简ti中文    ENGLISH

第二十四期 喷丸在零件表mian引入的塑衴uan湫味圆杏嘤αΦ挠皒iang
发布时间:2017/12/25 15:43:42

引 言                                                                                                    

    喷丸在零件表mian引入的残余压应力层是实际喷丸效果的重要yin素。该零件表层的残余压力层keyi抵xiao外部shi加的拉应力,从而keyi使零件在pi劳、fu蚀pi劳和应力fu蚀的环境xia提高其服役性能。yinci,任何能够影xiang表mian应力shui平的yin素都是fei常重要的。

    众所周zhi,一ding温度xia的热处理keyi降低零件na部的残余应力shui平。通常keyi通过xiaochu应力退火的方法降低零件表mian的有害拉应力。但是,一ding温度xia的热处理也keyixiaochu有益的表mian残余压应力,yinci在一些标zhun规fan中,对于喷丸后的零件使禁止热处理的。目前大jiake能了解比jiao少的是,xiao的塑性应变能够hen大程度地影xiang喷丸后零件的残余应力分布。有研究指出,对于喷丸后铝合金(AlCu5Mg2),压和拉塑性应变keyigai变表mian的应力shui平。在cai料表mian上shi紋ou籫exiao的拉塑性应变keyibacai料表层的yuan始残余压应力gai变为残余拉应力。从ling一方mian来jiang,压塑性应变仅仅降低了表mian残余压应力shui平,而未能gai变压应力的符号。

    本篇文章主要关注塑性应变对已喷丸cai義i挠皒iang。本篇文章只kao虑所shi加的拉应变,这是yin为拉应变比压应变的效果要大的多。xuan择liang种常见的纯元素cai料,铜和镍yiji三种钢铁cai料-低碳钢(美国条钢牌号B)、碳素钢(BS EN8)和低合金钢(BS EN30B)。对于liang种纯元素cai料,检测了其次表层的残余应力分布变hua。采用相同型号的丸料对yi上试块的liangge主要的mian进行喷丸强hua。

试yan细节 

    用于研究的几种cai料分bie为铜(99.99%),镍(0级,99.92%镍),低碳钢(美国条钢牌号B,0.05%),碳素钢(BS EN8,0.4%C,0.8%Mn)和低合金钢(BS EN30B,0.3%C,0.5%Mn,4.1%Ni,1.25%Cr,0.3%Mo)。

    试yan试样表mian平整。铜和镍试样的尺寸为150mm×13.0mm×3.0mm,三种钢铁cai料试样的尺寸为150mm×13.0mm×2.2mm。所有试样在喷丸前都进行了xiaochu应力退火。铜和镍试样采用SAE 70的丸料yi5N(0.127mmN)的强度进行喷丸。三种钢铁cai義i氖匝捎肧AE 110的丸料yi8A2(0.203mmA,A2型试片)的强度进行喷丸。

    ba伸长计yi次放入到试样中,采用dian子拉伸测试she备对试样shi加拉塑性应变。对于每种cai料,分bie对一xi列的试样shi加不同的塑性应变。每一ge试样的应变keyi通过负载/延伸曲线进行估suan。精确的塑性应变ke使用移测显weijing通过每geweixiao的钻石形状的压痕得出。

    对铜和镍试样的次表层残余应力测试需要对cai料进行lian续均匀的去chu。keyi采用合shi的溶液用hua学抛光的方法蔰i帧J詙an中只对试样的一gemian进行hua学抛光并对cai料去chu后对残余应力的影xiang进行修正。

试yan和结果

    关于所shi加的塑性应变秠uan韒ian残余应力shui平的影xiang的研究结果如tu1~5所示。测试每ge张力试样在拉伸伸展前后的表mian应力shui平。对于所研究的五种cai料,均测试了其喷丸后的应力分布。该应力分布的分san特征均ke归yin于喷丸的变hua性,即残余应力其本身的测试精度xiao于分san度的四分之一。所有五ge应力/塑性应变曲线的形状均fei常相似。一ge共同的特征就是suizhou所shi加的塑性应变的增加,残余应力shui平hen快地降低到了零应力。应力变为零所对应的塑性应变keyi称之为“临界应变”。铜、镍、低碳钢(美国条钢牌号B)、碳素钢(BS EN8)、和低合金钢(BS EN30B)的临界应变值分bie为0.30%、0.275%、1.1%、1.25%和0.30%。第二ge共同特征就是在临界应变之后,suizhou塑性应变的进一步增加,试样表mian的应力变为残余拉应力。在tu1~5中,均存在一gezui大的残余拉应力dian,该dian过后,suizhou塑性应变的增加,残余拉应力shui苆iao陆怠M⒛⒌吞几郑拦醺峙坪臖)、碳素钢(BS EN8)、和低合金钢(BS EN30B)的zui大拉应力值分bie为+160、+185、+375、+300和+260MPa。

    在铜和镍cai料上对残余应力的进一步展开研究(bao括应力层的lian续去chu)。研究结果如tu6和tu7所示。结果显示出了一些有趣的特征。铜和镍喷丸后的残余压应力层深均为150μm左you。该层深过后,就出现了残余拉应力。在shi加应变的qingkuangxia,临界应变过后,其应力分布yu喷丸状态相反,即表层为拉应力层,而na部为yu之平衡的压应力层。keyi推duan出,suizhou临界应变的增加,表mian拉应力层深会sui之增加。对铜试样shi加的应变为0.31%时(略wei超过临界应变值0.3%),其应力层深为50μm,而对镍试样shi加的应变为1.31%时(jiao多超过临界应变值0.275%),其应力层深为100μm。对铜试样shi加次临界应变0.25%时,则其应力状态显示为喷丸后状态和应变1.31%状态的中间状态。sui然其表层仍未压应力状态,但在次表层中显示出了应力shui平jiao低。

    在试样上也进行了塑性形变前后的金相和显wei硬度的研究。研究结果表明,(1)喷丸后状态的试样其硬hua层和压应力层深相藀i唬?)shi加的塑性应变直至1.0%,试样表层的显wei硬度没有明显gai变。

 

tu1.喷丸后铜cai義i牟杏嘤α?塑性延伸曲线

 

tu2. 喷丸后镍cai義i牟杏嘤α?塑性延伸曲线 

tu3. 喷丸后低碳钢(美国条钢牌号B,0.05%)的残余应力/塑性延伸曲线

 

tu4. 喷丸后碳素钢(BS EN8)的残余应力/塑性延伸曲线

 

tu5.喷丸后低合金钢(BS EN30B)的残余应力/塑性延伸曲线

 

tu6. 喷丸后yiji应变后铜cai義i牟杏嘤αΣ闵罘植稽/span>

 

tu7. 喷丸后yiji应变后镍cai義i牟杏嘤αΣ闵罘植稽/span>

讨论和结论

    所观察到的拉塑性应变对残余应力的影xiang结果yu其它报dao的研究结果fei常一致。yincikeyi推duan如果临界拉塑性应变进一步增加,喷丸引入的表mian残余压应力有ke能会发生反转成为残余拉应力。这一结论fei常重要,yin为喷丸后引入的残余压应力的优势在一ding条件xiake能会xiaoshi。如果零件表mian存在残余拉应力,那么对该零件的服役性能是fei常不利的。而喷丸后的零件处在一ge拉塑性应变的环境中也不是没有ke能的。零件的偶然损害有ke能会发生。变形的零件ke能会需要进行校正。如果ke能的话,上述qingkuang应该要避免。有时,重新喷丸的方法会被用于使零件保持一ding残余压应力层深。

    从次表层残余应力的研究结果来kan,应力反转并不会限ding在zui表层。所引入的残余拉应力的层深也keyiyuyuan始的压应力层深达礿iao嗨频淖刺Ⅻ/span>

    从次表层残余应力变hua所得到的结果fei常有限,只能具ti地、ding量地来解释试yan结果。如tu8所示,该tu为简单的机理解释。tu中显示了喷丸后的应力分布为σRyiji沿jiemian的屈服应力γ的变hua分布。表mian的屈服应力要稍高一些。主要是yin为喷丸带来的冷作硬hua的效应。shi加任意的拉应力σA和σR,liang者结合形成σC的应力分布。dangσA达到一ge临界值,那么σC会达到yuna部屈服应力相同的值。yinci其na部就会发生永久的塑性拉伸变形。但是在该阶duan表层仅仅cheng受dan衴uan湫巍H缓髃eyihuo得残余应力发展基本机理的均匀塑衴uan湫蔚膁ian型状态。na部的塑性延伸变形被表层的拉应力所抵抗。na部塑性延伸变形越大,那其表mian的平衡力也越大。该增加的平衡力通过表mian增加的拉应力shui平和层深表现出来。

    总之,需要指出的是,在喷丸后的cai料中,对于塑性应变对残余应力分布的影xiang还有相dang广阔的领域值得去探究。



 

tu8.喷丸后试样经过拉伸应变后的应力叠加tu