第十四期-喷wanhou零jiande残余ying力
发bu时间:2017/2/25 11:53:14


yin 言                                                                                                        

    喷wanhoude零jian会在表面产sheng一层“神奇de皮肤”,这层皮肤包含了hong观de残余压ying力。该皮肤de厚du主要取决yu所shi用wan料de尺寸。皮肤中残余压ying力de水ping是所喷零jiande屈fu强ducheng以较大百分比。残余ying力he外加ying力可以huxiang抵消,所襶uan聿鉪e残余压ying力可以抵消外加delaying力。因ci喷wan可以降低表面delaying力水ping,进而提高零jiande性能。

    只要在零jianshang产sheng不均匀de塑衴uan湫危杏鄖ing力jiu会产sheng。喷wanjiu是在零jianshang产sheng不均匀塑衴uan湫蝑e首要工yi。喷wan所产shengde表层塑性yan伸de变形层jiu是由许多扩张de凹坑所组成de。jiu是由yu这种yan伸变形所以会在零jian表面shang产sheng残余压ying力。喷wan之所以能够在零jian表面shang产sheng剧烈de变形但同时不产sheng裂纹,是因为变形de同时产sheng了围压压缩de作用。jinzideyan展性为40%,但是其可以bei捶daxiang当bo一zhi到几乎为透明de程du。ci时jin箔中蕴含de能量非chang大,其熔点ying为1064℃,但是却可以在一个人de手中融化掉。

喷wanhou零jian表面出现残余压ying力de原因

    “残余ying力法则”可以描述为:

    残余ying力defu号(+或-)yu产sheng残余ying力de非均匀变形defu号(+或-)是xiang反de。

    一ban情况下,“+”dai表laying力hela伸变形,xiang反地“-”dai表压ying力he压缩变形。喷wan会在零jian表面shang产shengla伸塑衴uan湫危栽诒砻嬉籨ing会留下残余压缩弹性ying力。

    图1是把喷wan产shengde残余ying力de发展guo程用jian化hehong观de方式表达出来。矩形kuaideshang下表面都进行了均匀de喷wan。如果表面喷wan层可以xiang对yu内bu材料进行自由地移动,na么可以得到一个稍wei变大de表面层,如图1(a)所示。但是,在蔰ao手斜砻媾鐆an层是不能独立地移动de。内bu材料de约束力会shi表面喷wan层产sheng向内推,进而在shang下liang个表面喷wan层产sheng残余压ying力。mei个表面层均有一个xiangyingde压缩力F,na么jiu需要在矩形kuaide内bu产sheng一个la伸力2Fyu之xiangping衡,如图1(b)所示。

 

图1 约束喷wan产shengde表面la伸塑性yan伸变形de力学模型


    喷wan表面de膨胀是由许多个wan粒造成de凹坑de叠加。mei个凹坑均会shi一些表层材料推出其原始weizhi,如图2所示。凹坑处de材料均会沿zhouping行零jian表面de方向产sheng一个净la伸运动并li开凹坑de中心weizhi。

 

图2 wan粒造成de凹坑de模型

    mei个凹坑de形成guo程都会产sheng一个经典dezhuang载he卸载循huan,进而产sheng一个包含残余压缩弹性ying变de塑衴uan湫吻颉T趙an粒冲击零jian表面deguo程中,开始时jie触ying力为零,如图3所示。随houying力会一致弹性zeng加直到达到其屈fu强du,图3中deA点。表面材料随hou发sheng塑衴uan湫沃钡絯an料开始准备回弹(B点)。在回弹deguo程中,表面材料会发sheng弹性藄ha谥钡統ing力为零(C点)。

 

图3 一个喷wan凹坑产shengguo程中dejian化ying力-ying变图


    chu始ying变he最zhongying变之间de差异jiu是残余ying变,残余ying变chengshang弹性模量houjiu得到了局bude残余压ying力。局bude残余ying力沿zhoumei个凹坑中心线会发sheng变化。这种变化一ding是pinghuade,因为ying力水pingde突然中断在物理学shang是不可能de。

    图4表示了一个独立de喷wan凹坑he残余ying力deluoji关系。把图2中de变形区域jian化成一个圆pan。假she把圆pan从表面取下来,进行塑性la伸hou再放回表面。na么这时jiu需要一个ping行yu表面de压缩ying力把膨胀de圆pan进行压缩。一旦把圆pan放回表面中,圆pan材料会对AheB产sheng一个压力。这种压力会shi得圆pan发sheng轻wei膨胀,膨胀zhi图4中de虚线weizhi,但是ci时仍然为弹性压缩作用。这种膨胀意味zhou压缩ying力同样会在A处de左边heB处de右边出现。在圆pan下面C处到D处de材料会产sheng一个轻weideyan伸guo程,进而在竚en虿鷖heng一个yu之ping衡delaying力。

 

图4 一个独立de喷wan凹坑deshou力模型


    有liang个重要dewen题jiu是“在一个凹坑de区域,残余ying力是如何发sheng变化de?”以及“一个凹坑deying力是如何yu其xiang邻de凹坑发sheng交hu作用de?oF毡閖ieshoude观点jiu是在mei个凹坑de区域均会cun在一个表面残余压ying力区域且该压ying力一ding是连续变化de(而非突然变化)。图5显示了一种表示残余ying力区域de方法,一个凹坑de区域在A处,一组凹坑de区域在B处。

 

图5 在喷wan凹坑周围de压ying力区域

    假sheping行yu表面de凹坑周围de压ying力沿zhou中心线是一个正态分bu,如图6所示。对yuying力he距lishi用任意dedanwei。在图6中,进一步假she残余ying力de“yan伸”(标准差)等yu凹坑de半径。

    正态分bude公式为:

    y = exp(-(x - μ)2/2σ2)/√(2πσ)                   (1)    

    式中:y表示残余ying力,x表示沿zhou喷wan表面de距li,μ表示凹坑中心deweizhi,σ表示标准差(yan伸)。

    把μ=5heσ=1dai入到式(1)中,jiu可以得到一个凹坑区域deying力分bu曲线,如图6所示。

 

图6 一个凹坑de表面残余ying力分bu


    如果liang个凹坑de距li非chang近,na么其中一个凹坑de残余压ying力将会显著地影响另外一个凹坑deying力。图7显示了不同凹坑deying力是如何xianghu叠加de,假shemei个凹坑秊i哂衳iang同de直径D。把liang个不同deμ值dai入到公式(1)中并进行xiang加,即得到图7中de曲线。zhu意1.5Dde距li表示liang个凹坑中心de距li。如果liang个凹坑中心de距li为3D时,残余压ying力chang没有发sheng明显de叠加。

 

图7 喷wan凹坑de残余ying力叠加de效果


    在蔰ao蔰e喷wan中一ban会用到比较高de覆盖率,na么同一区域会发sheng多重重叠,残余压ying力chang也会得到加强。这意味zhou可以huo得一个连续de表面压ying力层。喷wan产shengde冷作硬化意味zhou随zhou喷wande进行,压ying力水ping会逐jian升高,但最zhong会达到一个稳ding值。

    喷wan层de残余压ying力水pinghe压ying力层shendu是liang个重要dezhi标。无数次de测试结果表明表面喷wan层de残余压ying力水ping大gai为Y/2,其中Y表示shou喷材料de屈fu强du。Y并不是一个chang数,它取决yu喷wande力du,一ban情况下会超guo资料shangde最zhongla伸强du(通guo退火试片进行la伸测试huo得)。表面压ying力层deshendu主要取决yuwan料de尺寸,同时也取决yu喷wande力du。不管对yu何种wan料,随zhou喷wande进行,表面压ying力层会变得更shen,残余ying力水ping会变得更高。随zhou喷wan覆盖率de持续zeng加,ying力层shenduhe水pingdezeng加速率会快速下降。ying该避免一个误区,jiu是通guo额外地zeng加覆盖率de方式huo得更高de残余压ying力水pinghe层shen。之所以shuo这是个误区主要基yu以下liang点:(1)guo多de喷wan会破坏材料deyan展性,进而会发sheng产sheng裂纹de风xian;(b)发sheng严重冷作硬化dejin属dere动性能会变得非chang不稳ding,这会zeng加发sheng自激性ying力蕋ou興e可能性。

    图1中cun在表面力de力F可以jiandan地由ping均残余压ying力σcheng襶uan砻媾鐆an层deheng截面积。残余ying力在层shen方向会发sheng变化,如图8所示。压ying力de最大值没有发sheng在喷wan零jiande表面shang。这主要是因为在机xie变形理论中,mo端de表面是“自由状态deoⅫ/span>

    最大de残余压ying力出现在表面de塑衴uan湫尾阒小T诖笤妓苄yuan湫蝧hendudemo端,残余ying力会变为零。在次表层一ding会cun在laying力changyu表面压ying力changxiangping衡。laying力de水ping取决yu喷wan变形层deheng截面积yu次表层de面积de比值。

 

图8 AB段中de表面变形层de残余压ying力changheyu之ping衡deBC段laying力chang


结论:

    喷wan会在零jian表面yin入高水pingde残余压ying力。该残余压ying力是由许多个凹坑deying力chang叠加de结果。残余压ying力changdeshenduyu凹坑直径de长duxiang似。较高de残余压ying力甚zhi会在liang个凹坑之间出现。凹坑重叠de程duheying力水ping取决yumei个凹坑deying力changdeyan伸程du。这种yan伸程du可以通guo试验de方法直jie测试,襜u梢酝╣uo间jie地测试低覆盖率水pingde零jian性能。由yu喷wan可以施加一个流体静力de可压缩de零jianshang,因ci通guo在一个表面区域shang进行重复变形可以产sheng非chang高水pingde冷作硬化效果。残余ying力水ping大詊ia砻姹湫尾鉪e屈fu强dude一半。一ding要避免guo多de喷wan,因为这可以损害零jiandeyan展性并shi零jian产sheng自行退火de倾向。