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第二十liu期 喷丸表面de塑xing延伸襶ue扒慷忍豿ing
发bushi间:2018/10/15 8:56:26

引 言                                                                                                                                                                             

喷丸yi般需要jiaoda程度de褃ougong拍艽锏絰iao果,但却广泛地yong于高强度襶ue暗脱you箈ingde工程零件上,这kan起来像个悖论。单个凹坑ke以引起超过100%de塑xing变形。如图1suo示,变形区yude深度蕅ian伎颖旧砩疃萪e两倍。表层AC段de高度在喷丸后减小了yi半变为BC段。因此,变形区yu存在deping均压suo塑xing变形deng于拉伸变形de100%(采yong工程应变公式计算得出)。变形程度在C点(即塑xing变形区yudebian界)为0%,在B点达到最da。假设变形程度随深度de变化为yi个简单de线xing变化,那么在B点deng于200%。

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图1. 喷丸后零件表面de塑xing变形fanwei示意图


柔软金属de拉伸褃ou箈ingke以达到40%,而高强度合金普遍de拉伸褃ou箈ing要小于10%。当覆盖lv达到100%shi,喷丸表面必须要抵kangda量凹坑suodai来de塑xing变形,该塑xing变形de量级ke达到1000%!本篇文章对ying响表面塑xing变形deyixie因su进xing了研究,并对随zhou褃ou箈ing变化而发生强化变化de问题进xing了蘻hi邸Ⅻ/span>

非chang明显,喷丸会dai来很高程度de变形。因此,必须shiyong正确de相关定义。图2解shi了对于dade拉伸褃ou梗肮こ逃Ρ洹焙汀皕hen应变”de差异。在danxing变形(小于1%)dai来de非chang小de褃ou筪eqing况下,工程应变和zhen应变之间de差异很小,但shi在发生巨da褃ou筪eqing况下,两者之间de差异就变得非changda。那么这个意义就shi期dai零件dexing能shi在zhen应变而非工程应变defanwei内发生变化。li如,会期wang1000mmde褃ou鼓芄辉黾忧慷鹊?至3倍,而不shi到yi个非chang巨dade倍数。


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图2. 对于施加在100mmchangde试yang上de延伸,工程应变和zhen应变之间de差异


褃ou箈ing

材料在拉伸和压suo状tai下de测试得到de褃ou箈ingshi有zhou巨da差异de。作为工程人员,普遍对于拉伸褃ou贡萰iao熟xi,这shi因为拉伸褃ougu潜萰iao容yi测试和实蟴hi摹6谘箂uo状tai下de褃ou箊hishi不容yi测试de。众suo周知,da多数工程上de失xiaoshi在拉伸状tai而非压suo状tai发生de。yixie材料,li如灰铸铁,在拉伸状tai下非changdecui,suo以其最好被shiyong在压suo应变de状tai。这主要shi因为在压suo状tai下de褃ou箈ingke以shi拉伸状taide将近20倍,如图3suo示。在拉伸状tai下,在T点shi(此shi应变yue为0.0035,即0.35%)发生了失xiao。这与在压suo状tai下,在C点shi(此shi应变yue为-0.07,即7%)发生失xiao产生了明显对比。而其分别对应de失xiao强度分别为yue+150和-900MPa。需要zhu意deshi,压suo状taide褃ou箈ing比拉伸状tai要高出yi个量级,这种qing况shi普遍存在suo有de金属材義ian衐e。


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 图3. 灰铸铁在压suo和拉伸状tai下应力/应变xing为de对比


喷丸后de材料表面shi与压suo褃ou箈ing而非拉伸褃ou箈ing相关。褃ou箈ing在数量级上de差异对解shi褃ou箈ing悖论有很da帮助。压suo褃ou筪eyi个jiao为熟xideli子就shi在打bu氏硬度shi,产生de凹坑并不会在灰铸铁襶ue捌渌鹀uixing材料上产生裂纹。

压suo测试yi般蕅ian言瞶hu形试yangde放在裧u蹈zi洌缤?suo示。把压suo应力σc施加在圆zhu形试yangde两个端面上。试yang端面和试验设眊an蟨ing台之间de摩擦力会yueshu试yang发生侧移,进而产生了peng胀。最终,在peng胀处de外表面会产生裂纹,如图4suo示。由于连续表面对于侧fangdeyueshu,这种状tai会受到抑制,如喷丸deqing形yiyang。这种yueshu在施加de应力系tong謝ing黾恿肆魈宥ρ箂uo分量。图5中demoxing显示了当圆zhu形试yang受到yi个-cde施加压suo应力shi,其会受到表面材料de环面yueshu。yueshu环会施加yi个压suo应力-r在圆zhu试yang上。

因此,就得到了yi个应力体系,ke以表达为(-c+r, 0, 0)+(-r,-r, -r),其中(-r,-r, -r)为流体动力压suo分量。流体动力压suo就shi为什么金属材料ke以轧制到很dade延伸量襶ue発e以把圆zhu试yang挤压至巨dade褃ou棺磘ai。喷丸表面de延伸xing比圆zhu试yang受到压suoshide褃ou挂猟a得多。作者本人不太清楚喷丸表面de任he标准褃ou箈ing试验。


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图4.压suo测试de示意图


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图5.圆zhu试yang在被压suo过程受到表面材料yueshude示意图


强度特xing

在喷丸过程中de高褃ou箈ing引起deling作硬化将会极da地提高材料de强度特xing。因此,比如在拉伸试验中,屈服强度ke能shi正chang拉伸试验记录de极限拉伸强度de几倍。相应地,这ye意味zhou表面de残yu应力ke以超过ming义上de拉伸极限縢u慷取Ⅻ/span>

设计中deyi个重要de问题就shike以在零件上施加相应de应力来阻zhi失xiao。如果材料shi柔xing祄o敲词iaoyi般shiyong屈服强度来定义。如果材料shicuixing祄o敲词iaoyi般shiyong断裂强度来定义。在试yang拉应力shi,柔xing材料和cuixing材料表xian出de差异如图6suo示。在施加拉应力de状tai下,柔xing材料de屈服强度要比断裂强度低得多。随zhou施加de拉应力逐渐增加,材料首xian会xian达到屈服应力de状tai,suo以屈服dexianxiang就产生了。随zhou施加da量deling作硬化作yong,材料由屈服强度状tai上升到断裂强度状tai,随后断裂xianxiang就产生了。对于cuixing材料,断裂强度非chang接近于屈服强度。随zhou施加de压应力逐渐增加,材料由屈服强度状tai(导zhiling作硬化de发生)很快上升到断裂强度状tai。随后由于断裂传播de发生,不会有进yi步deling作硬化发生。

在压suo应力de状tai下,材料关于屈服强度和断裂强度会表xian出另外yi种差异,如图7suo示。


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图6. 在拉应力下柔xing材料和cuixing材料在失xiao强度上de差异


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图7. 在压应力下柔xing材料和cuixing材料在失xiao强度上de差异


ke以yong材料结构de变化来解shi喷丸后材料强度xing能提高dexianxiang。五十多年qian,wei错理论就解shi了为什么zhen晶材料de屈服强度要比完美晶体材料低得多。同shi,wei错理论ye解shi了在观察到de应力水苆iao虏牧蟳an滑移面de输运xianxiang。yongyi个磟hi詃e但you比jiao形xiangdeli子进xinglei比,就shi汽车xing驶在城shide交通wang络中dexianxiang。如果耭ei蟴hi有少量de汽车,那么交通shi十分畅通de。然而设想yi下,如果每个起初在xing驶几脄i蟆翱寺 眣i下讁ue海敲春芸煸诿扛鍪畓i路口就会变得非chang拥挤。那么要shi车辆继续xing驶,suo需要de“力量”就会ji速增加。当丸粒打击零件表面shi,每pingfang厘米wei错de数量为单个丸粒产生dewei错数量乘以100万倍,即超过了1万亿个!ye就shi说,wei错在微秒中“克隆”了数百万ci。

喷丸表面deling作硬化结构与书本中晶体材料shi非chang不同de。喷丸后材料de结构ke以描述为“由高wei错密度de亚晶粒包weide高wei错密度区yu”。随zhouling作硬化程度de增加,亚晶粒de尺寸会逐渐变小。最终,当迫shiwei错运动de应力小于裂纹产生de应力shi,材料就达到了断裂强度。


褃ou箈ing襶ue扒慷葂ing能评gu

喷丸dexiao果最终shi由xing能(li如疲劳强度)de提升来评定de。这种测试defang法已经非chang成熟了,因此将不会在这里进xing蘻hi邸Ⅻ/span>

压suo测试对评gu喷丸de褃ou箈ingfang面有zhou很dade借鉴作yong。与喷丸产生高应变lv相side工艺就shi落锤锻造。把从旋转杆材料qie割下来de圆zhu体放置在砧座上,然后采yong落锤从不同de高度对圆zhu体进xing冲击。材料kecheng受de最da应变(此shi侧面没有裂纹de产生)gei了yi种压suo褃ou箈ingde测试fang法。但shi,测试得到de延伸lv水pingshi低于材料dezhen实水ping祄o鈙hi由于在喷丸过程中受到了连续表面施加de流体动力yueshu。

cheng受da量塑xing应变de材料de屈服强度不能yongchang规de拉伸试验来评gu。yi个经diande改进就shixian把材料进衳ing埔難i定量de褃ou梗缓蠼鴛ing拉伸试验。这种“包络技shu”引yong了yi个蔿v担丛苆u有相礲ei骴e流体动力压应力分量,因此ke襶uan秤璞仍诩虻フ帕ο禄竦胐e延伸量dayi个数量级de延伸量。图8阐明了包络技shude原理。在这个li讁ou校鴛ing了liu个不同de拉伸测试。测试1对应于材料de接shou状tai。测试2至6对应于在拉伸试验qianling轧延伸lv分为20、40、60、100和150%de材料。lv线shi代表强度变化到da量塑xing变形de包络线。对于这个li子,在150%伸changlv下de屈服强度shi接受状tai材料de极限拉伸强度de3倍左右。轧制延伸件ke以以每道ci10%de速度通过高速四gun轧机,以获得接近喷丸处理de应变速lv。


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图8. jue定高应变强度de包络技shu


喷丸表面de强度水pingke以通过间接defang法进xing测试。经changshiyongdefang法shi测试X射线衍射峰de宽度襶ue跋晕⒂捕取射线衍射峰de宽度和显微硬度会随zhouling作硬化(ye就shi屈服强度)de程度增加而增加。这两种fang法都ke以而且应该shiyong含有已知da量塑xing应变(you导ling轧、压suo或挤压)de材料来进xing校准。


蘻hi邳/span>

评jia喷丸过程中de褃ou箈ing和强度变化需要shiyongchang规拉伸试验之外de技shu。这xiejiaodade数zhi意味zhou应该shiyongzhen应力和zhen应变de定义。通过X射线衍射峰de宽度和显微硬度ke襶ue浣拥亟鴛ing强度变化de测试。ke以通过剧烈ling作硬化de参考试yang对上述fang法进xing计量。喷丸过程中褃ou箈ingde变化shi难以评gude。作者曾shiyongyi种简单de技shu来测试裂纹de萌生。这包括把半球形形状de硬质合金圆zhu体从不同de高度pao出。相对cuixing材料de裂纹shi从yi个临界高度落下击打后产生de。

    这种解shide实质shi,在喷丸强化过程中,材料随zhou发生很da程度de褃ou梗淝慷葃e相应da幅度提高。之suo以发生da程度褃ou梗饕猻hi由于变形de压suo特xing襶ue皒ian有de流体压suodegong同作yong。喷丸后材料de屈服点会da幅度增加,因此喷丸后de材料ke以cheng受相比未喷丸材料de极限拉伸强度更高de残yu应力。然而,材料特有de褃ou箈ing不应该被lanyong,因为高水pingdeling作硬化相当于高水pingde能羕an娲ⅰU庵帜芰縦e以成为萺anせ畋浠痙e驱动力,li如产生应力shi放,这对于零件shi不利de。