機械噴丸成形對施加預(yù)應(yīng)力試片的影響

摘" 要：該研究探討機械噴丸成形技術(shù)對施加預(yù)應(yīng)力試片的影響。通過一系列實驗，研究不同噴丸參數(shù)對試片的表面硬度、殘余應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)以及疲勞壽命的影響。結(jié)果表明，噴丸處理顯著提高試片的表面硬度和殘余壓應(yīng)力，同時導(dǎo)致材料晶粒的細化，從而顯著提升材料的疲勞壽命。研究結(jié)果對于理解和優(yōu)化噴丸成形工藝在工業(yè)應(yīng)用中的潛在價值具有重要意義。

關(guān)鍵詞：機械噴丸成形；預(yù)應(yīng)力；表面硬度；殘余應(yīng)力；微觀結(jié)構(gòu)；疲勞壽命

中圖分類號：TG665" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0023-05

Abstract： This study explored the effect of mechanical shot peening technology on prestressed test pieces. Through a series of experiments， the effects of different shot peening parameters on the surface hardness， residual stress， microstructure and fatigue life of test pieces were studied. The results show that shot peening significantly improves the surface hardness and residual compressive stress of the test piece， and at the same time leads to the refinement of the material grains， thus significantly improving the fatigue life of the material. The research results are of great significance for understanding and optimizing the potential value of shot peening processes in industrial applications.

Keywords： mechanical shot peening; prestress; surface hardness; residual stress; microstructure; fatigue life

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，表面處理技術(shù)越來越多，目前主要有激光噴丸成形技術(shù)、高能超聲波噴丸成形技術(shù)、機械噴丸成形技術(shù)以及激光沖擊成形等。其中，機械噴丸成形技術(shù)是在噴丸強化工藝的基礎(chǔ)上形成的一種重要的表面處理技術(shù)，通過高速噴射的微小顆粒對材料表面進行沖擊，使得被噴射表面產(chǎn)生塑性變形，從而改善材料的表面特性。這種技術(shù)在工業(yè)界尤其是在航空航天、汽車以及重型機械制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過噴丸處理，不僅可以提高材料表面的硬度和耐磨性，還能在表面層產(chǎn)生壓應(yīng)力場，這對于提高材料的疲勞強度和抗裂性能至關(guān)重要。

在噴丸工藝的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展起來的噴丸成形是一種特種成形方法，更是飛機整體壁板成形的首選工藝。本噴丸成形技術(shù)的核心在于其能夠在材料表面產(chǎn)生一種有益的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力是通過噴丸處理施加的，可以顯著改善材料的抗疲勞和抗腐蝕性能。然而，這種預(yù)應(yīng)力的產(chǎn)生機理及其對材料性能的影響尚未被充分理解，特別是在復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用中。因此，深入研究機械噴丸成形技術(shù)如何影響施加預(yù)應(yīng)力試片，對于優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)、提升材料性能具有重要的實際意義。

1" 研究目的

機械噴丸成形技術(shù)作為材料科學(xué)領(lǐng)域的一項重要技術(shù)，為進一步深化對材料表面改性機理的理解提供了重要的研究技術(shù)。本研究的主要目的是通過實驗和理論分析，深入探討機械噴丸成形技術(shù)對施加預(yù)應(yīng)力試片的影響，該影響涉及多個方面的機制、程度和范圍。研究將重點關(guān)注以下幾個方面：首先，通過實驗驗證，分析噴丸參數(shù)（如顆粒大小、速度、噴丸角度和時間）對預(yù)應(yīng)力層深度和分布的影響；其次，噴丸成形技術(shù)的影響范圍不僅限于工件表面，還涉及到工件內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，探究通過噴丸處理后試片的微觀結(jié)構(gòu)變化，包括晶粒細化和表面層的應(yīng)力狀態(tài)；最后，評估這些變化如何影響材料的宏觀性能，尤其是疲勞強度和抗裂性。

通過對噴丸成形技術(shù)的深入研究，本研究致力于在工業(yè)界中建立起一套更為精確、系統(tǒng)化的噴丸工藝指導(dǎo)體系，以優(yōu)化材料的性能、提升產(chǎn)品質(zhì)量。此外，研究成果也有助于推動機械噴丸成形技術(shù)在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是在那些對材料性能要求極高的領(lǐng)域，如航空航天和精密儀器制造等領(lǐng)域。

綜上所述，本研究不僅填補了機械噴丸成形技術(shù)理論研究的空白，為這一領(lǐng)域的學(xué)術(shù)探索奠定了堅實的基礎(chǔ)，而且對實際工業(yè)應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。通過系統(tǒng)的實驗研究和理論分析，本研究將為機械噴丸成形技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用提供堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。

2" 文獻綜述

2.1" 歷史發(fā)展

機械噴丸成形技術(shù)起源于20世紀初，最初被用于提高金屬材料的疲勞強度和表面硬度。隨著技術(shù)的發(fā)展，其在航空、汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多。在技術(shù)發(fā)展的初期，機械噴丸成形技術(shù)主要應(yīng)用于一些對材料表面硬度有較高要求的場合，比如彈簧、齒輪等部件的強化處理，聚焦于噴丸處理對材料表面特性的直接影響，包括硬度的提升、耐磨性的增強以及耐腐蝕性的改善等方面。隨著技術(shù)的不斷深入，機械噴丸成形技術(shù)在航空、汽車制造等高端工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，研究關(guān)注預(yù)應(yīng)力的產(chǎn)生及其對材料性能的影響，通過高速噴射的金屬或非金屬顆粒對材料表面進行撞擊，不僅可以去除表面缺陷，還能在材料內(nèi)部引入殘余壓應(yīng)力，從而提高其抗疲勞性能。

2.2" 現(xiàn)有研究

噴丸成形技術(shù)不僅可以提高工件的疲勞強度和抗應(yīng)力腐蝕能力，還可以改善工件表面的粗糙度和完整性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，噴丸成形技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和完善。例如，復(fù)合噴丸強化技術(shù)、應(yīng)力噴丸技術(shù)等新型噴丸技術(shù)的出現(xiàn)，進一步提高了噴丸成形技術(shù)的效果和應(yīng)用范圍。

近年來的研究主要集中在噴丸參數(shù)對材料性能的影響上。胡宗浩等[1]在其研究中探討了大型壁板的激光噴丸成形技術(shù)，強調(diào)了噴丸處理對提高材料的疲勞壽命和抗裂性能的作用。魯世紅等[2]對高能超聲波噴丸成形技術(shù)進行了研究，這項技術(shù)在提高材料性能方面表現(xiàn)出了巨大的潛力。他們的研究為理解高能噴丸成形技術(shù)的影響提供了新的視角。杜建鈞等[3]的研究則更加關(guān)注噴丸成形技術(shù)在不同材料上的應(yīng)用，特別是金屬板料的機械噴丸成形與激光噴丸成形技術(shù)。他們的研究表明，不同的噴丸處理方法對材料性能的影響有顯著差異，這為選擇合適的噴丸技術(shù)提供了重要依據(jù)。程秀全等[4]在他們的研究中探討了噴丸成形技術(shù)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用，強調(diào)了該技術(shù)在提高飛機部件耐磨性和延長使用壽命方面的重要性。胡凱征等[5]通過對板加筋壁板零件的噴丸成形數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化的研究，展示了數(shù)值模擬在優(yōu)化噴丸工藝中的應(yīng)用潛力。Miao等[6]通過噴丸試驗研究了平板件預(yù)彎量與變形量之間的關(guān)系。李清等[7]通過實體建模實現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力激光噴丸成形過程模擬。田碩等[8]提出了基于應(yīng)變中性層內(nèi)移的反彎曲應(yīng)力場法模擬模型，實現(xiàn)了帶筋壁板預(yù)應(yīng)力噴丸成形較高精度的數(shù)值模擬。Gariepy等[9]提出三步模擬法對平板件預(yù)應(yīng)力噴丸成形進行模擬，并建立預(yù)彎矩與弧高和殘余應(yīng)力分布之間的關(guān)系，最后通過試驗進行了驗證。這些研究及成果有效促進預(yù)應(yīng)力噴丸成形技術(shù)進步、應(yīng)用及推廣。

綜上所述，歷史上和現(xiàn)有的研究都表明，機械噴丸成形技術(shù)對于提高材料的性能具有重要作用。通過深入理解噴丸參數(shù)對預(yù)應(yīng)力的影響，可以為材料設(shè)計和加工提供重要指導(dǎo)，進而提高材料的整體性能。

3" 研究方法

3.1" 實驗設(shè)備與材料

機械噴丸成形技術(shù)作為一項先進的表面處理技術(shù)，其效果在很大程度上依賴于精確的實驗控制和高質(zhì)量的實驗材料。因此，為了確保研究結(jié)果的準確性和可重復(fù)性，并且構(gòu)建一個清晰、系統(tǒng)的研究框架，本文所采用的實驗設(shè)備與材料如下。

3.1.1" 實驗設(shè)備

本文選取的實驗設(shè)備是高精度機械噴丸成形設(shè)備，該系統(tǒng)配備了顆粒速度和角度控制系統(tǒng)，實時記錄并反饋噴丸過程中的關(guān)鍵參數(shù)，如丸粒大小、噴丸強度、噴丸時間等。這些設(shè)備不僅保證了實驗的精確性和可靠性，又提供了豐富的數(shù)據(jù)支持，便于深入分析噴丸參數(shù)對材料性能的具體影響。

3.1.2" 材料選擇

在材料選擇方面，本文選擇多種具有代表性的金屬工業(yè)材料，以確保實驗結(jié)果的工業(yè)相關(guān)性，包括不銹鋼和鋁合金等，這些材料廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等關(guān)鍵領(lǐng)域，對性能有著極高的要求。每種材料經(jīng)過嚴格的質(zhì)量控制和預(yù)處理，確保其表面光潔度和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的均勻性，最大程度地減少實驗誤差。

3.1.3" 輔助設(shè)備

輔助設(shè)備在確保實驗順利進行、提高數(shù)據(jù)準確性和可靠性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文使用X射線衍射儀（XRD）和電子顯微鏡（SEM）等設(shè)備對材料的微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)進行分析。

3.2" 實驗流程

本文旨在通過系統(tǒng)的實驗流程，深入探究機械噴丸成形過程中不同參數(shù)（如丸粒類型、噴射速度、噴射角度和噴丸時間等）對材料微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及表面完整性的影響。通過精確控制實驗條件，揭示噴丸成形技術(shù)的內(nèi)在機理，為優(yōu)化工藝參數(shù)、提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

3.2.1" 材料準備

對試片進行基礎(chǔ)性能測試，包括初始尺寸測量、材料成分分析、力學(xué)性能測試和表面性能檢測等，獲取初始數(shù)據(jù)，確保實驗所采用試片的物理和力學(xué)性能已知且一致。

3.2.2" 噴丸處理

預(yù)設(shè)參數(shù)，如噴丸顆粒大小、速度、時間和角度等，根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)調(diào)整噴丸機的噴射參數(shù)，安裝試片進行噴丸處理，對處理過程中的關(guān)鍵參數(shù)進行記錄和監(jiān)控。

3.2.3" 性能測試

噴丸處理后立即進行第二次性能測試，包括應(yīng)力分析和微觀結(jié)構(gòu)分析。記錄應(yīng)力值、微觀結(jié)構(gòu)圖像等所有性能測試的數(shù)據(jù)。

3.2.4" 數(shù)據(jù)分析

對比處理前后的數(shù)據(jù)，評估噴丸處理效果及其對材料性能的影響。

4" 實驗結(jié)果與分析

4.1" 數(shù)據(jù)展示

本實驗首先探討了不同噴丸參數(shù)對試片表面硬度的影響。如圖1所示，隨著噴丸強度的增加，試片的表面硬度顯著提高。這表明噴丸過程中的高速粒子沖擊有效地強化了材料表面，增加了其抗形變能力。

圖2展示了噴丸處理前后殘余應(yīng)力的變化?？梢杂^察到，噴丸處理后材料表面的壓應(yīng)力顯著增加。這種應(yīng)力狀態(tài)的改變對于提高材料的抗疲勞性能至關(guān)重要。

材料的微觀結(jié)構(gòu)，特別是晶粒大小和形態(tài)，對其宏觀性能有著顯著影響。如圖3所示，噴丸處理后材料的晶粒尺寸發(fā)生了明顯的細化，這通常與材料強度的提高相關(guān)。

對于工業(yè)應(yīng)用而言，材料的疲勞壽命是一個關(guān)鍵指標。如圖4所示，經(jīng)噴丸處理的試片展示了較未處理試片更長的疲勞壽命，說明噴丸成形技術(shù)能顯著提高材料的疲勞性能。

4.2" 結(jié)果分析

本文聚焦于鋁合金等金屬的機械噴丸成形對施加預(yù)應(yīng)力試片的影響，旨在通過系統(tǒng)的實驗設(shè)計與精確的數(shù)據(jù)分析，深入探索噴丸參數(shù)對成形效果及材料微觀結(jié)構(gòu)演變的影響機制。本部分為實驗結(jié)果分析，包括噴丸成形后的表面硬度變化、殘余應(yīng)力的變化、微觀結(jié)構(gòu)的細化與疲勞壽命的提升。

4.2.1" 表面硬度的變化

在實驗中，觀察到噴丸處理后試片的表面硬度從平均值150 HV增加到了約270 HV。這種顯著的硬度提升主要歸因于噴丸過程中的塑性變形和微觀硬化現(xiàn)象。具體來說，當噴丸強度從10 N增加到50 N時，表面硬度的提高率從約20%增加到了80%。這表明，隨著噴丸強度的不斷增加，丸粒以更高的速度和更大的沖擊力撞擊材料表面，導(dǎo)致材料表面經(jīng)歷更為顯著的塑性變形，材料表面的硬度值呈現(xiàn)明顯上升的趨勢，材料硬度顯著提高。

4.2.2" 殘余應(yīng)力的變化

實驗數(shù)據(jù)顯示，噴丸處理前試片表面的平均殘余壓應(yīng)力為-100 MPa，而噴丸處理后增加到了約-250 MPa。這表明噴丸處理在材料表面產(chǎn)生了顯著的壓應(yīng)力，在材料表面形成了一層致密的壓縮應(yīng)力層。例如，在表面深度為1 mm處，殘余應(yīng)力的增加量從-80 MPa提高到了-230 MPa。這種壓應(yīng)力的增加有助于抑制材料表面裂紋的起始和擴展，從而提高材料在循環(huán)載荷作用下的疲勞性能。

4.2.3" 微觀結(jié)構(gòu)的細化

通過電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)噴丸處理后的材料晶粒尺寸從平均8 μm減小至約6 μm。這種晶粒細化現(xiàn)象主要是由于噴丸引起的高應(yīng)變率塑性變形，即當高速運動的丸粒猛烈撞擊材料表面時，會在撞擊區(qū)域產(chǎn)生極大的應(yīng)變率（單位時間內(nèi)應(yīng)變的改變量），這種高應(yīng)變率導(dǎo)致材料經(jīng)歷一種快速且劇烈的塑性變形過程，材料內(nèi)部的原子和分子重新排列，形成了新的、更加細小的晶粒結(jié)構(gòu)。例如，在噴丸強度為30 N時，晶粒尺寸的減小率達到了25%，表明強化效果顯著。

4.2.4" 疲勞壽命的提升

噴丸處理后，試片的疲勞壽命從平均300 h增加到了約450 h。這一結(jié)果表明，噴丸處理顯著提高了材料的疲勞壽命。對于經(jīng)歷了50 000次循環(huán)的試片，疲勞壽命的提升比例從40%增加到了60%。這種提升主要是由于表面硬化和殘余壓應(yīng)力的綜合作用，這種綜合作用構(gòu)成了一道強大的防護屏障，延緩了材料疲勞裂紋的形成和擴展，不僅提高了材料的疲勞壽命，還增強了其在惡劣工作環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。通過精確的工藝控制和參數(shù)優(yōu)化，可以進一步調(diào)控表面硬化程度和殘余壓應(yīng)力的大小及分布，以實現(xiàn)材料性能的最優(yōu)化。

綜上所述，通過具體的數(shù)據(jù)分析可以看出，機械噴丸成形技術(shù)顯著改善了材料的宏觀和微觀性能，尤其是在提高疲勞壽命和改善殘余應(yīng)力分布方面。這些發(fā)現(xiàn)為工業(yè)應(yīng)用中噴丸成形技術(shù)的進一步優(yōu)化提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

5" 結(jié)論

5.1" 研究發(fā)現(xiàn)

本研究通過一系列實驗探討了機械噴丸成形技術(shù)對施加預(yù)應(yīng)力試片的影響，得到了以下主要發(fā)現(xiàn)。

表面硬度顯著提升：實驗數(shù)據(jù)表明，噴丸處理顯著提高了試片的表面硬度。具體來說，隨著噴丸強度的增加，試片的表面硬度從初始的約150 HV增加到270 HV左右，表明材料表面經(jīng)歷了顯著的塑性變形和硬化。

殘余應(yīng)力的顯著變化：噴丸處理后，試片表面的殘余壓應(yīng)力顯著增加，從-100 MPa提高到約-250 MPa。這種殘余壓應(yīng)力的增加對于抑制材料表面裂紋的形成和擴展具有重要作用。

微觀結(jié)構(gòu)細化：噴丸處理后材料的晶粒尺寸明顯減小，從平均8 μm減小至約6 μm，表明噴丸處理導(dǎo)致了材料內(nèi)部晶界的重構(gòu)，從而提高了材料的屈服強度和抗裂性能。

疲勞壽命的提升：相比于未經(jīng)處理的試片，經(jīng)噴丸處理后的試片展示了更長的疲勞壽命。這表明噴丸成形技術(shù)能夠有效提高材料的疲勞性能，尤其是在高循環(huán)疲勞條件下。

5.2" 應(yīng)用前景

機械噴丸成形技術(shù)，作為一種高效、環(huán)保的表面處理技術(shù)，其獨特的優(yōu)勢在于能夠通過丸粒的高速撞擊，對材料表面進行微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整，從而在不改變材料整體成分的前提下，顯著提升材料的硬度、耐磨性、抗疲勞強度等關(guān)鍵性能指標，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是在要求高耐疲勞性和高可靠性的領(lǐng)域，如航空、汽車制造和重型機械制造，此技術(shù)可以顯著提高材料的使用壽命和可靠性。例如在航空航天領(lǐng)域，機械噴丸成形技術(shù)被廣泛應(yīng)用于那些經(jīng)常受到高應(yīng)力和疲勞載荷影響的部件，如提高飛機發(fā)動機葉片、渦輪盤等關(guān)鍵部件的疲勞壽命和可靠性，而研究成果的推廣將進一步促進這些關(guān)鍵部件的性能提升和輕量化設(shè)計。在汽車制造行業(yè)，該技術(shù)可用于提高汽車零部件的耐腐蝕性和抗磨損性能，延長汽車的使用壽命，同時也有助于實現(xiàn)輕量化目標，降低燃油消耗和排放。此外，隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)合計算機模擬和數(shù)值優(yōu)化，可以進一步提高噴丸成形技術(shù)的精確性和效率。這將使得噴丸成形技術(shù)更加廣泛地應(yīng)用于材料表面工程領(lǐng)域，為提高工業(yè)產(chǎn)品的性能和可靠性提供新的途徑。

綜上所述，本研究通過系統(tǒng)的實驗驗證和理論分析，不僅揭示了機械噴丸成形過程中各種參數(shù)（如顆粒大小、速度、噴丸角度和時間等）對材料性能影響的規(guī)律，明確了該成形技術(shù)在提高材料性能方面的有效性，為精確控制噴丸效果提供了科學(xué)依據(jù)，還為其在工業(yè)應(yīng)用中的進一步開發(fā)和應(yīng)用提供了堅實的理論依據(jù)并點明了潛在方向。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的深入，這些研究成果不僅為傳統(tǒng)制造業(yè)中的材料性能優(yōu)化提供了新的思路和方法，也為新興領(lǐng)域如新能源、電子信息、生物醫(yī)學(xué)等提供了潛在的表面處理技術(shù)解決方案，預(yù)計未來將在更多領(lǐng)域看到其顯著的效果和貢獻。

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