喷丸强化技术概论ppt课件.ppt

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1、材料表面喷丸强化技术概论,一、概述二、喷丸强化原理三、喷丸强化工艺参数四、喷丸工艺使用方法五、喷丸强化设备六、喷丸强化质量评价七、结语,一、 概述喷丸强化是高速运动的弹丸流喷射材料表面并使其表层发生塑性变形的过程。,喷丸过程中，弹丸反复打击材料的表面，最终在材料表面附近造成一塑性变形层即强化层的深度，其深度为0.10.8mm,强化层,合理利用引入表面塑性变形层的 1、残余压应力场(应力强化) 2、变形显微组织(组织强化) 3、残余奥氏体向马氏体转变(相变强化)可以改善材料疲劳及应力腐蚀抗力,需要说明，即使是精加工后的表面，仍然存在着加工的刀痕，往往是疲劳裂纹的起源。 喷丸处理除了产生应力强化和

2、组织强化外，还可以有效消除这些加工刀痕。,历史上讲，喷丸强化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，已广泛应用于铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢、结构钢、高强和超高强钢、高温合金及粉末冶金等零构件。,早在1948年美国宇航材料规范中制定了喷丸强化工艺规范(AMS-2430)。 1959年美国军用标准(MIL-C-26074A)中，规定军用产品电镀前零件构必须进行喷丸处理。 1967年，美国工程师学会汇编并出版了喷丸手册。 另外，美国空军颁布的规范(MIL-STD-1587)中规定，凡强度超过400MPa钢锻件，都必需

3、进行喷丸强化。,与其它表面强化工艺相比，喷丸强化工艺不仅具有操作简便、成本低廉、适应性广和强化效果显著等一系列优点。 上世纪八十年代以来，国际上一度兴起了喷丸热，各种机械零件采用喷丸强化工艺的数量与日俱增。 1981年9月在法国巴黎召开了第一届国际喷丸强化会议，以后每三年即召开一次。,我国的喷丸强化工艺，首先是在航空制造工业中得到应用。 目前国内喷丸技术十分落后，许多单位是利用喷砂来代替喷丸，强化效果较差。 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。,凡具备下述特征的零构件，应优先考虑采用表面喷丸强化处理。 A) 承受交变载荷易产生疲劳失效的承力件 B) 易产生应力腐蚀(或氢脆)

4、失效的承力件 B) 带有应力集中部位的各种零构件 C) 焊缝及其热影响区 D) 各类螺旋压缩弹簧 E) 需要电镀Cr、Ni、Ni+Cd、Cd+Ti等钢件 F) 需要阳极化处理的铝合金零构件,强化层,二、喷丸强化原理 在弹丸冲击下，材料表层产生循环塑性应变，材料表层发生三种变化： A) 表面粗糙度发生变化 B) 表层引入残余压应力场 C) 表层形成塑性形变细化组织 D) 表层残余奥氏向马氏体转变,应力强化、组织强化和相变强化，可使材料疲劳性能及抗应力腐蚀性能获得明显改善。 但喷丸后引起的表面粗糙度增加，有时对其疲劳性能不利。 生产中，可以通过控制喷丸工艺参数，避免零件表面粗糙度的增加。 也可通过

5、二次喷丸或喷丸后表面精加工，来削弱粗糙度的不利影响。,1、应力强化喷丸引人材料表层的残余应力沿表层深度的分布如图。其中，残余压应力的深度c 随着材料强度和喷丸工艺参数而变化。,c,当喷丸强度恒定时，材料强度越高则c 值越小 当材料强度不变时，喷丸强度越高则c 越大 通常情况下，c在0.10.8mm的范围内,下图是300M高强钢 (b=1900MPa)喷丸残余应力分布曲线，可见喷丸强度由 0.13Amm增高至0.75Amm，导致c由0.15mm增至0.55mm，但表面残余应力和最大残余应力变化不明显。,喷丸强度恒定0.39Amm条件下，40CrNiMoA和30CrMnSiNi2A钢的表面残余压应

6、力r 随材料屈服强度或拉伸强度的变化如下图，即表面残余应力随其s 或b 增高而增大。,图为光滑表面或表面浅裂纹试样的喷丸残余应力r、外加循环拉应力ap及二者之和沿表层的分布曲线。可见，由于残余压应力存在，材料表层实际承受的拉应力水平降低。,当零构件承受恒定拉伸载荷时，引入的残余应力场基本上不发生松驰，但是当零构件承受交变载荷时，则可能发生松驰。 交变外载压应力会使残余压应力发生明显的松驰，某些材料即使交变压应力水平较低，也会导致喷丸残余压应力的明显松弛。 然而，交变外载拉应力对残余压应力的影响相对不明显。,喷丸残余应力的松弛按其性质可分为静载松弛和动载松弛。 发生在1至5周应力循环的松弛，称做

7、静载松弛。而在随后的多次循环中的继续松弛则称做动载松弛。 外加交变应力越大，则喷丸残余应力的静载松弛比例越大。,为了避免由于残余应力松弛而给表层材料带来的一定损伤，必须恰当控制喷丸引入的残余压应力场。 在一般情况下，应根据零件服役中所承受的交变应力水平、受力状态以及材料表层的屈服强度来选择喷丸引入的优化残余应力场。,疲劳裂纹通常起源于零件的表层区域。 对优化残余应力场，外载应力与残余应力抵销差低于表面疲劳极限，可避免表面萌生疲劳裂纹。 表层一定深度的外载应力与残余应力抵销差低于材料内部疲劳极限，则不会在该处萌生疲劳源。,2、组织强化喷丸应变层内的组织结构，包括位错密度及形态、晶粒形状、亚晶粒尺

8、寸、相转变等方面均发生变化。,对于多数材料，喷丸应变层内的位错密度增高、晶体点阵畸变增大，亚晶粒细化。 这些因素，都可以阻碍疲劳裂纹在材料表面和次表面的萌生，延长疲劳裂纹成核寿命。,有时，喷丸处理会导致表面粗糙度增大，这会给材料的疲劳强度带来损失。 但是，喷丸处理导致粗糙度增高所带来的疲劳强度损失，总是小于应力强化和组织强化所带来的疲劳强度增益。 而且，还可以通过工艺参数，改变喷丸后的表面粗糙度，从而获得最佳的强化效果。,事实上，通过优化喷丸工艺，不但不会造成零件表面粗糙度的增大，反而有可能使零件的表面粗糙度的降低。 例如据国外报道，某钢材零件经喷丸后，硬化层达 0.7mm，表面粗糙度由 Ra

9、52.5m 减小到Ra0.630.32m ，可提高几十倍的使用寿命。,三、喷丸强化工艺参数 包括弹丸直径及硬度，弹丸速度及流量，喷射角度及时间，喷嘴至零件表面的距离。 而在一定的喷丸强度和表面覆盖率下具有一定的喷丸强化效果。 通常要求控制和检验的喷丸工艺参数，主要是弹丸尺寸和形状、弹丸流量、喷丸强度及表面覆盖率，而其中最要的是喷丸强度。,1、喷丸参数(1) 弹丸 它是喷丸强化工艺中使用的形状为球形或无棱角的圆柱形且均为实心的介质材料。 喷丸强化使用的弹丸包括玻璃丸、铸钢丸、不锈钢丸、切制钢丝、陶瓷丸、塑料丸等。 弹丸的质量均应符合各项技术要求。,对于大多时的钢材机械零构件，喷丸处理中最常用的弹

10、丸是钢丝切丸。这类弹丸尺寸通常选择0.5-0.8mm，硬度HRC55-58,(2) 弧高度试片及弧高度值 用65Mn(或70号)冷轧弹簧钢带制成的用于测量喷丸强度的标准试片就是弧高度试片。 试片单面在弹丸冲击下，表面层发生塑性流变，由此导致试片向喷射面呈球面状弯曲。 基准面至球面最高点的距离称为弧高度。,共三种类型试片，即N试片、A试片及C试片，它们的材质、硬度以及几何尺寸等均应符合相关的技术要求。,N试片适用于低喷丸强度情况，A试片适用于中喷丸强度， C试片适用于高喷丸强度。 具体来讲，N试片用于A试片弧高0.6mm情况。,(3) 弧高度测具测量标准试片弧高度值的标准测量工具，应符合相关的技

11、术要求。,(4) 喷丸强度在其它喷丸强化工艺参数固定的条件下，试片的弧高度值起初随着喷丸时间而迅速增高，但随后逐渐变缓，最终达到饱和或准饱和。,过饱和点后弧高度值与喷丸时间之间成线性关系。直线段外推与曲线的偏离点为饱和点，饱和点处的弧高度值，称为喷丸强度。,(5) 表面覆盖率 在被喷丸零件表面的规定部位上，弹痕占据的面积与要求喷丸强化的面积之间的比值，称为表面覆盖率。 当喷丸覆盖率低于100%时，可直接中工具显微镜直接测量。 对于实际零件的喷丸，其覆盖率肯定是超过100%时，覆盖率计算公式为 (实际喷丸时间/覆盖率100%喷丸时间) 100%,2、喷丸强化工艺参数的选择原则 根据零构件的材质、

12、尺寸、工作环境、加载方式及载荷水平等，来确定喷丸工艺参数。 一般地讲，材料疲劳强度与喷丸强度之间并不存在单调变化关系。,在低喷丸强度范围内，疲劳强度随喷丸强度增高逐渐增高，但超过一定喷丸强度之后，疲劳强度则开始下降。 对于任一种材料，在其尺寸、加载方式及环境等条件不变的情况下，均有一个最佳的喷丸强度(PIop)，此时可获得最佳的强化效果。,有两种确定材料最佳喷丸强度的方法，即S-N曲线法和移植法。(1) S-N曲线法该方法需要通过大量疲劳性能(FP)试验，根据喷丸强度对材料FP的影响程度确定最佳喷丸强度，步骤如下 A) 根据零件承载方式，选择疲劳试验方法(弯曲疲劳、拉拉脉动疲劳、扭转疲劳等),

13、B) 参考零件的薄弱环节的尺寸和形状，确定疲劳试样的尺寸和形状 C) 将试样分成若干组(a，b，c，组)每组采用不同的喷丸强度(如a组的喷丸强度为PIa，b组为PIb，等)进行喷丸处理 D) 将未喷丸试样与喷丸试样做疲劳试验，试验结果一并列入图中,取各组试样疲劳强度极限，可获得图中e-PI曲线，由此确定材料的最佳喷丸强度Plop 图中S-N曲线表明，喷丸强度为PIc一组试样具有最高疲劳强度，即PIc为最佳喷丸强度。,该方法需要多条S-N曲线，才能获得材料的最佳喷丸强度 PIop 由于需要大量时间和费用，故此方法适用于研究单位的系统试验研究，广泛积累试验数据。 对于工厂设计师，往往不宜采用此方法

14、来确定具体零件的喷丸强度。,(2) 移植法 所谓移植法就是把材质和尺寸相当的同类型零构件的喷丸强度，直接引用并作为新零件的喷丸强度。 对于重要的承力件，这种喷丸强度的移植往往需做些变动，并通过零构件的对比疲劳试验结果最后确定所应选择的喷丸强度。,确定所应选择的喷丸强度，其步骤如下 A) 根据零件承载方式，确定疲劳试验方法 B) 参考同类零件的喷丸强度，选择一种至几种喷丸强度，对零构件进行喷丸强化 C) 在同一种交变应力(a)下进行疲劳寿命对比试验，选择为未喷丸情况5105周断裂寿命的交变应力为宜,D) 根据疲劳寿命对比试验结果，确定被移植零构件的喷丸强度，图中喷丸强度PIc即零件适宜的喷丸强度

15、。,3、特殊喷丸工艺 A) 二次喷丸采用二次或多次喷丸工艺，每次的喷丸工艺参数各不相同，目的是改变零件表层残余应力场以及表面粗糙度等。 B) 热喷丸材料在加热状态下进行喷丸，由于此时材料塑性好，可以产生更深的残余压应力层。,C) 预备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。 D) 复合喷丸强化首先对零件进行诸如表面感应淬火、表面激光淬火或表面渗氮等后，再实施喷丸处理，可达到更为良好的表面强化效果。,渗氮与喷丸复合强化后的残余压应力剖面示例,四、喷丸工艺使用方法 1、推荐采用喷丸处理的零构件 具备下述制造条件和服役条件

16、的零构件，均应优先考虑采用表面喷丸强化处理。 A) 承受交变载荷并且容易产生疲劳失效的重要承力件 B) 在恒定载荷和腐蚀环境共同作用的易产生应力腐蚀(或氢脆)失效的重要承力件 C) 拉伸强度超过1400MPa的各种钢锻件,D) 需要进行电镀Cr、Ni、Ni+Cd、Cd+Ti等的钢零构件 E) 需要阳极化处理的高强铝合金零构件 F) 带有应力集中部位(如内外圆角、键槽、焊缝、工具标记、压印标记以及结构上的突变区域等)的各种零构件 G) 焊缝左右约30mm的区域 H) 各类螺旋压缩弹簧,2、采用喷丸强化处理应注意的事项(1) 喷丸后续工序的影响 经过喷丸强化处理的零件，有时还要求进行某种机械加工或

17、热加工。 某些零构件要求表面镀铬，其表面粗糙度要求很低(光度很高)，对这类表面粗糙度有严格要求，喷丸处理后需要进行表面磨加工。 另一些零件喷丸后还要求进行热处理，电镀之后需要加热除氢等。,A) 表面机械加工 一般情况下，喷丸处理会引起表面粗糙度的增加。其中，在低喷丸强度范围内，经过适当控制可以不改变其粗糙度。 对于表面粗糙度有一定要求的零构件，喷丸处理后只允许进行表面磨加工 ( 或表面电抛光加工)。,磨加工的去层深度取决于喷丸引入表层残余压应力的深度和应变层内的形变组织的深度。 对于那些主要依靠应力强化的零构件，喷丸后磨加工去层厚度，通常控制在残余应力层深度的1/10为宜。,对于主要依靠组织强

18、化的零构件(如高温条件下服役的高温零构件)，磨加工去层深度控制在形变组织深度的1/5为宜。 在一般情况下，按上述规定条件加工喷丸表面，既可以使喷丸表面的粗糙度值降低即光度提高，又能够确保零构件的疲劳断裂和应力腐蚀断裂抗力等。,下图是LC9铝合金喷丸残余压应力深度约0.5mm，其S-N曲线高于未喷丸S-N曲线。 图中表明，将喷丸表面电抛光去层约0.08mm后，则其S-N曲线略高于原始喷丸试样。,B) 热处理 一般情况下，不建议对喷丸处理零构件进行后续加热处理工序。 对于结构钢和钛合金的加热温度通常不应超过300，不锈钢不应超过400，铝合金和镁合金不应超过105,这些规定是为了不使表面残余压应力

19、发生大幅度的松弛，从而影响强化的效果。 对于某些特殊情况，允许适当提高喷丸零构件的加热温度，加热温度极限应视具体情况通过试验确定。,C) 零件厚度与喷丸强度喷丸残余应力可能导致薄零件变形，故各喷丸强度规定了最小零件厚度，钢材零件如下,(2) 残余应力松弛的影响 只有在外加交变应力中有压应力成分时，才能引起喷丸残余压应力发生明显的松弛，例如单向交变弯曲加载或双向反复弯曲和旋转弯曲的加载方式。 在此加载条件下，残余压应力的松弛量取决于外加交变压应力水平、引入残余压应力水平以及材料的屈服强度。,零件表面喷丸残余应力发生明显松弛时，允许对其采用二次喷丸处理，使表层回复原有的残余压应力水平，再次获得强化

20、的效果。 至于这种零构件可重复喷丸处理的次数，应视零构件的性质、材料以及在服役中的松弛情况而定。,(3) 喷丸对屈服强度的影响 喷丸使材料表层引入残余压应力，但其内部同时产生残余拉应力。 喷丸对材料屈服强度(0.2)的影响，主要是心部残余拉应力 +r的影响，心部+r越高则0.2下降幅度越大。 但对于壁厚(或直径)大于 4mm 的零构件，喷丸引起+r对0.2影响即可忽略不计。,(4) 加载方式的影响 喷丸对改善弯曲疲劳和扭转疲劳性能的效果最为显著，而对拉-拉(拉-压)疲劳性能的改善程度则不如前者，当然它仍有不可忽视的作用。 在一定的加载条件下，喷丸处理可使疲劳断裂寿命增长一个数量级。,对于结构件

21、，单纯承受拉-拉(或拉-压)交变载荷的零构件为数并不多，而绝大多数的零构件承受拉-弯、弯-扭等复合交变载荷，所以喷九强化处理适用于绝大多数零构件。 加载频率对喷丸试样(或零构件)的影响如同对光滑试样(或未喷零构件)的影响基本相同。,(5) 应力集中系数(Kt)的影响 对于同一种材料，喷丸对缺口(应力集中)试样疲劳强度极限e 的提高幅值e 至少不低于对光滑试样(无应力集中)的提高幅值。 而在大多数情况下，喷丸处理对 Kt1 试样的e 值要大于光滑试样(Kt=1)的e值。,30CrMnSiNi2A超高强钢(eb=1700MPa)喷丸前后试验数据。喷丸后应力集中试样的e高于无应力集中试样，应力集中试

22、样的e 值也高于无应试样。,(6) 特殊情况下应注意的问题 A) 带孔零构件的喷丸 对带孔零构件的喷丸，应注意同时把孔的内壁也进行喷丸处理。 直径大于20mm的浅孔，在工艺上容易实现上述要求。 对于直径小于20mm的孔，采用普通的喷丸工艺，孔的内壁难以获得足够的喷丸强度和均匀的覆盖率。,如果对孔采取特殊的喷丸处理工艺，即使是对小直径的深孔，也可获得良好的强化效果。 这种特殊的喷丸工艺可以适用于直径为6mm深度为100mm的深孔。要求内壁喷丸的孔，孔边必需加工倒角。,B) 薄板件的喷丸处理 在某些情况下，喷丸处理会引起薄板屈服强度的降低。 故对屈服强度有严格要求的薄板构件，必须考虑喷丸对其屈服强

23、度的影响。 此外，还存在喷丸变形的问题等。,五、喷丸强化设备 1、气动式喷丸机 气动式喷丸机以压缩空气驱动弹丸达到高速度后撞击工件的受喷表面。 气动式喷丸机可以安置多个喷嘴，其位置和方向调整方便，能最大限度地适应受喷件的几何形状。 可利用压缩空气的压强来调节喷丸强度，操作比较灵活。,(1) 吸入式气动喷丸机压缩空气通过喷嘴的弹与气的混合室，在弹丸的入口处形成负压，压缩空气将弹丸从贮丸箱内吸入气流中，使弹丸被加速。,吸入式喷丸机适于玻璃弹丸或小尺寸金属弹丸，大质量弹丸很难由负气压吸入喷嘴。 喷丸机工作时，喷嘴与工件被喷面需保持一定距离，例如100250mm范围，而且喷嘴与被喷面还需保持一定角度。

24、 喷丸机工作时，工作台带动工件旋转，使受喷表面均匀覆盖。,(2) 重力式气动喷丸机 这类喷丸机，弹丸依靠专门的提升机构上升到一定高度，然后经过弹丸分离器，按所需流量进入喷嘴。 重力式喷丸机的喷嘴与吸入式相同，工作时的区别在于弹丸是赖自重进入喷嘴，因此，能比较好地控制弹丸速度和弹流量。 重力式气动喷丸机结构比吸入式复杂，适合使用比重、直径较大的金属弹丸。,2、叶轮式离心喷丸机 由弹丸送进管1通过弹丸控制阀2进入高速旋转的叶轮3中心，被叶片4离心力抛出。 改变分配器5的开口位置，可以控制弹丸的喷射方向。,弹丸的速度，取决于叶轮转速和弹丸质量，通常，叶轮转速在15003000rpm之间。 叶轮式喷丸

25、机的优点，是弹流量大、生产效率高，很适合于大尺寸表面的强化喷丸。 由于叶轮是固定的，喷丸时只能把零件的受喷面移进弹丸流内，不适宜干形状复杂的零件。,六、喷丸强化质量评价评价喷丸强化效果的方法包括： 表面粗糙度测量残余应力测定显微组织分析显微硬度测试疲劳强度试验,七、结语 喷丸强化工艺操作简便、成本低廉、适应性广和强化效果显著。 是用来改善和提高零构件的疲劳和应力腐蚀断裂抗力的一种有效方法。 目前，国内主要是利用喷砂来代替喷丸，因此强化效果较差。,在我过机械工业行业，具备下述零构件建议采用表面喷丸强化技术。 A) 承受交变载荷易产生疲劳失效的承力件 B) 易产生应力腐蚀失效的承力件 B) 带有应力集中部位的各种零构件 C) 焊缝及其热影响区,为了与国际接轨，急需对某些重要零部件的喷丸强化，进行相关的技术开发工作。 包括针对各种零件及不同部位的喷丸工艺试验、残余应力及其优化、形变细化组织结构及其优化、表面粗糙度及尺寸稳定性问题等。,谢 谢 ！112,