噴丸過程彈丸選用對材料殘余應力的影響

張秀梅

摘要：進入21世紀，噴丸工藝過程就是大量具有高動能的彈丸持續向零件表面進行撞擊的過程，彈丸類型及其硬度狀態選擇是否合理將會直接影響噴丸強化效果，彈丸材料不同噴丸強化效果將不同， 本文用鑄鋼丸、陶瓷彈丸進行噴丸試驗，探索彈丸選用對材料殘余應力的影響，為工廠零件加工參數選擇提供數據參考。

關鍵詞：噴丸；彈丸；材料殘余應力

噴丸工藝過程就是大量具有高動能的彈丸持續向零件表面進行撞擊的過程[1]，正確地選擇噴丸強化工藝參數及確保工藝參數在加工過程中的穩定性，是提高零件疲勞強度和抗應力腐蝕強度的必要條件。不適當的工藝參數或噴丸過程中任何一個工藝參數的變化都會影響噴丸強化質量[2]。彈丸類型及其硬度狀態選擇是否合理將會直接影響噴丸強化效果，彈丸材料不同噴丸強化效果將不同。

目前廠內生產常用的彈丸進行噴丸試驗，表面殘余應力值如表1所示，同種彈丸隨不同強度的表面殘余應力值變化如圖3-1所示；陶瓷彈丸的殘余應力分布如圖3-2（a）所示，鑄鋼丸的殘余應力分布如圖3-2（b）所示，陶瓷彈丸與鑄鋼丸0.15mmA噴丸強度的殘余應力比較如3-2（c）所示， 陶瓷彈丸與鑄鋼丸0.2mmA噴丸強度的殘余應力比較如3-2（d）所示，二次噴丸的殘余應力分布如圖3-2（e）所示，鑄鋼丸與二次噴丸的殘余應力比較如3-2（f）所示。

從表1可以看出，相同覆蓋率不同彈丸噴丸后的表面殘余應力，采用陶瓷丸噴丸，在相同覆蓋條件下，表面殘余應力基本不變，均在-400MPA左右；采用鑄鋼丸噴丸后，殘余應力隨著噴丸強度的增大，表面殘余應力數值先上升后下降。造成這個結果的原因是由于噴丸強度較小時，由于鑄鋼丸硬度偏小，表面形變強化效果不足，無法產生較好的殘余應力分布，表面殘余壓應力數值較小，而噴丸強度過大時鈦合金表面形變嚴重，導致表面殘余應力松弛。采用較大直徑的鑄鋼丸噴丸后，表面殘余應力數值進一步減小，這是由于大直徑大強度鑄鋼丸噴丸后，表面塑性形變更加嚴重而導致殘余應力松弛的結果。

從圖1（a）、（b）可以看出，同種彈丸隨噴丸強度增加，殘余應力分布向右下方移動，說明當噴丸強度增加，表面殘余應力隨之減小、最大殘余應力深度和應力場深度都有所增加。從圖1（c）、（d）可以看出，與相同噴丸強度的陶瓷丸相比，鑄鋼丸噴丸后的表面殘余壓應力小于陶瓷丸，鑄鋼丸和陶瓷丸噴丸的殘余應力場深度基本一致，說明噴丸強度與殘余應力場深度具有正比關系，鑄鋼丸噴丸后最大殘余應力對應深度大于陶瓷彈丸噴丸?？傮w比較陶瓷丸要優于鑄鋼丸。

同時還進行了二次噴丸對比試驗，試驗結果：經過二次噴丸調節后，采用陶瓷丸的殘余應力分布在玻璃丸的殘余應力分布下方，說明陶瓷丸產生表面殘余應力和最大殘余應力都大于玻璃丸，所以二次噴丸采用陶瓷丸。二次噴丸后由于陶瓷丸噴丸的調節作用，最大殘余壓應力向表面層移動，使表面壓應力數值增大。相比于鑄鋼丸噴丸強度0.3mmA，采用二次噴丸后的最大殘余應力對應的深度減小。產生上述現象的原因有：鑄鋼丸密度大于陶瓷丸，硬度略小于陶瓷丸，在相同的噴丸強度下，鑄鋼丸噴丸造成的表面層塑性形變大于陶瓷丸噴丸，表面層塑性形變的存在導致了殘余應力松弛，因此鑄鋼丸噴丸造成的表面殘余應力小于陶瓷丸噴丸，鑄鋼丸最大殘余應力位置深于陶瓷彈丸；噴丸強度是噴丸能量的表征，相同的噴丸強度代表基本相同的能量，因此相同噴丸強度造成殘余應力場深度也基本相同；一般來說，噴丸可以在鈦合金表面形成梯度的塑性形變層與彈性形變層，殘余應力場中的最大殘余壓應力是表面層塑性形變導致應力松弛與次表面彈性形變產生殘余壓應力相互競爭的結果，其數值是一個材料的本征屬性。

（a）陶瓷彈丸，（b）鑄鋼丸，

（c）0.15mmA噴丸強度陶瓷彈丸與鑄鋼丸比較，

（d）0.2mmA噴丸強度陶瓷彈丸與鑄鋼丸比較，

結論：

陶瓷彈丸和鑄鋼丸由于在材料表面引入了殘余壓應力場，顯著提高了抗疲勞性能，隨噴丸強度的增加，殘余壓應力分布向右下方移動。在相同噴丸強度下陶瓷彈丸的表面殘余壓應力值、最大殘余壓應力都比比鑄鋼丸大，兩者形成的噴丸強化層深度基本相同。

引用文獻：

[1]中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊.中國標準出版社，1988年9月，第1版.

[2]王仁智.金屬材料的噴丸強化原理及其強化機理綜述[J].中國表面工程，2012，6：51-53.endprint