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喷丸处理的理论

2020-10-15

什么是喷丸强化?为什么喷丸强化工艺能够缓解疲劳,有效延缓疲劳裂纹,提高工件的使用寿命?喷丸工艺的原理和优势; 以及压应力值和载荷循环的关系

抛丸/喷丸强化工艺是在工件表面用一种称作丸料的圆形介质冲击工件的的冷加工工艺。每个丸粒像一个小的锤子在工件表面敲打出凹坑或刻痕。为了形成凹坑,金属表层会在拉应力下屈服(图1-1)。

而在表层下面,被压缩的晶粒试图将表面恢复到原来的形态,在冷作硬化的作用下,从而产生了一个高强度的压应力半球(图1-2)。

在丸粒不断重复的冲击下,叠加的凹坑形成了一个均匀的压应力层。

众所周知,裂纹是难以在一个压应力区域形成或延展的。由于几乎所有的疲劳和应力腐蚀都发生在零件的表层或靠近表层的区域,而喷丸强化所导入的压应力可以显著地提高零件的使用寿命。喷丸强化导入的压应力必须至少达到被处理零件材料抗拉强度的一半。

很多零件长期失效的共同点是拉应力的存在。这些拉应力可能是由于外部载荷或焊接,磨削,车削等机械加工过程中产生的。拉应力总是试图将零件表面拉伸或延长,从而最终可能导致裂纹的产生(图1-3)。

而压应力可以挤压表层的晶粒,使该区域晶粒更紧密地结合在一起,从而延缓疲劳裂纹的产生。在压应力层下,裂纹产生很缓慢,所以加大压应力层的深度能相应地提高零件抑制裂纹的形成的能力。而喷丸强化是现如今在零件表面植入压应力最经济和可行的方法。

 

喷丸强化主要用于抵抗金属疲劳。以下关于应力值和载荷循环的图表(图1-4)列述了关于金属疲劳的几点。

*疲劳载荷由成千上万甚至与百万个重复的循环载荷组成。循环载荷所产生的拉应力会扯裂材料的表层组织。

*拉应力的线性减少导致了工件疲劳寿命的指数式的增加(表现为循环载荷次数的增多)图表(1-4)显示,应力减少38Ksi(即262Mpa),循环载荷的次数可以增加150,000次(即300%)。

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