表面形变强化

表面形变强化主要内容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喷丸强化用弹丸2.2喷丸强化用设备2.3喷丸工艺2.4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。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。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。

第一种变化喷丸前后晶粒、亚晶粒位错组态、晶界分布示意图

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。下图是喷丸和滚压处理后的残余应力分布。第二种变化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。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σr起平均应力作用。喷丸强化机械镀表面滚压和孔挤压强化表面形变强化二、喷丸强化2.1喷丸强化用的弹丸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；喷丸强化最常用的主要有钢丝切丸、铸钢丸、玻璃丸三种。

（1）钢丝切丸钢丝切丸是用回火高强度钢丝经切割制成，成本较高，因两端有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。一般要求钢丝切丸硬度越高越好，一般应不低于工件硬度。

（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。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。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。（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。气动式喷丸机机械离心式抛丸机喷丸设备吸入式喷丸机重力式喷丸机直接加压式喷丸机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。（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。

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%。29%59%83%98%2.4喷丸强化的应用

一、喷丸强化提高疲劳寿命对于钢制零件的喷丸，材料硬度、强度越高，喷丸强化对疲劳强度提高得越大。

二、喷丸强化提高金属材料抗应力疲劳腐蚀采用喷丸强化处理的主要零件种类三、表面滚压和孔挤压强化

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。

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