噴丸過程彈丸選用對材料殘余應(yīng)力的影響

張秀梅

摘要：進(jìn)入21世紀(jì)，噴丸工藝過程就是大量具有高動能的彈丸持續(xù)向零件表面進(jìn)行撞擊的過程，彈丸類型及其硬度狀態(tài)選擇是否合理將會直接影響噴丸強(qiáng)化效果，彈丸材料不同噴丸強(qiáng)化效果將不同， 本文用鑄鋼丸、陶瓷彈丸進(jìn)行噴丸試驗(yàn)，探索彈丸選用對材料殘余應(yīng)力的影響，為工廠零件加工參數(shù)選擇提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：噴丸；彈丸；材料殘余應(yīng)力

噴丸工藝過程就是大量具有高動能的彈丸持續(xù)向零件表面進(jìn)行撞擊的過程[1]，正確地選擇噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)及確保工藝參數(shù)在加工過程中的穩(wěn)定性，是提高零件疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕強(qiáng)度的必要條件。不適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)或噴丸過程中任何一個(gè)工藝參數(shù)的變化都會影響噴丸強(qiáng)化質(zhì)量[2]。彈丸類型及其硬度狀態(tài)選擇是否合理將會直接影響噴丸強(qiáng)化效果，彈丸材料不同噴丸強(qiáng)化效果將不同。

目前廠內(nèi)生產(chǎn)常用的彈丸進(jìn)行噴丸試驗(yàn)，表面殘余應(yīng)力值如表1所示，同種彈丸隨不同強(qiáng)度的表面殘余應(yīng)力值變化如圖3-1所示；陶瓷彈丸的殘余應(yīng)力分布如圖3-2（a）所示，鑄鋼丸的殘余應(yīng)力分布如圖3-2（b）所示，陶瓷彈丸與鑄鋼丸0.15mmA噴丸強(qiáng)度的殘余應(yīng)力比較如3-2（c）所示， 陶瓷彈丸與鑄鋼丸0.2mmA噴丸強(qiáng)度的殘余應(yīng)力比較如3-2（d）所示，二次噴丸的殘余應(yīng)力分布如圖3-2（e）所示，鑄鋼丸與二次噴丸的殘余應(yīng)力比較如3-2（f）所示。

從表1可以看出，相同覆蓋率不同彈丸噴丸后的表面殘余應(yīng)力，采用陶瓷丸噴丸，在相同覆蓋條件下，表面殘余應(yīng)力基本不變，均在-400MPA左右；采用鑄鋼丸噴丸后，殘余應(yīng)力隨著噴丸強(qiáng)度的增大，表面殘余應(yīng)力數(shù)值先上升后下降。造成這個(gè)結(jié)果的原因是由于噴丸強(qiáng)度較小時(shí)，由于鑄鋼丸硬度偏小，表面形變強(qiáng)化效果不足，無法產(chǎn)生較好的殘余應(yīng)力分布，表面殘余壓應(yīng)力數(shù)值較小，而噴丸強(qiáng)度過大時(shí)鈦合金表面形變嚴(yán)重，導(dǎo)致表面殘余應(yīng)力松弛。采用較大直徑的鑄鋼丸噴丸后，表面殘余應(yīng)力數(shù)值進(jìn)一步減小，這是由于大直徑大強(qiáng)度鑄鋼丸噴丸后，表面塑性形變更加嚴(yán)重而導(dǎo)致殘余應(yīng)力松弛的結(jié)果。

從圖1（a）、（b）可以看出，同種彈丸隨噴丸強(qiáng)度增加，殘余應(yīng)力分布向右下方移動，說明當(dāng)噴丸強(qiáng)度增加，表面殘余應(yīng)力隨之減小、最大殘余應(yīng)力深度和應(yīng)力場深度都有所增加。從圖1（c）、（d）可以看出，與相同噴丸強(qiáng)度的陶瓷丸相比，鑄鋼丸噴丸后的表面殘余壓應(yīng)力小于陶瓷丸，鑄鋼丸和陶瓷丸噴丸的殘余應(yīng)力場深度基本一致，說明噴丸強(qiáng)度與殘余應(yīng)力場深度具有正比關(guān)系，鑄鋼丸噴丸后最大殘余應(yīng)力對應(yīng)深度大于陶瓷彈丸噴丸?？傮w比較陶瓷丸要優(yōu)于鑄鋼丸。

同時(shí)還進(jìn)行了二次噴丸對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)過二次噴丸調(diào)節(jié)后，采用陶瓷丸的殘余應(yīng)力分布在玻璃丸的殘余應(yīng)力分布下方，說明陶瓷丸產(chǎn)生表面殘余應(yīng)力和最大殘余應(yīng)力都大于玻璃丸，所以二次噴丸采用陶瓷丸。二次噴丸后由于陶瓷丸噴丸的調(diào)節(jié)作用，最大殘余壓應(yīng)力向表面層移動，使表面壓應(yīng)力數(shù)值增大。相比于鑄鋼丸噴丸強(qiáng)度0.3mmA，采用二次噴丸后的最大殘余應(yīng)力對應(yīng)的深度減小。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因有：鑄鋼丸密度大于陶瓷丸，硬度略小于陶瓷丸，在相同的噴丸強(qiáng)度下，鑄鋼丸噴丸造成的表面層塑性形變大于陶瓷丸噴丸，表面層塑性形變的存在導(dǎo)致了殘余應(yīng)力松弛，因此鑄鋼丸噴丸造成的表面殘余應(yīng)力小于陶瓷丸噴丸，鑄鋼丸最大殘余應(yīng)力位置深于陶瓷彈丸；噴丸強(qiáng)度是噴丸能量的表征，相同的噴丸強(qiáng)度代表基本相同的能量，因此相同噴丸強(qiáng)度造成殘余應(yīng)力場深度也基本相同；一般來說，噴丸可以在鈦合金表面形成梯度的塑性形變層與彈性形變層，殘余應(yīng)力場中的最大殘余壓應(yīng)力是表面層塑性形變導(dǎo)致應(yīng)力松弛與次表面彈性形變產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力相互競爭的結(jié)果，其數(shù)值是一個(gè)材料的本征屬性。

（a）陶瓷彈丸，（b）鑄鋼丸，

（c）0.15mmA噴丸強(qiáng)度陶瓷彈丸與鑄鋼丸比較，

（d）0.2mmA噴丸強(qiáng)度陶瓷彈丸與鑄鋼丸比較，

結(jié)論：

陶瓷彈丸和鑄鋼丸由于在材料表面引入了殘余壓應(yīng)力場，顯著提高了抗疲勞性能，隨噴丸強(qiáng)度的增加，殘余壓應(yīng)力分布向右下方移動。在相同噴丸強(qiáng)度下陶瓷彈丸的表面殘余壓應(yīng)力值、最大殘余壓應(yīng)力都比比鑄鋼丸大，兩者形成的噴丸強(qiáng)化層深度基本相同。

引用文獻(xiàn)：

[1]中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988年9月，第1版.

[2]王仁智.金屬材料的噴丸強(qiáng)化原理及其強(qiáng)化機(jī)理綜述[J].中國表面工程，2012，6：51-53.endprint