般认为喷丸在零件表面形成的残余压应力与疲劳载荷叠加是零件疲劳极限提高的主要原因。喷丸同时会造成试件表面粗糙度增加，引起应力集中，因此过度喷丸时疲劳极限降低。2 1 喷丸强化技术的发展喷丸强化技术开始于2 0 世纪2 0 年代，1 9 2 7 年h e r b e r 发明了第一台喷丸机。当时喷丸技术主要用于汽车工业，发展比较缓慢。六十年代后，各种高强度材料相继应用到航空工业上，随之而来的疲劳失效也不断出现。为了解决这一问题，对飞机关键承力零部件进行了喷丸，效果显著。随着该工艺技术在宇航工业界的迅速发展，逐渐引起其它工业部门的普遍关注。喷丸强化以其操作简便、成本低廉、适应性广，特别是耗能低等特点，一跃而成为各种表面强化工艺中的佼佼者。七十年代末在国际范围内又一度出现了“喷丸热”。为了促进喷丸强化技术的发展，于1 9 8 1 年9 月在巴黎召开了第一届国际喷丸会议，并成立了国际喷丸学术委员会作为常设机构。每三年召开一次国际会议，并出版发行论文集。会议对喷丸技术的国际问交流、促进喷丸技术的发展，起到了巨大的推动作用。我国于2 0 世纪5 0 年代起开始采用喷丸技术。6 0 年代初，开始了对喷丸强化技术的系统研究，并将其应用于易发生疲劳失效的零件上，获得了巨大成功。1 9 7 3年我国出版了第一部喷丸强化论文集【1 3 l ，1 9 7 7 年出版了第一部喷丸技术专著【1 4 】。同年，航空工业部颁发了指导性技术文件航空零件喷丸强化工艺说明书7西北工业大学硕士论文( h b ，z 2 6 ，8 0 ) 。1 9 8 1 年，中国机械工程学会材料学会于昆明召开了喷丸强化及其它表面强化技术的学术讨论会。1 9 8 5 年，中国机械工程学会颁发了指导性技术文件机械零件喷丸强化工艺；1 9 8 8 年航空工业部又颁发了航空材料喷丸强化手册。这些专著和指导性文件的出版发行，大大促进了我国喷丸强化技术的发展。我国从事喷丸强化研究和应用的工作者，经过2 0 余年的共同努力，为其应用和发展开发了必要的软件和硬件。硬件包括喷丸设备、强化用各种弹丸、用于质量控制的弧高度试片，测量试片弧高值的夹具及测具等。软件包括喷丸强化工艺指导性技术文件、各类标准、喷丸强化手册、喷丸强化工艺参数等技术资料。由上述硬件和软件边同强化的基本理论以及在工业生产中的实际应用，一起构成了一个自成体系的“喷丸强化工程”。目前，借助于喷丸强化工程，可以承接任何形状复杂的机械零件的喷丸强化要求，并能达到预先规定的强化质量。我国已有十几个工业部门，在不同规模上应用了喷丸强化技术，并取得了巨大成功【b d 9 1 。但是应当指出，虽然我国对于喷丸强化技术的硬件和一般工艺已有较多的研究，但仍缺少对喷丸强化工程中的一些相关理论问题的深入研究，例如对于喷丸后零件的加工处理的影响及其影响机理的研究。2 2 喷丸设备及工艺参数2 2 1 喷丸机喷丸机主要有两种类型：气动式喷丸机和机械离心式喷丸机。喷丸机的主要功能是提供弹丸运动速度，并使零件在工作室内做规定的机械运动。气动式喷丸机利用压缩空气驱动弹丸，按弹丸的运动方式，又可分为吸入式、重力式和直接加压式三种类型。气动喷丸机灵活性高，工作室内喷嘴数目和安放位置可根据零件的形状、尺寸而随意调整，因而适于多规范、小批量喷丸，尤其适用于科学研究。但是这种喷丸机耗费功率大，生产效率低。在离心式喷丸机中，弹丸由高速旋转的离心轮抛出，离心轮的叶轮直径一般为3 0 0 4 0 0m m ，转速为1 5 0 0 3 0 0 0 r m i n ，弹丸离开叶轮的切向速度为4 5 1 0 0i n s 。通常离心轮在工作室中的位置是固定的，靠零件的运动来满足对规定表面的喷丸。离心式喷丸机消耗功率低，生产效率高，喷丸强化质量稳定：但是制造成本较高，灵活性差，适用于批量生产。第二章喷丸强化技术2 2 2 喷丸强化工艺参数喷丸强化工艺参数包括弹丸直径、弹丸硬度、弹丸运动速度、流量、喷射角度、喷射时间以及喷嘴至零件表面的距离等。零件的喷丸强化处理过程中，通常要求控制和检验的喷丸工艺参数主要是弹丸尺寸和形状、喷丸强度及表面覆盖率，而其中最重要的是喷丸强度。( 1 ) 弹丸它是喷丸强化工艺中使用的形状为球形或无棱角的圆柱形实心介质材料。喷丸强化用的弹丸通常有以下几种：铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、不锈钢丸、玻璃丸。铸铁丸韧性较低，易于破碎，影响喷丸质量。钢丸的韧性较好，应用较多。选择弹丸类型和尺寸的主要依据是零件的力学性能、形状、尺寸及服役条件。其一般原则为：黑色金属可用各种弹丸；有色金属及不锈钢零件最好用玻璃丸或不锈钢丸；对表面粗糙度无严格要求的大型零部件可用较大弹丸，对粗糙度要求较高者应用小弹丸、玻璃丸。确定弹丸类型后，弹丸硬度和直径是两个重要的喷丸参数。增加硬度和丸径都将使残余压应力层的深度和最大压应力值增大，但是同时表面租糙度也增大。( 喷丸压强和离心轮转速喷丸压强是控制气动式喷丸机喷丸强度的主要参量。离心轮转速则是控制离心式喷丸机喷丸强度的主要参量。在其它条件不变的情况下，喷丸压强或离心轮转速越大，形成的最大残余压应力值越大，残余压应力场也越深，同时零件表面的粗糙度也越大。故在选择喷丸压强时，要兼顾表面层强化和损伤两个方面。( 3 ) 喷丸时间和喷丸覆盖率在被喷丸零件表面的规定部位上，弹痕占据的面积与要求喷丸强化的面积之间的比值，称为表面覆盖率。在一定的时间范围内，喷丸时间越长，喷丸效果越强，弹痕所覆盖的面积百分比也越大。一般工程上规定，弹痕覆盖面为9 8 时，称为满覆盖率喷丸，所用的时间为满覆盖率喷丸时间。时间加倍时认为覆盖率为2 0 0 。因此喷丸时间与覆盖率具有相似的意义。( 4 ) 喷射距离和喷射角度零件与喷嘴之间的距离越小，弹丸喷射方向与零件表面间夹角越大，喷丸效果越强。夹角减小时，喷丸效果按正弦函数衰减。( 5 ) 喷丸强度喷丸强度是上述各个强化工艺参数综合作用的结果。任何一组工艺参数都能产生一个喷丸强度。当一组工艺参数固定不变，只改变其中一个参数时，如逐渐增加弹丸速度，则喷丸强度也会相应提高。因此喷丸强度是综合评价一组强化工艺参数，表征零件表层金属塑性变形程度的一个参量。工程实践中应用最广泛的喷丸强度的度量参量是阿尔门强度( a l l n e ni n t e n s 时) ，即弧高值。测量弧高值所用的试片、夹具、量具、测量方法和表示方西北工业大学硕士论文法都有美国标准。喷丸时，标准阿尔门试片与被喷丸零件放在一起，用于模拟零件的喷丸效应。o 2 3 a 的喷丸强度即表示：使用相同一组工艺参数对a 型阿尔门试片喷丸后，试片因表层发生塑性弯曲变形而向喷丸面鼓起，经专用量具测出试片弯曲挠度即弧高值为o 2 3 m m 。弧高值仅仅是喷丸强度的一个度量单位，仅代表某一组工艺参数的喷丸强度。如果以0 2 3 a 强度对零件表面进行喷丸强化，并不意味着零件表面也会形成0 2 3 m m 的鼓起。其具体的变化和零件的材料、硬度、形状等多种因素有关。2 3 喷丸强化的机制喷丸强化是使材料表层发生剧烈的循环塑性变形的过程，由于材料力学性质及喷丸条件的不同，喷丸后材料表层将发生以下几种变化：1 ) 组织结构的变化；2 1 表层残余压应力场的形成；3 ) 表面粗糙度( 即应力集中) 的变化。表面塑变层内的上述变化对材料力学性能表现出两种完全不同的影响：一种为强化因素，使喷丸后的性能改善；另一种为弱化因素，使性能降低。在一定的条件下，塑变层内的组织变化，以及残余压应力场的形成，均构成强化因素。反之，当喷丸后表面粗糙度增高或导致表面微裂纹的出现，则构成弱化因素。所以，作为强化机制，可分为两种：组织强化与应力强化。而作为弱化机制，实质上就是表面上的应力集中效应。喷丸强化在零件表面造成残余应力场、循环硬化或软化及表面粗糙度等的变化。这些变化叠加到材料本身的疲劳抗力上，共同决定疲劳裂缝萌生及扩展行为，从而决定零件的疲劳强度。其中，对零件在常温下的疲劳性能影响起主要作用的是残余应力和粗糙度。2 3 1 喷丸强化形成的残余应力场机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度，提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，导致变形、开裂等早期失效事故。喷丸强化通过大量弹丸喷射到零件表面上的过程，改变了应力分布状态，使零件表面形成一定深度的压应力分布带，从而可极大地提高疲劳强度和零l o第二章喷丸强化技术件的实际承载能力。图2 1 给出了喷丸后材料表层残余应力分布规律的示意，图中说明，喷丸强化产生的残余应力包括了在一定深度以下的残余拉应力。梯嬗d i 窖毫a n f ms u 嘲c e5 ，m m一，一一幽如如“q 夕南池d图2 1喷丸形成的残余应力场示意图喷丸试件进行疲劳试验时，试件内的应力等于外施交变载荷产生的应力与喷丸形成的残余应力场相叠加的结果。对于未经喷丸零件，表面无残余应力，因此其疲劳寿命决定于外施载荷大小，由于疲劳起源的一般机理，试件表面始终是萌生疲劳源的薄弱环节，尤其三点弯曲加载时，下表面承受最大拉应力，所以裂纹总是起始于下表面。喷丸后，零件表面有一定的残余应力层，其分布如图2 1 所示。当试件承受疲劳载荷时，残余压应力可以抵消部分外施载荷产生的应力，使原来表面的薄弱部位形成疲劳源所需的载荷应力升高；而其下面的拉应力则又使其处形成疲劳源所需的载荷应力降低。由于残余应力叠加引起的这一升一降，就可能使试件内某处取代表面成为薄弱环节，在该处萌生疲劳裂缝。此过程呈现的现象，是表面被表观强化，疲劳源被“驱赶”到内部。然而，材料表面和内部的疲劳极限是不同的。对此，文献【1 2 j 提出了金属表面疲劳极限和内部疲劳极限的概念。将疲劳源在试样表面萌生时的极限应力称为材料的表面疲劳极限( s f l ) ，疲劳源在试样内部萌生时的极限应力称为内部疲劳极限( i f l ) ，且i f l 1 3 4 s f l 。同时，外施载荷应力也是多变的，可能是比较均匀的拉压，也可能是不均匀的弯曲。西北工业大学硕士论文综上所述，多变的外施载荷与图2 1 所示特征的残余应力场相叠加，再加上材料表面和内部疲劳极限不同的特点，这三个复杂因素综合作用，共同决定了疲劳源萌生的部位。图2 2 给出了本试验中试样被喷丸面所受的外施载荷( 三点弯曲)与喷丸形成的残余应力场相叠加的示意。矢中性层誓以喷丸残余应力下表面上表面图2 - 2 喷丸面残余应力与外施载荷应力叠加示意图试件深度由示意图2 - 2 可知，喷丸强化试样在三点弯曲试验中，应力叠加后的应力曲线( 红色) 即为试样实际的应力状态曲线，其与材料的表面、内部疲劳极限大小共同决定了疲劳源萌生的位置。2 3 2 喷丸强化对粗糙度的影响一般认为，软材料喷丸，表面粗糙度大，疲劳源易萌生于表面；而硬材料喷丸时，租糙度较小，疲劳源常在试样内部，疲劳极限提高较大。文献【增出，“喷丸引起表面粗糙度的变化对疲劳性能有重要影响”。喷丸增大的表面损伤引起应力集中，表面磨削可以部分减弱粗糙度对表象疲劳极限的影响。文献【2 0 j 提出喷丸后的零件表面应轻微打磨。大直径弹丸喷丸强化后，采用较小弹丸低压力覆盖，也可部分减小表面粗糙度。为评定喷丸表面质量要求，国际标准化组织于1 9 8 5 年公布了喷丸、抛丸粗糙度标准，即i s 0 2 6 3 2 ，i i 1 9 8 5 。1 9 8 8 年，我国颁布了表面粗糙度比较样块及喷1 2第二章喷丸强化技术丸、喷砂加工表面技术标准。标准采用峰高与低谷之间算术平均值r a 的大小来衡量喷丸表面的粗糙度。表面粗糙度主要取决于丸粒与靶材的相对硬度，丸粒相对于靶材越硬，粗糙度越大。此外，丸粒直径越大、喷丸速度越高，造成的表面粗糙度也越大。喷丸后零件的表面粗糙度对疲劳行为有重要影响。喷丸形成的表面缺陷引起微观应力集中，容易萌生疲劳裂缝，从而降低零件的表象疲劳极限。2 3 3 喷丸强化的综合效应理论北京航空材料研究院与哈工大的学者在做了大量试验研究后，提出了喷丸强化的综合效应理论【i ”。本文将基于该理论对试验结果进行分析。为此，先对其基本思想做一介绍。该理论指出，在忽略喷丸引起的表层材料循环硬化，软化影响的前提下，参与喷丸强化效应的因素有残余压应力场、表面粗糙度、材料本身的s f l ( 表面疲劳极限) 和i f l ( 内部疲劳极限) 等四项。后二者为材料固有的性能，与喷丸工艺无关，二者间存在i f l s f l z l 3 4 的比例关系。由于s f l o 0 2 o 0 3 m m 7 1 71 1 1 4o 0 44 4 3 1 0 43 7 7 x 1 0 460 2 3 a ( s p ) + o 0 3 5 加0 4 5 m m ( p )- 6 2 31 0 8 00 0 23 9 0 1 0 41 6 5 1 0 4其中：s p ：喷丸强化( s h o t p e e n i i l g ) ；p ：打磨抛光( p o i i s h i n g ) ：以；表面残余应力值；o 。：最大残余应力值；站：最大残余应力值所在的深度：n ，0 1 ：f m x _ 1 4 k n 时的中值疲劳寿命；n 5 0 2 ：f 。x - 1 5 k n 时的中值疲劳寿命。由表5 - 2 可知：1 ) 喷丸试样经打磨( y 向) 后，试样表面的y 向残余压应力降低，( 结论同图4 1 保持一致) ；2 ) 随着打磨去除量的升高，残余应力层变薄，最大残余压应力值所在深度降低，这反映了打磨后，试样的残余应力层“上升”的事实；3 ) 各组试样的最大残余压应力值均在1 1 0 0 m p a 左右，原因在于其喷丸强度相同。4 ) 在1 4 k n 的应力水平下，打磨后的试样( 第4 、5 、6 组) 相比打磨前( 第2 组试样)的疲劳性能都有提高。其中第5 组试样疲劳性能相比打磨前提高明显，第6 组试第五章喷丸强化后打磨对3 0 0 m 钢的残余应力及疲劳性能的影响样的疲劳性能相对第5 组出现下降。5 ) 在1 5 k n 的应力水平下，打磨后的试样( 第4 、5 、6 组) 相比打磨前( 第2 组试样)的疲劳性能发生了不同变化。其中第4 、5 组试样疲劳性能相比打磨前得到了提高，而第6 组试样的疲劳性能出现下降。6 ) 各组试样中值疲劳寿命对比结果：1 4 k n ：第5 组与第2 组试样中值疲劳寿命有显著差别：以9 5 的置信度，第5组试样的中值疲劳寿命是第2 组中值疲劳寿命的1 0 9 7 3 0 7 5 倍；1 5 k n ：第5 组与第6 组试样中值疲劳寿命有显著差别：以9 5 的置信度，第5组试样的中值疲劳寿命是第6 组中值疲劳寿命的1 0 3 8 2 7 0 4 倍；其余各组之间在相同应力水平下的中值疲劳寿命均无显著差别。以下仅以第5 组与第6 组试样在1 5 l 甜下的中值疲劳寿命结果对比为例，其余各组的对比计算均类似，本文将不再论述。第5 组与第6 组的f 检验与t 检验计算过程如下：由疲劳试验结果计算得如下参数：第5 组试样：n l ：4 ，而2 4 “2 2 ，群= o 0 1 1 2 9 1 ，叫5 0 】1 = 3 7 7 1 0 4 ；第6 组试样：n 2 - 5 ，而2 4 2 18 1 ，簧= 0 0 2 1 4 1 2 ，【n 5 0 】2 _ 1 6 5 1 0 4 。f ：旦堕丝。1 8 9 6f 检验：o 0 1 1 汐1；经查f 函数表，置信度为9 5 的f 铲1 5 1 ，f 艮。所以；t 检验对比条件成立，两组试样来自于同一个母体os 。：丝二! 盥! ! ! ! 生箜二1 2 ：! ：丝! 坐她1 3 1t 检验：6 1 2 5 、再i r 一2u 。1 j 1 ；仁一2 5 5经查t 函数表，置信度为9 5 的t 旺_ 2 3 6 5 ，伊帆；所以，第5 组与第6 组试样的疲劳寿命有差别；区间估计：式：( 藕) s 1 2 暖妯g 黼 ( 稿) “s 1 2 艉，西北工业大学硕士论文1 0 3 8 盟山 2 7 0 4计算得：【n ”】z；即：以9 5 的置信度，第5 组试样的中值疲劳寿命是第6 组中值疲劳寿命的1 0 3 8 2 7 0 4 倍。通过使用标准表面粗糙度样块( g b 6 0 6 0 2 8 5 ) 做定性对比分析，发现第4 、5 、6组喷丸后经过打磨抛光的试样表面粗糙度o 8 级左右，明显小于第1 、2 、3 组喷丸后未打磨试样的表面粗糙度( 1 6 3 2 级) 。下图5 - 3 、5 - 4 、5 5 分别是第4 、5 、6 组试样疲劳断口的s e m 形貌( 由于拍摄角度的关系，图5 4 的疲劳源在右上角，图5 - 3 与5 5 的疲劳源在右下角) ：图5 3 第4 组试样的s e m 断口形貌第五章喷丸强化后打磨对3 0 0 m 钢的残余应力及疲劳性能的影响图5 - 4 第5 组组试样的s e m 断口形貌图5 - 5 第6 组试样的s e m 断口形貌4 l西北工业大学硕士论文由扫描电镜( s e m ) 观察得到的断口形貌图片分析可知，喷丸后经过打磨的试样同未打磨试样的情况一样，试样在断裂时疲劳源均产生于试样喷丸面所在棱边的尖角处，断口在喷丸面上留下了类似倒角形状的断口特征，这同样也是由于喷丸面经过了强化而引起的。5 3 分析与讨论5 3 1 喷丸前磨削对残余应力的影响。经残余应力测定，喷丸前试样表面已经存在一定的残余压应力，大小在( 一3 0 0 - 4 0 0 ) m p a 左右，这是由试样在最后加工阶段的精加工：磨削引起的。磨削加工会在试样表面引入一定的残余应力。关于磨削对3 0 0 m 钢表面残余应力的影响，已有不少学者做过研刭”娜】。一般认为，在常规磨削条件下磨削3 0 0 m 钢时，表面为残余压应力，在次表面存在残余拉应力峰值，且此拉应力峰值不仅数值大，而且很接近表面( 距表面约1 0 2 0 岬) 。这对于飞机关键零件来说是不容忽视的。磨削表层出现的残余应力分布是由多种因素综合作用形成的，如：磨削前的热处理、磨削用量( 砂轮速度、磨削深度、工件速度) 、砂轮磨削性能、磨削液性能等。而磨削产生的拉应力主要是磨削过程中热应力和塑性变形作用的结果，与磨削温度和磨削力有关。由于本文试验所用的试样的加工过程是先把棒料毛坯经过热处理，然后再通过线切割( 慢走丝) 割成板试样形状，最后精磨至试样尺寸。所以，首先热处理不对试样表面的残余应力产生影响，因为热处理仅仅造成毛坯表面的残余应力受影响，而线切割导致的残余应力并不大。其次，在精磨过程中，必然会在试样表层形成相应的残余压应力与拉应力层。虽然如此，本文的所有试样都要经过喷丸强化处理，而喷丸的强化效果要比磨削大得多，喷丸所形成的残余应力也比磨削大得多。试样经过喷丸强化后，喷丸前的磨削对残余应力的影响相比喷丸对残余应力的影响已经是微乎其微，乃至可以忽略了! 因此，本文仅关心试样在喷丸前表面的原始残余应力值大小。对于喷丸前磨削形成的残余应力层，由于在喷丸强化过程中都被强化掉了，因此对本文后续研究的影响可以忽略。5 3 2 喷丸后打磨对残余应力的影响根据喷丸标准中喷丸表面的去层深度不应超过该表面a l m e n 强度值l 1 0 的原第五章喷丸强化后打磨对3 0 0 m 钢的残余应力及疲劳性能的影响则可知：对于o 2 3 a 的喷丸强度，标准所限制的打磨量不应超过o 0 2 3 m m 。结合图5 2 分析，0 2 3 a 强度喷丸的试样的高压应力区为( o 0 2 o 0 6 m m ) ，可见：o 0 2 3 m m 及以上的深度已经处于喷丸强化产生的高压应力区范围内。众所周知，喷丸强化之所以对零件有强化效应，主要是因为其形成的残余压应力层，包括表面的残余压应力与表面以下的高压应力区。喷丸后打磨对残余应力的影响就主要体现在对表面的残余应力与表面以下的高压应力区的影响上。根据残余应力检测结果，试样喷丸前的磨削使试样表面形成一定的残余压应力( 3 0 0 4 0 0 m p a ) ；试样经喷丸强化后，表面的残余应力值得到大大增强( 增大约2 3 倍) ；喷丸后对试样表面用风枪进行打磨抛光后，表面的压应力值沿试样的x 向和y 向分别升高和降低( 降低幅度约为1 5 0 m p a ) 。升高或降低的原因与打磨方向有关：与打磨方向一致的方向的残余压应力降低，而与之垂直的方向的残余压应力升高。因为y 方向正好是试样三点弯曲时的载荷方向，打磨造成的y 方向的表面残余压应力降低，必然也会对试样三点弯曲时的性能造成一定影响。至于打磨后试样表面应力为何如此变化，涉及到打磨产生的残余应力问题，并非本文研究重点，因此本文没有对此进行进一步研究。试样经过打磨后，表面的残余压应力值虽然沿x 或y 方向会升高或降低，但其变动幅度并不大。影响比较大的是打磨处理是否影响到了高压应力区。根据本文残余应力检测的结果得知，第5 和第6 组试样的打磨量( o 0 2 0 0 4 5 m m ) 已经影响到了喷丸形成的高压应力区。随着打磨量的不断增大，喷丸形成的残余应力层在逐渐“上升”，其高压应力