第四章+表面形变强化

第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术表面形变强化：采用喷丸、滚压或挤压金属零件的表面，使其表面产生塑性变形，形成形变强化层。显微组织变化表层压应力抗疲劳强度耐磨性耐腐蚀性改善应用：航空、航天、机械、纺织、汽车、铁道等工业领域•表面形变强化•表面形变强化基本原理是通过机械手段(滚压、内挤压和喷丸等)在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层。•硬化层中产生两种变化：•1)在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，•晶格畸变度增大；•2)形成了高的宏观残余压应力。这两种变化使得金属表面的强度、硬度得到了很大提高，疲劳寿命也有了很大的改观。第四章表面形变强化技术喷丸强化机械镀表面滚压和孔挤压强化表面形变强化第四章表面形变强化技术喷丸技术的发展第四章表面形变强化技术喷丸表面强化技术是本世纪三十年代发展起来的一种表面强化工艺，首先应用于汽车制造业中的各种弹簧，以提高其疲劳寿命。目前，喷丸工艺在国外，已经被广泛应用于铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢、结构钢、高强钢及超刚强钢、高温合金及粉末冶金等零构件。第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术喷丸技术发展简介20世纪60年代末以来的波音747、本世纪初期至今的空客A380等，喷丸成形一直是飞机机翼整体壁板首选甚至是唯一的成形手段。第四章表面形变强化技术喷丸技术在国内的发展国内喷丸成形技术的起步较晚，始于20世纪60年代末期。我国的喷丸强化工艺，首先是在航空制造工业中得到应用。在今后的若干年内，喷丸强化技术在我国将有很大的发展空间。很早之前，一片汽车钢板弹簧热处理后，工匠们就会不断地用锤子连续敲打、捶击它。那时候工匠们并不清楚他们这么做的结果会让板簧的使用寿命延长6倍20世纪90年代初，国内喷丸成形技术研究才迎来第二个高潮，到20世纪90年代中期，掌握了机翼6米级整体壁板喷（抛）丸成形技术，使国内喷丸成形技术跨入数控时代。第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术E)带有应力集中部位的各种零构件4.1.1喷丸强化的应用1）可预防汽车零件弯曲疲劳；改善齿廓根部的弯曲疲劳性能；提高曲轴的抗疲劳性能和安全使用寿命；增加连杆的强度和刚度。2）提高齿轮齿部弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，是改善齿轮抗咬合能力、提高齿轮寿命的重要途径。3）提高紧固件抗疲劳断裂的应力腐蚀、抗氢脆断裂的一种行之有效的表面强化工艺。经喷丸强化后工件的使用可靠性、耐久性均可获得明显的改善和提高。第四章表面形变强化技术喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件。第四章表面形变强化技术4.1表面喷丸强化技术喷丸强化（Shotpeening）就是将大量高速运动的弹丸连续喷射到零件表面上，如同无数的小锤连续不断地锤击金属表面，使金属表面产生极为强烈的塑性变形，形成一定厚度的形变硬化层。喷丸强化技术是以强化工件表面为目的，不同于清利喷丸和喷砂技术。喷丸形变硬化层厚度：0.1~1mm(根据工况要求）第四章表面形变强化技术4.1.2表面喷丸强化技术原理第四章表面形变强化技术硬化层内的变化密度很高的位错高的残余压应力逐渐排列规则，呈多边形，小的亚晶粒推迟疲劳破坏交变应力温度喷丸强化硬化层结构和残余应力分布图4.1.2表面喷丸强化技术原理组织细化金属的塑形变形是通过位错运动实现的。（a）喷丸前组织，晶界与亚晶界比较清晰，晶粒与亚晶粒比较大；（b）初始喷丸时，随变形量增加，位错互相作用使位错密度不断增加，原亚晶界逐步模糊不清、消失；（c）随喷丸覆盖增加，弹丸反复冲击金属表面，使一些位错重新排列形成新的亚晶界。随喷丸时间延长，塑性变形继续进行，位错密度进一步增加，使晶界逐步消失又组成新的晶界，导致晶粒破碎、细化。喷丸前后晶粒、亚晶粒位错组态、晶界分布示意图第四章表面形变强化技术表面残余压应力产生机制由于大量弹丸压入产生的切应力造成了表面塑性延伸。由于弹丸冲击表面产生的法向力引起了压应力与亚表面应力的结合。大多数材料中两种机制并存第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术•在表面强化过程中，表面塑性变形带来的表面尺寸变化，而引起表面残余应力。下图是喷丸处理后的残余应力分布。•疲劳强度随表面残余压应力的增加而增加第四章表面形变强化技术疲劳裂纹大多从表面开始，裂纹的发展是靠拉应力，表面形变强化在表面层产生残余压力，使外加拉应力与残余压应力合成的总应力降低，从而可提高材料的疲劳强度及延长疲劳寿命，在疲劳过程中，残余应力σr起平均应力作用。第四章表面形变强化技术喷丸对波音737飞机龙骨梁腐蚀行为的影响第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术表面形貌球形弹丸告诉喷射工件表面后，将留下直径小于弹丸直径的半球形凹坑，被喷面的理想外形是大量球坑的包络面。这种表面形貌能消除前道工序残留的痕迹，使外表美观。凹坑可起储油作用，减少摩擦，提高耐磨性。第四章表面形变强化技术喷丸处理除了产生应力强化和组织细化外，还可以有效消除这些加工刀痕。第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术4.1.3表面喷丸强化技术设备气动式喷丸机机械离心式抛丸机喷丸设备吸入式喷丸机重力式喷丸机直接加压式喷丸机第四章表面形变强化技术4.1.4喷丸强化用设备4.1.4喷丸强化用设备喷丸强化用的设备主要有两种结构形式：气动式与机械离心式。（1）气动式喷丸机气动式喷丸机是依靠压缩空气带动将弹丸从喷嘴高速喷出，冲击工件的设备。适用于要求喷丸强度较低、品种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零件。•按弹丸运动方式可分为吸入式、重力式、直接加压式三种类型。第四章表面形变强化技术压缩空气从喷嘴射出时，在喷嘴内腔导丸口处形成负压，将下部贮丸箱的弹丸吸入喷嘴内腔，随压缩空气由喷嘴射出，喷向被强化零件表面。a、吸入式喷丸机通过调节压缩空气压力控制喷丸强度，操作灵活。适于批量小、形状复杂、尺寸小的零件，但功耗大，效率低。第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术b、重力式喷丸机将弹丸提升到一定高度，借助弹丸自重由上至下流入喷嘴，由压缩空气带动，由喷嘴喷向被强化零件。第四章表面形变强化技术弹丸与压缩空气首先在混合室内混合，再通过导丸管共同进入喷嘴，由喷嘴射出，喷向被强化零件。c、直接加压式喷丸机第四章表面形变强化技术（2）机械离心式抛丸机弹丸依靠高速旋转的机械离心轮而获得动力的抛丸机。他适用于要求喷丸强度高、品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的零件。抛丸机工作原理与重力式气动喷丸机基本相同，不同之处在于用抛丸器代替了喷嘴。第四章表面形变强化技术（2）表面喷丸强化技术设备叶轮式喷丸机原理示意图第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术喷丸强化用弹丸形状：多为圆球硬度：在具有一定冲击韧性的情况下，硬度越高越好直径：0.05~1.5mm材质：铸铁、铸钢、不锈钢、弹簧钢、玻璃、陶瓷…..弹丸选择：黑色金属：铸钢丸、玻璃丸有色金属及不锈钢：玻璃丸、不锈钢丸、陶瓷丸第四章表面形变强化技术（1）铸铁弹丸：冷硬铸铁弹丸是最早使用的金属弹丸。铸铁弹丸易于破碎，损耗较大，要及时分离排除破碎弹丸，否则会影响零部件的喷丸强化质量。目前这种弹丸已很少使用。（2）铸钢弹丸：硬度：55-65HRC，铸钢弹丸的品质与碳含量有很大关系。第四章表面形变强化技术（3）钢丝切割弹丸弹簧钢丝（或不锈钢丝）切制成段制成。钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体。使用寿命比铸铁弹丸高20倍左右。需去棱角加工。第四章表面形变强化技术硬度：HRC46~50。脆性大，使用中破碎率高，造成使用成本偏大。目前主要用于钛、铝、镁及其他不允许铁质污染的材料。也可在钢铁丸喷丸后作二次加工用,以除去铁质污染和降低零件表面粗糙度。已在国防工业和飞机制造业中获得广泛应用。第四章表面形变强化技术（4）玻璃弹丸近十几年发展起来的新型喷丸材料，玻璃丸由高质量玻璃制成。第四章表面形变强化技术（6）聚合塑料弹丸是一种新型的喷丸介质，以聚合碳酸酯为原料，颗粒硬而耐磨，无粉尘，不污染环境，可连续使用，成本低（5）陶瓷弹丸弹丸硬度很高，但脆性较大。喷丸后表层可获得较高的残余应力。第四章表面形变强化技术4.1.5喷丸工艺•在实际生产中通过喷丸强度、表面覆盖率、表面粗糙度这3个参数来检验、控制和评定喷丸强化质量。影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强度就越大。喷丸形成的残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60%，残余压应力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。（1）喷丸强度喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强度达到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加。饱和点：在一倍于饱和点的喷丸时间里，弧高度值得增量不超过饱和点处弧高度值的10%。满足于上述条件时饱和点处的弧高度值定义为该组工艺参数的喷丸强度。第四章表面形变强化技术弧高度曲线第四章表面形变强化技术喷丸强度采用弧高度试片来测量。弧高度试片或称阿尔门（Almen）试片是用来综合度量喷丸强化工艺参数的一种专用量具。共三种规格：N、A、C试片；喷丸强度的表征三种弧高度试片的换算关系为：1A≈3.3N,1C≈3A。A型用于测量弧值0.1~0.6mm。大于0.6mm的采用C型试片。小于0.1mm的采用N型试片。喷丸强度的表示方法是0.25C或fc=0.25，字母或脚码代表试片种类，数字表示弧高度值（单位为mm）。第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术h：试片厚度a：测量圆周直径ƒ：弧高度d：残余应力层的深度σ：平均残余压应力弧高度试片在弹丸流的撞击下表层发生塑性流变，由此导致试样片向被喷面呈球状弯曲。取一平面作为基准面切入变形球面内，当球面与基准面相交而得出轨迹圆的直径为36mm时，由此基准面至球面最高点的间距定义为弧高度。弧高测量仪：1.将标准块的平面放置于弧高测试仪底部，待示数稳定后按归零键。2．将经过喷丸的试片于弧高测试仪底部，抛丸表面向外侧放置，此时得到形变数值。3．数值说明，表上显示的数据保留小数点后两位，此时将数值后加上试片代号即可。例：数值显示为0.42mm,测试试片为N型.最终得出数值为0.42N。第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术零件受喷表面残余压应力的大小和压应力层的深度取决于受喷材料的性能和喷丸强度。材料的强度和硬度越高，压应力越大，压应力层的深度就越浅。喷丸强度越高，压应力层的深度越深。影响残余应力的因素第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术在相同喷丸速度下：•增大弹丸直径，残余压应力不一定变大，但压应力层深度增加；•对于表面有凹坑、凸台。划痕等缺陷或表面脱碳的工件，通常选用较大的弹丸，以获得较深的压应力层，使表面缺陷造成的应力集中减小到最低程度。第四章表面形变强化技术第四章表面形变强化技术表面覆盖率：零件受喷表面上弹坑占据的面积与受喷表面积的比值，通常以百分数表示。当零件的硬度等于或低于试片的硬度时，该零件的覆盖率能够达到或超过100%；当零件的硬度高于试样片的硬度时，零件的覆盖率低于100%。（2）表面覆盖率第四章表面形变强化技术29%59%83%98%第四章表面形变强化技术覆盖率的测量方法1）采用10倍的放大镜进行目测。注：对于大面积的情况不推荐使用这种方法。2）采用冲击灵敏液态荧光跟踪系统进行目测检测，例如工业蓝。在8个小时一班的处理中应进行一次覆盖率的测定，有观察染料被去除率来判断覆盖率。第四章表面形变强化技术（3）表面粗糙度1）弹丸的粒度、硬度、颗粒形状2）工件本身材质的硬度3）压缩空气的压力及稳定性4）喷嘴与工件表面间的距离及喷嘴与工件表面的夹角第四章表面形变强化技术特殊喷丸工艺第四章表面形变强化技术C)预应力喷丸对零件表面施加一定的预拉伸残余应力，然后对其进行喷丸处理，可以产生更高的表面残余压应力和更深的残余压应力层。第四章表面形变强化技术喷丸后处理1）在喷丸处理完并移除保护物后，应将物体表面所有喷丸粒子及喷丸碎片清理干净，清理时不得