喷丸工艺对金属材料表面强化及残余应力的作用

喷丸强化是指在一个完全控制的状态下，将无数小弹丸（包括铸钢丸、不锈钢丸、玻璃丸、陶瓷丸）高速且连续喷射到零件表面，并使零件表层发生循环塑性变形，从而在零件表面产生强化层。喷丸强化原理示意图如图5-20所示，经过喷丸强化处理后，受喷体表层的组织结构也会发生一定的变化，如受喷体表层晶粒得以细化，当喷丸强度足够高时，甚至可以在表层产生纳米级别的晶粒［20］，位错密度增大［21］，晶格畸变增大，同时在零件表面引入宏观残余应力，表面形貌及粗糙度也会发生变化；喷丸也会对零件造成加工硬化，提高零件表面的硬度。

图5-20　喷丸强化原理示意图

喷丸工艺常作为金属零件表面强化处理方法之一，目前在航空航天、汽车及船舶等工业得到广泛的应用。喷丸强化可以显著提高材料的抗疲劳性能、抗高温氧化性能、抗应力腐蚀开裂性能。决定喷丸强化性能的主要因素有三点，即表面残余压应力、表面加工硬化和表面粗糙度。喷丸处理对材料表面引入的残余压应力可以增强材料抗疲劳性能的作用已经获得认可，但是在表面粗糙度和加工硬化上还没有达成一致。

喷丸强度用标准弧高度试片（即ALMEN片）来表征，标准弧高度试片是测量喷丸强度的专用试片。标准试片有3种，分别用英文字母N、A、C表示，所用材料均为70号冷轧带钢，其尺寸参数及技术要求按表5-7的规定。例如，0.15 mmN即为使N试片变形后弧高度为0.15 mm所对应的喷丸强度；0.15 mm A即为使A试片变形后弧高度为0.15 mm所对应的喷丸强度，其中0.15 mm A大约为0.15 mmN的3倍。

表5-7　喷丸试片参数

注：HRA是采用60 kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）；
HRB是采用100 kg载荷和直径1.58 mm淬硬钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）；
HRC是采用150 kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。

不同的喷丸工艺参数对强化效果的影响也不同，喷丸强化效果的表征主要采用晶粒细化层的深度和残余应力的大小。为了表征弹丸尺寸、弹丸速度、喷射角度及材料硬度、密度等因素的影响，田文春提出以下计算公式［22］：(www.xing528.com)

式中，δ为硬化层有效深度；D为弹丸直径；V为弹丸喷射速度；α为弹丸与受喷体表面的夹角；H　M为受喷体金属材料的冲击硬度；K为比例系数。从式（5-8）可以看出，弹丸直径和喷射速度对喷丸效果的影响最大，喷射角度为90°时强化效果最为明显。

对于残余应力与喷丸之间的关系，李金魁等［23］在研究不同喷丸工艺对钢材表层产生的表面残余应力Rsurf和最大残余应力Rmax的基础上提出，临界喷丸规范下的Rsurf与材料的屈服强度呈线性关系，与材料的抗拉强度呈线性关系，给出如下经验公式：

式中，Rs和Rb分别为材料的屈服强度和抗拉强度（MPa）。

在高玉魁等［2425］分析高强度钢在各种喷丸技术下的基础上，提出喷丸强度f与受喷体表面的残余应力Rsurf、最大残余应力Rmax、强化深度H0以及最大残余应力深度H　max之间的关系。喷丸强度越大，则强化深度和最大残余应力深度数值也越大，表面残余应力反而越小；当喷丸强度相同时，弹丸直径D越大，则强化深度和最大残余应力深度数值越小。并给出了强化深度和最大残余应力深度之间的经验公式：

研究表明，喷丸处理后残余压应力场深度与喷丸强度呈线性关系，当喷丸强度增大时，一般压应力场深度也随之增大。