第七章-表面形变强化

1、1 n表面形变强化原理表面形变强化原理 n喷丸强化喷丸强化 n表面滚压和孔挤压强化表面滚压和孔挤压强化 第七章第七章 金属表面形变强化金属表面形变强化 2 表面形变强化原理是通过机械手段表面形变强化原理是通过机械手段(滚压、内挤压和喷滚压、内挤压和喷 丸等丸等)在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层。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此形变硬化层的深度可达0.5mm1.5mm。 硬化层中产生两种变化：一是在组织结构上，亚晶粒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；二是形成极大地细化，位错密度增加，晶格畸

2、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。硬度得到了很大的提高，疲劳寿命也有了很大的改观。 7.1 表面形变强化原理表面形变强化原理 3 喷丸与滚压、孔挤压过程中，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，使表面性变形，引起加工硬化，使表面 硬度、强度提高。硬度、强度提高。 由右上图可见，弹丸冲击工件由右上图可见，弹丸冲击工件 表面产生凹坑，使其周围产生塑表面产生凹坑，使其周围产生塑 性变形及宏观残余应

3、力。弹丸反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复多次冲击工件表面塑性变形量 增大，表面硬度、强度增加。增大，表面硬度、强度增加。 右下图为喷丸后表层硬度分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。增加较快，后期硬度增加缓慢。 4 n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，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（由于位错间相互作用，使位错密度增加。下图中（a）为喷丸）为喷丸 前组织，前组织，晶界与亚晶界比较清晰，晶粒与亚晶粒比较大晶

4、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，增加，原亚晶界逐步模糊不清、消失原亚晶界逐步模糊不清、消失；（；（c）为随喷丸覆盖增加，）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。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，随喷丸时间延长，塑性变形继续进行，位错密度进一步增加， 使使晶界逐步消失又组成新的晶界，使晶粒破碎、细化晶界逐步消失又组成新的晶界，使晶粒破碎、细化。 喷

5、丸前后晶粒、亚晶粒位错组态、晶界分布示意图喷丸前后晶粒、亚晶粒位错组态、晶界分布示意图 5 表面残余应力表面残余应力 在表面强化过程中，表面塑性变形带来的表面尺寸变在表面强化过程中，表面塑性变形带来的表面尺寸变 化引起表面残余应力。下图是滚压处理后的残余应力分布。化引起表面残余应力。下图是滚压处理后的残余应力分布。 6 1）强化后残余应力的分布规律）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，故曲线上有于应力松驰，其残余应力稍有降低，故曲线上有“抬头抬头” 现象。现象。 7 2）疲劳强度

6、随表面残余压应力的增加而增加）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，疲劳裂纹大多从表面开始， 裂纹的发展是靠拉应力，裂纹的发展是靠拉应力， 表面形变强化在表面层产表面形变强化在表面层产 生残余压力，使外加拉应生残余压力，使外加拉应 力与残余压应力合成的总力与残余压应力合成的总 应力降低，从而可提高材应力降低，从而可提高材 料的疲劳强度及延长疲劳料的疲劳强度及延长疲劳 寿命，在疲劳过程中，残寿命，在疲劳过程中，残 余应力余应力r起平均应力作用。起平均应力作用。 8 7.2 喷丸强化喷丸强化 1. 喷丸强化用的弹丸喷丸强化用的弹丸 喷丸强化最常用的主要有喷丸强化最常用的主要

7、有钢丝切丸、铸钢丸、玻璃丸钢丝切丸、铸钢丸、玻璃丸三三 种。种。 n喷丸强化用的弹丸必须具备以下特征：喷丸强化用的弹丸必须具备以下特征： a）较高硬度和强度；）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；）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；）要求弹丸不破碎，耐磨损，使用寿命长； 9 （1）钢丝切丸）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 最多的是用弹簧钢最多的是用弹簧钢(直径直径0.61.2mm，硬度为，硬度为HRC=4550) 做成的钢丸，成本较高，因两端由棱

8、角会划伤工件表面，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在欧美工业发达国家已经大量使用预钝化去棱角-磨角钢磨角钢 丝切丸。丝切丸。 预钝化钢丝切丸分为预钝化钢丝切丸分为G1、G2、G3三种类型，具有良三种类型，具有良 好的综合机械性能。好的综合机械性能。 一般要求钢丝切丸硬度越高越好，一般应不低于工件一般要求钢丝切丸硬度越高越好，一般应不低于工件 硬度。硬度。 10 （2）铸钢丸）铸钢丸 铸钢丸是将金属熔化后的钢液，经雾化成丸、烘干、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选圆、二

9、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，组织为不同，获得不同硬度的铸钢丸，组织为回火屈氏体回火屈氏体或或回火回火 马氏体马氏体。 铸钢丸不同于钢丝切丸，它铸钢丸不同于钢丝切丸，它会破碎会破碎，从而在循环使用，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越严重。为了避免破碎，一般喷丸强化选用硬度为 HRC4852的铸钢丸，喷丸强度较低时可用铸钢丸。喷丸的铸钢丸，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。强度较高时，严禁使用铸钢丸。

10、 11 （3）玻璃丸）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玻璃丸由高质量碱玻璃制成，不含铁杂质硬度相当于 HRC4650，外观为实心球体。使用中破碎率高，造成使，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。的关键结构零件。 此外此外, 还有陶瓷弹丸、聚合塑料弹丸等还有陶瓷弹丸、聚合塑料弹丸等 12 2. 喷丸强化用设备喷丸强化用设备 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。离心式。 （1）气动式喷丸

11、机）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。他适用于要求喷丸喷出，冲击工件的设备。他适用于要求喷丸强度较低强度较低、品品 种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零件种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零件。 按弹丸运动方式可分为按弹丸运动方式可分为吸入式、重力式、直接加压式吸入式、重力式、直接加压式 三种类型。三种类型。 13 吸入式喷丸机吸入式喷丸机 压缩空气从喷嘴射出时，压缩空气从喷嘴射出时， 在喷嘴内腔导丸口处形在喷嘴内腔导丸口处形 成负压，将下部贮丸箱成负压，将下部贮丸箱 的弹丸吸入喷嘴内腔，的弹丸吸入

12、喷嘴内腔， 随压缩空气由喷嘴射出，随压缩空气由喷嘴射出， 喷向被强化零件表面。喷向被强化零件表面。 14 重力式喷丸机重力式喷丸机 将弹丸提升到一定高将弹丸提升到一定高 度，借助弹丸自重由度，借助弹丸自重由 上至下流入喷嘴，由上至下流入喷嘴，由 压缩空气带动，由喷压缩空气带动，由喷 嘴喷向被强化零件。嘴喷向被强化零件。 15 直接加压式喷丸机直接加压式喷丸机 弹丸与压缩空气首先弹丸与压缩空气首先 在混合室内混合，再在混合室内混合，再 通过导丸管共同进入通过导丸管共同进入 喷嘴，由喷嘴射出，喷嘴，由喷嘴射出， 喷向被强化零件。喷向被强化零件。 16 （2）机械离心式抛丸机）机械离心式抛丸机 弹丸

13、依靠高速旋转的机械离心轮而获得动力的抛丸机。弹丸依靠高速旋转的机械离心轮而获得动力的抛丸机。 它它适用于要求喷丸强度高、品种少、批量大、形状简单、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。尺寸较大的零件。 抛丸机工作原理与重力抛丸机工作原理与重力 式气动喷丸机基本相同，式气动喷丸机基本相同， 不同之处在于用抛丸器不同之处在于用抛丸器 代替了喷嘴。代替了喷嘴。 17 3. 喷丸工艺喷丸工艺 在实际生产中是通过在实际生产中是通过喷丸强度、表面覆盖率、表面粗喷丸强度、表面覆盖率、表面粗 糙度糙度这这3个参数来检验、控制和评定喷丸强化质量的。个参数来检验、控制和评定喷丸强化质量

14、的。 影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹丸流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。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。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、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。弹丸直径、喷射角度及速度、零件的原始表面粗糙度。 18 采用喷丸强化处理的主要零件种类采用喷丸强化处理的主要零件种类 4. 喷丸强化的应

15、用喷丸强化的应用 19 7.3 表面滚压和孔挤压强化表面滚压和孔挤压强化 n表面滚压技术是在一定的压力下，用辊轮、滚球或辊轴对表面滚压技术是在一定的压力下，用辊轮、滚球或辊轴对 被加工表面进行滚压或挤压，使其发生塑性变形，形成加被加工表面进行滚压或挤压，使其发生塑性变形，形成加 工硬化层的工艺过程。工硬化层的工艺过程。 n一些零件的内孔挤压同样属于这一范畴。一些零件的内孔挤压同样属于这一范畴。 20 表面滚压强化原理示意图表面滚压强化原理示意图 a) 工件滚压方式工件滚压方式 b)滚压后工件表面的残余应力滚压后工件表面的残余应力 表面滚压的原理与喷丸强 化相同，也是由于塑性变形 产生加工硬化，

16、并产生很大 的残余压应力。 21 它有如下特点：它有如下特点： a、适用于、适用于轴轴类零件如曲轴圆角滚压、滚丝轮加工重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。的适应性更强。 b、滚压后表层残余压应力、滚压后表层残余压应力层深大层深大、应力值高应力值高，强化，强化 效果比喷丸明显。效果比喷丸明显。 c、滚压、滚压生产率低生产率低，使用不如喷丸广泛。，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，形成塑性变形的硬孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形的硬 化层。化层。 22 1. 滚压和孔挤压强化用设备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、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