張秀梅
摘要:進(jìn)入21世紀(jì),噴丸工藝過(guò)程就是大量具有高動(dòng)能的彈丸持續(xù)向零件表面進(jìn)行撞擊的過(guò)程,彈丸類型及其硬度狀態(tài)選擇是否合理將會(huì)直接影響噴丸強(qiáng)化效果,彈丸材料不同噴丸強(qiáng)化效果將不同, 本文用鑄鋼丸、陶瓷彈丸進(jìn)行噴丸試驗(yàn),探索彈丸選用對(duì)材料殘余應(yīng)力的影響,為工廠零件加工參數(shù)選擇提供數(shù)據(jù)參考。
關(guān)鍵詞:噴丸;彈丸;材料殘余應(yīng)力
噴丸工藝過(guò)程就是大量具有高動(dòng)能的彈丸持續(xù)向零件表面進(jìn)行撞擊的過(guò)程[1],正確地選擇噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)及確保工藝參數(shù)在加工過(guò)程中的穩(wěn)定性,是提高零件疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕強(qiáng)度的必要條件。不適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)或噴丸過(guò)程中任何一個(gè)工藝參數(shù)的變化都會(huì)影響噴丸強(qiáng)化質(zhì)量[2]。彈丸類型及其硬度狀態(tài)選擇是否合理將會(huì)直接影響噴丸強(qiáng)化效果,彈丸材料不同噴丸強(qiáng)化效果將不同。
目前廠內(nèi)生產(chǎn)常用的彈丸進(jìn)行噴丸試驗(yàn),表面殘余應(yīng)力值如表1所示,同種彈丸隨不同強(qiáng)度的表面殘余應(yīng)力值變化如圖3-1所示;陶瓷彈丸的殘余應(yīng)力分布如圖3-2(a)所示,鑄鋼丸的殘余應(yīng)力分布如圖3-2(b)所示,陶瓷彈丸與鑄鋼丸0.15mmA噴丸強(qiáng)度的殘余應(yīng)力比較如3-2(c)所示, 陶瓷彈丸與鑄鋼丸0.2mmA噴丸強(qiáng)度的殘余應(yīng)力比較如3-2(d)所示,二次噴丸的殘余應(yīng)力分布如圖3-2(e)所示,鑄鋼丸與二次噴丸的殘余應(yīng)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(yīng)力,采用陶瓷丸噴丸,在相同覆蓋條件下,表面殘余應(yīng)力基本不變,均在-400MPA左右;采用鑄鋼丸噴丸后,殘余應(yīng)力隨著噴丸強(qiáng)度的增大,表面殘余應(yīng)力數(shù)值先上升后下降。造成這個(gè)結(jié)果的原因是由于噴丸強(qiáng)度較小時(shí),由于鑄鋼丸硬度偏小,表面形變強(qiáng)化效果不足,無(wú)法產(chǎn)生較好的殘余應(yīng)力分布,表面殘余壓應(yīng)力數(shù)值較小,而噴丸強(qiáng)度過(guò)大時(shí)鈦合金表面形變嚴(yán)重,導(dǎo)致表面殘余應(yīng)力松弛。采用較大直徑的鑄鋼丸噴丸后,表面殘余應(yīng)力數(shù)值進(jìn)一步減小,這是由于大直徑大強(qiáng)度鑄鋼丸噴丸后,表面塑性形變更加嚴(yán)重而導(dǎo)致殘余應(yīng)力松弛的結(jié)果。
從圖1(a)、(b)可以看出,同種彈丸隨噴丸強(qiáng)度增加,殘余應(yīng)力分布向右下方移動(dòng),說(shuō)明當(dāng)噴丸強(qiáng)度增加,表面殘余應(yīng)力隨之減小、最大殘余應(yīng)力深度和應(yīng)力場(chǎng)深度都有所增加。從圖1(c)、(d)可以看出,與相同噴丸強(qiáng)度的陶瓷丸相比,鑄鋼丸噴丸后的表面殘余壓應(yīng)力小于陶瓷丸,鑄鋼丸和陶瓷丸噴丸的殘余應(yīng)力場(chǎng)深度基本一致,說(shuō)明噴丸強(qiáng)度與殘余應(yīng)力場(chǎng)深度具有正比關(guān)系,鑄鋼丸噴丸后最大殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)深度大于陶瓷彈丸噴丸??傮w比較陶瓷丸要優(yōu)于鑄鋼丸。
同時(shí)還進(jìn)行了二次噴丸對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果:經(jīng)過(guò)二次噴丸調(diào)節(jié)后,采用陶瓷丸的殘余應(yīng)力分布在玻璃丸的殘余應(yīng)力分布下方,說(shuō)明陶瓷丸產(chǎn)生表面殘余應(yīng)力和最大殘余應(yīng)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(diào)節(jié)作用,最大殘余壓應(yīng)力向表面層移動(dòng),使表面壓應(yīng)力數(shù)值增大。相比于鑄鋼丸噴丸強(qiáng)度0.3mmA,采用二次噴丸后的最大殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)的深度減小。產(chǎn)生上述現(xiàn)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(qiáng)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(dǎo)致了殘余應(yīng)力松弛,因此鑄鋼丸噴丸造成的表面殘余應(yīng)力小于陶瓷丸噴丸,鑄鋼丸最大殘余應(yīng)力位置深于陶瓷彈丸;噴丸強(qiáng)度是噴丸能量的表征,相同的噴丸強(qiáng)度代表基本相同的能量,因此相同噴丸強(qiáng)度造成殘余應(yīng)力場(chǎng)深度也基本相同;一般來(lái)說(shuō),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(yīng)力場(chǎng)中的最大殘余壓應(yīng)力是表面層塑性形變導(dǎo)致應(yīng)力松弛與次表面彈性形變產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果,其數(shù)值是一個(gè)材料的本征屬性。
(a)陶瓷彈丸,(b)鑄鋼丸,
(c)0.15mmA噴丸強(qiáng)度陶瓷彈丸與鑄鋼丸比較,
(d)0.2mmA噴丸強(qiáng)度陶瓷彈丸與鑄鋼丸比較,
結(jié)論:
陶瓷彈丸和鑄鋼丸由于在材料表面引入了殘余壓應(yīng)力場(chǎng),顯著提高了抗疲勞性能,隨噴丸強(qiáng)度的增加,殘余壓應(yīng)力分布向右下方移動(dòng)。在相同噴丸強(qiáng)度下陶瓷彈丸的表面殘余壓應(yīng)力值、最大殘余壓應(yīng)力都比比鑄鋼丸大,兩者形成的噴丸強(qiáng)化層深度基本相同。
引用文獻(xiàn):
[1]中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè).中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1988年9月,第1版.
[2]王仁智.金屬材料的噴丸強(qiáng)化原理及其強(qiáng)化機(jī)理綜述[J].中國(guó)表面工程,2012,6:51-53.endprint