浅谈金属的喷丸强化.doc

浅谈金属的喷丸强化 摘要：喷丸是高速运动的弹丸流, 喷射在金属表面的加工过程。金属表层在弹丸的冲击作用下, 发生强烈的塑性变形, 这种塑性变形属于循环应变的性质。其结果使应变层内的组织结构和应力状态发生变化。 关键词：喷丸强化 组织结构 金属性能 残余应力 一、喷丸强化原理 喷丸强化过程就是将高速运动的弹丸流连续向金属零件表面喷射的过程, 弹丸流的喷射如同无数小锤向金属表面锤击, 使得金属表面层产生极为强烈的塑性形变, 从而产生了冷作硬化层, 此层称为表面强化层。从应力状态来看强化层内形成较高的残余压应力；从组织结构来看强化层内形成了更加细小的亚晶粒组织。 二、金属的喷丸强化对组织结构及应力状态的影响 喷丸是高速运动的弹丸流, 喷射在金属表面的加工过程。金属表层在弹丸的冲击作用下, 发生强烈的塑性变形, 这种塑性变形属于循环应变的性质。其结果使应变层内的组织结构和应力状态发生变化。 1、昌粒变化、晶格咬变、镶嵌细化 零件表面在高速（70m／s）弹丸冲击下, 可使金属表层晶粒的形状、尺寸和方位发生变化, 晶格发生歪曲、畸变, 面间距发生变化。金属表层由于弹丸作用产生塑性变形, 镶嵌块Ε亚晶粒Η 细化, 形成微细的镶嵌块组织。大量实验结果证明, 零部件表面镶嵌块越小, 其疲劳强度越高。微细的镶嵌块组织, 不仅能提高零件的室温疲劳强度,而且还能提高零件的高温疲劳强度。 2、微观应力 由于应变层内晶格产生畸变, 使亚晶粒之间产生很高的应力, 即微观应力。微观应力的存在, 对零件的疲劳强度也产生有利的影响。 3、显微组织转变 从表面上看, 喷丸似乎是一种冷变形加工过程, 其实不然, 当高速弹丸冲击零件表面时, 金属表面受到瞬间局部高温加热。据沙维林测定的结果, 表面温度可达600度以上。在微观应力和瞬时高温作用下, 会使应变层内的显微组织发生转变。根据卡拉谢夫的研究, 渗碳淬火后的12Cr2Ni4 钢,经喷丸后可使残留奥氏体转变成马氏体。 4、 宏现残余应力 用40Cr钢制成Alman试片, 经喷丸60s后, 在X射线应力仪上测得的残余压应力为288MPa,40Cr钢制成的多次冲击试样, 经碳氮共渗处理后, 喷丸32s,测得试样轴向的残余压应力高达774MPa或。表面残余压应力可抵消外加的拉应力, 可提高零件的疲劳寿命。 此外, 喷丸强化可改善由于零件结构设计(如齿根圆角、花键槽)和表面加工痕迹或划伤引起的局部应力集中。喷丸强化对上述这些“先天的”疲劳源, 起到覆盖作用, 从而可缓和应力集中, 部分改善零的疲劳性能。 三、喷丸强化对金属性能的影响 1、硬度 喷丸后可提高金属的硬度。18CrMnTi钢渗碳淬火十低温回火后, 硬度为HRC60,喷丸后硬度为HRC64。40Cr钢淬火、230℃回火后, 硬度为HV550, 喷丸后硬度为HV690。奥氏体不锈钢喷丸后, 应变层的显微硬度可从HV230增加到HV460。 2、屈服强度 喷丸强化对金属材料的屈服强度提高有限, 这是由于材料在受轴向静拉伸时,横截面上的拉应力是均匀分布的。喷丸只强化表层, 次表层及心部未得到强化。有人对不同屈服强度的材料,经相同工艺喷丸后,在相同应力下做了疲劳试验。结果发现, 屈服强度高的材料, 其疲劳寿命长。可以认为,对高强度材料喷丸强化容易得到较好的效果。 3、弯曲疲劳强度 喷丸能显著提高弯曲疲劳强度。如承受交变载荷的汽车钢板弹簧, 经用冷拔钢丝进行喷丸后, 钢板弹簧几乎不发生弯曲疲劳破坏。受弯的轴类零件喷丸后, 弯曲疲劳寿命成倍提高。 喷丸也能提高多冲弯曲抗力。用40Cr钢, 经850℃碳氮共渗后直接淬火,200℃ 回火后喷丸。各组试样的喷丸时间和多冲寿命见表1所示。冲击能量选用4.7J。从表1中看出, 与不喷丸相比, 喷丸能使多冲寿命提高1.4～28倍。随着喷丸时间的增加, 多冲抗力提高的幅度也增加。可以看出喷丸时间不足, 将大大降低强化效果。 表1 各组试样的多冲寿命 试样组别 喷丸时间（s） 多冲寿命（次） 相对寿命比 不喷丸 0 3862 1 A 16 9138 2.4 B 32 86662 22.4 C 48 93938 24.3 D 64 104350 27 E 80 107550 28 F 104 112500 29 4、疲劳裂纹的萌生和扩展 20SiMn2MoVA钢试样,经900℃油淬, 200℃回火, 和三种不同喷丸强化工艺进行喷丸后, 与未经喷丸试样同时进行三点弯曲疲劳试验, 当载荷为19.6～980N 时, 所得到的条件疲劳裂纹萌生期N1见表2。 表2 疲劳裂纹的萌生期N1 钢号 热处理状态 喷丸强度 N1×1000(次) 相对比值 　 20SiMn2MoV钢 　 　 900℃油淬＋ 200℃回火 　 未