第七章-表面形变强化

1、1n表面形变强化原理表面形变强化原理n喷丸强化喷丸强化n表面滚压和孔挤压强化表面滚压和孔挤压强化第七章第七章 金属表面形变强化金属表面形变强化2 表面形变强化原理是通过机械手段表面形变强化原理是通过机械手段(滚压、内挤压和喷滚压、内挤压和喷丸等丸等)在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层。在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层。此形变硬化层的深度可达此形变硬化层的深度可达0.5mm1.5mm。 硬化层中产生两种变化：一是在组织结构上，亚晶粒硬化层中产生两种变化：一是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；二是形成极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；二是形

2、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的提高，疲劳寿命也有了很大的改观。硬度得到了很大的提高，疲劳寿命也有了很大的改观。 7.1 表面形变强化原理表面形变强化原理3 喷丸与滚压、孔挤压过程中，喷丸与滚压、孔挤压过程中，在机械力作用下工件表面产生塑在机械力作用下工件表面产生塑性变形，引起加工硬化，使表面性变形，引起加工硬化，使表面硬度、强度提高。硬度、强度提高。 由右上图可见，弹丸冲击工件由右上图可见，弹丸冲击工件表面产生凹坑，使其周围产生塑表面产生凹坑，使其周围产生塑性变形及宏观残余应力。弹丸反性变形及宏观残余应力。

3、弹丸反复多次冲击工件表面塑性变形量复多次冲击工件表面塑性变形量增大，表面硬度、强度增加。增大，表面硬度、强度增加。 右下图为喷丸后表层硬度分右下图为喷丸后表层硬度分布与时间关系，喷丸开始时硬度布与时间关系，喷丸开始时硬度增加较快，后期硬度增加缓慢。增加较快，后期硬度增加缓慢。4n金属的塑形变形是通过位错运动实现的，在塑性变形过程中，金属的塑形变形是通过位错运动实现的，在塑性变形过程中，由于位错间相互作用，使位错密度增加。下图中（由于位错间相互作用，使位错密度增加。下图中（a）为喷丸）为喷丸前组织，前组织，晶界与亚晶界比较清晰，晶粒与亚晶粒比较大晶界与亚晶界比较清晰，晶粒与亚晶粒比较大；（；（b

4、）为初始喷丸时，随变形量增加，位错互相作用使位错密度不断为初始喷丸时，随变形量增加，位错互相作用使位错密度不断增加，增加，原亚晶界逐步模糊不清、消失原亚晶界逐步模糊不清、消失；（；（c）为随喷丸覆盖增加，）为随喷丸覆盖增加，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。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，随喷丸时间延长，塑性变形继续进行，位错密度进一步增加，使使晶界逐步消失又组成新的晶界，使晶粒破碎、细化晶界逐步消失又组成新的晶界，使晶粒破碎、细化。 喷丸前后晶粒、亚晶粒位错组态、晶界分布示意图喷丸前后晶粒、亚

5、晶粒位错组态、晶界分布示意图5表面残余应力表面残余应力 在表面强化过程中，表面塑性变形带来的表面尺寸变在表面强化过程中，表面塑性变形带来的表面尺寸变化引起表面残余应力。下图是滚压处理后的残余应力分布。化引起表面残余应力。下图是滚压处理后的残余应力分布。61）强化后残余应力的分布规律）强化后残余应力的分布规律 表面为残余压应力，心部为残余拉应力，最表面层由表面为残余压应力，心部为残余拉应力，最表面层由于应力松驰，其残余应力稍有降低，故曲线上有于应力松驰，其残余应力稍有降低，故曲线上有“抬头抬头”现象。现象。72）疲劳强度随表面残余压应力的增加而增加）疲劳强度随表面残余压应力的增加而增加疲劳裂纹大

6、多从表面开始，疲劳裂纹大多从表面开始，裂纹的发展是靠拉应力，裂纹的发展是靠拉应力，表面形变强化在表面层产表面形变强化在表面层产生残余压力，使外加拉应生残余压力，使外加拉应力与残余压应力合成的总力与残余压应力合成的总应力降低，从而可提高材应力降低，从而可提高材料的疲劳强度及延长疲劳料的疲劳强度及延长疲劳寿命，在疲劳过程中，残寿命，在疲劳过程中，残余应力余应力r起平均应力作用。起平均应力作用。87.2 喷丸强化喷丸强化1. 喷丸强化用的弹丸喷丸强化用的弹丸 喷丸强化最常用的主要有喷丸强化最常用的主要有钢丝切丸、铸钢丸、玻璃丸钢丝切丸、铸钢丸、玻璃丸三三种。种。n喷丸强化用的弹丸必须具备以下特征：喷

7、丸强化用的弹丸必须具备以下特征： a）较高硬度和强度；）较高硬度和强度； b）应考虑弹丸质量、密度及规格大小之间的关系；）应考虑弹丸质量、密度及规格大小之间的关系； c）要求弹丸不破碎，耐磨损，使用寿命长；）要求弹丸不破碎，耐磨损，使用寿命长；9 （1）钢丝切丸）钢丝切丸 钢丝切丸是用回火高强度钢丝经切割制成，目前使用钢丝切丸是用回火高强度钢丝经切割制成，目前使用最多的是用弹簧钢最多的是用弹簧钢(直径直径0.61.2mm，硬度为，硬度为HRC=4550)做成的钢丸，成本较高，因两端由棱角会划伤工件表面，做成的钢丸，成本较高，因两端由棱角会划伤工件表面，在欧美工业发达国家已经大量使用预钝化去棱角

8、在欧美工业发达国家已经大量使用预钝化去棱角-磨角钢磨角钢丝切丸。丝切丸。 预钝化钢丝切丸分为预钝化钢丝切丸分为G1、G2、G3三种类型，具有良三种类型，具有良好的综合机械性能。好的综合机械性能。 一般要求钢丝切丸硬度越高越好，一般应不低于工件一般要求钢丝切丸硬度越高越好，一般应不低于工件硬度。硬度。10 （2）铸钢丸）铸钢丸 铸钢丸是将金属熔化后的钢液，经雾化成丸、烘干、铸钢丸是将金属熔化后的钢液，经雾化成丸、烘干、选圆、二次淬火、回火筛分制成。其硬度可根据回火温度选圆、二次淬火、回火筛分制成。其硬度可根据回火温度不同，获得不同硬度的铸钢丸，组织为不同，获得不同硬度的铸钢丸，组织为回火屈氏体回

9、火屈氏体或或回火回火马氏体马氏体。 铸钢丸不同于钢丝切丸，它铸钢丸不同于钢丝切丸，它会破碎会破碎，从而在循环使用，从而在循环使用时划伤工件，而且铸钢丸硬度越大，抛丸速度越高，破裂时划伤工件，而且铸钢丸硬度越大，抛丸速度越高，破裂越严重。为了避免破碎，一般喷丸强化选用硬度为越严重。为了避免破碎，一般喷丸强化选用硬度为HRC4852的铸钢丸，喷丸强度较低时可用铸钢丸。喷丸的铸钢丸，喷丸强度较低时可用铸钢丸。喷丸强度较高时，严禁使用铸钢丸。强度较高时，严禁使用铸钢丸。11（3）玻璃丸）玻璃丸 玻璃丸由高质量碱玻璃制成，不含铁杂质硬度相当于玻璃丸由高质量碱玻璃制成，不含铁杂质硬度相当于HRC4650，

10、外观为实心球体。使用中破碎率高，造成使，外观为实心球体。使用中破碎率高，造成使用成本偏大。所以目前仅限用于对表面粗糙度有特殊要求用成本偏大。所以目前仅限用于对表面粗糙度有特殊要求的关键结构零件。的关键结构零件。 此外此外, 还有陶瓷弹丸、聚合塑料弹丸等还有陶瓷弹丸、聚合塑料弹丸等122. 喷丸强化用设备喷丸强化用设备 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。离心式。（1）气动式喷丸机）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。他适用于要求喷丸喷出

11、，冲击工件的设备。他适用于要求喷丸强度较低强度较低、品品种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零件种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零件。 按弹丸运动方式可分为按弹丸运动方式可分为吸入式、重力式、直接加压式吸入式、重力式、直接加压式三种类型。三种类型。13吸入式喷丸机吸入式喷丸机压缩空气从喷嘴射出时，压缩空气从喷嘴射出时，在喷嘴内腔导丸口处形在喷嘴内腔导丸口处形成负压，将下部贮丸箱成负压，将下部贮丸箱的弹丸吸入喷嘴内腔，的弹丸吸入喷嘴内腔，随压缩空气由喷嘴射出，随压缩空气由喷嘴射出，喷向被强化零件表面。喷向被强化零件表面。14重力式喷丸机重力式喷丸机将弹丸提升到一定高将弹丸提升到一定高度，借助弹丸

12、自重由度，借助弹丸自重由上至下流入喷嘴，由上至下流入喷嘴，由压缩空气带动，由喷压缩空气带动，由喷嘴喷向被强化零件。嘴喷向被强化零件。15直接加压式喷丸机直接加压式喷丸机弹丸与压缩空气首先弹丸与压缩空气首先在混合室内混合，再在混合室内混合，再通过导丸管共同进入通过导丸管共同进入喷嘴，由喷嘴射出，喷嘴，由喷嘴射出，喷向被强化零件。喷向被强化零件。16（2）机械离心式抛丸机）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。弹丸依靠高速旋转的机械离心轮而获得动力的抛丸机。它它适用于要求喷丸强度高、品种少、批量大、形状简单、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

13、。尺寸较大的零件。抛丸机工作原理与重力抛丸机工作原理与重力式气动喷丸机基本相同，式气动喷丸机基本相同，不同之处在于用抛丸器不同之处在于用抛丸器代替了喷嘴。代替了喷嘴。173. 喷丸工艺喷丸工艺 在实际生产中是通过在实际生产中是通过喷丸强度、表面覆盖率、表面粗喷丸强度、表面覆盖率、表面粗糙度糙度这这3个参数来检验、控制和评定喷丸强化质量的。个参数来检验、控制和评定喷丸强化质量的。 影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹丸流影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹丸流速、弹丸流量、喷丸时间等。速、弹丸流量、喷丸时间等。 影响表面覆盖率的因素主要有：零件材料的硬度、弹影响表面覆盖率的因素主要有

14、：零件材料的硬度、弹丸直径、喷射角度及距离、喷丸时间等。丸直径、喷射角度及距离、喷丸时间等。 表面粗糙度的影响因素有：零件材料的强度和硬度、表面粗糙度的影响因素有：零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射角度及速度、零件的原始表面粗糙度。弹丸直径、喷射角度及速度、零件的原始表面粗糙度。18采用喷丸强化处理的主要零件种类采用喷丸强化处理的主要零件种类4. 喷丸强化的应用喷丸强化的应用 197.3 表面滚压和孔挤压强化表面滚压和孔挤压强化n表面滚压技术是在一定的压力下，用辊轮、滚球或辊轴对表面滚压技术是在一定的压力下，用辊轮、滚球或辊轴对被加工表面进行滚压或挤压，使其发生塑性变形，形成加被加工表面进行

15、滚压或挤压，使其发生塑性变形，形成加工硬化层的工艺过程。工硬化层的工艺过程。n一些零件的内孔挤压同样属于这一范畴。一些零件的内孔挤压同样属于这一范畴。 20表面滚压强化原理示意图表面滚压强化原理示意图a) 工件滚压方式工件滚压方式 b)滚压后工件表面的残余应力滚压后工件表面的残余应力 表面滚压的原理与喷丸强化相同，也是由于塑性变形产生加工硬化，并产生很大的残余压应力。 21它有如下特点：它有如下特点： a、适用于、适用于轴轴类零件如曲轴圆角滚压、滚丝轮加工重类零件如曲轴圆角滚压、滚丝轮加工重要的螺丝和对缺口部位进行局部滚压。喷丸对零件形状要的螺丝和对缺口部位进行局部滚压。喷丸对零件形状的适应性更强。的适应性更强。 b、滚压后表层残余压应力、滚压后表层残余压应力层深大层深大、应力值高应力值高，强化，强化效果比喷丸明显。效果比喷丸明显。 c、滚压、滚压生产率低生产率低，使用不如喷丸广泛。，使用不如喷丸广泛。 孔挤压是利用棒、村套、模具等特殊工具，对零件孔挤压是利用棒、村套、模具等特殊工具，对零件孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形的硬孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形的硬化层。化层。221. 滚压和孔挤压强化用设备滚压和孔挤压强化用设备 滚压和孔挤压强化用设备是利用现有冷加工设备如车、滚压和孔挤压强化用设备是利用现有冷加工设备如车、钻床或镗床，再配备用作滚压