噴丸在目前一些零件的表面處理工藝中得到了廣泛應(yīng)用，其基本原理是在一個(gè)完全控制的狀態(tài)下，將無(wú)數(shù)圓形介質(zhì)高速且連續(xù)噴射到零件表面，以實(shí)現(xiàn)特定目的的冷處理方法。當(dāng)方法和介質(zhì)不同時(shí)，還有拋丸、噴砂等說(shuō)法，不過(guò)工藝類(lèi)似，關(guān)于它們的區(qū)別就不再展開(kāi)了，本文就以噴丸為代表開(kāi)展介紹。
我們知道，噴丸時(shí)大量高硬度、高速運(yùn)動(dòng)的小彈丸撞擊零件表面，會(huì)產(chǎn)生凹坑，并發(fā)生塑性變形，如下圖所示。除非原本零件粗糙度就比較高，一般Ra>6.3才有可能出現(xiàn)噴丸后粗糙度變低，大部分應(yīng)用情況下，經(jīng)過(guò)噴丸后表面的粗糙度都是有所增加的。
一方面，表面粗糙度的增加無(wú)疑會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度，這個(gè)大家在很多疲勞計(jì)算的資料中都可以看到，會(huì)有個(gè)所謂的“表面粗糙度修正系數(shù)”。另一方面，在不改變結(jié)構(gòu)材料和設(shè)計(jì)的情況下，噴丸也確實(shí)是提高零件疲勞強(qiáng)度有效的方法。這是不是哪里有點(diǎn)矛盾？
其實(shí)這里就不得不提噴丸的兩大強(qiáng)化機(jī)理：應(yīng)力強(qiáng)化和組織強(qiáng)化。
我們知道，零件表面如果處在拉應(yīng)力的狀態(tài)下，在循環(huán)應(yīng)力作用下容易發(fā)生疲勞失效，特別是表面有缺陷和微裂紋時(shí)。而在壓應(yīng)力狀態(tài)下，即便有裂紋通常也會(huì)閉合而不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。
噴丸就可以產(chǎn)生這種應(yīng)力強(qiáng)化，彈丸高速撞擊表面后，表層材料發(fā)生塑性變形，而內(nèi)層材料保持彈性。彈丸飛離后，塑性變形層受彈性層約束，形成殘余壓應(yīng)力場(chǎng)。該壓應(yīng)力場(chǎng)可抵消外部交變載荷中的拉應(yīng)力分量，從而抑制疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展。
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零件表面如果存在初始的一些微裂紋，通過(guò)噴丸后材料的塑性變形還可以起到閉合裂紋的效果，進(jìn)一步減小疲勞失效的可能性。從組織強(qiáng)化角度看，噴丸造成的材料表層的塑性變形，會(huì)使得材料的微觀組織發(fā)生變化。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，噴丸后表面晶粒結(jié)構(gòu)更加細(xì)化，位錯(cuò)和微應(yīng)變的密度也有所增加。位錯(cuò)的重組，還會(huì)形成微米級(jí)亞晶結(jié)構(gòu)。
在某些情況下，例如奧氏體鋼，噴丸處理還可以誘發(fā)馬氏體相變，從而產(chǎn)生相變強(qiáng)化。這種微觀組織的改變使得變形層中的晶體難以滑移，從而阻止了變形層與內(nèi)部界面之間的滑動(dòng)。這些效應(yīng)可以延緩零件表面疲勞裂紋的形成時(shí)間，從而提高其疲勞壽命和耐磨性。
以上就是噴丸強(qiáng)化的機(jī)理了。一般來(lái)說(shuō)，噴丸后殘余壓應(yīng)力的增益會(huì)大于由于粗糙度增加而帶來(lái)的損失，疲勞強(qiáng)度仍能獲得顯著提升，通過(guò)合理的噴丸可提高達(dá)20%-60%。不過(guò)注意我們這里重點(diǎn)要強(qiáng)調(diào)的是合理的噴丸，其實(shí)噴丸看似簡(jiǎn)單，其工藝的設(shè)計(jì)卻非常講究，彈丸的材料、尺寸、噴丸壓力、噴丸角度、噴丸覆蓋率、噴丸次數(shù)等等對(duì)結(jié)果都有較大的影響。這里就不再展開(kāi)了。
