di二十六qi 喷丸表面的su性延伸以及强度特性
发布时间:2018/10/15 8:56:26

引 yan                                                                                                                                                                             

喷丸襤ua阈枰洗蟪潭鹊难诱共舗eng达到效果,但却广泛地用于高强度以及低延展性的gong程零件shang,这看起来xiang个悖论。单个凹坑ke以引起超过100%的su性变xing。ru图1所示,变xing区yu的深度是凹坑本身深度的liangbei。表层AC段的高度在喷丸后减小了襤ua氡湮狟C段。因此,变xing区yu存在的ping均ya缩su性变xing等于拉伸变xing的100%(采用gong程应变公式计suandechu)。变xing程度在C点(即su性变xing区yu的边界)为0%,在B点达到最大。假设变xing程度sui深度的变化为一个简单的线性变化,那么在B点等于200%。

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图1. 喷丸后零件表面的su性变xing范围示意图


柔软jinshu的拉伸延展性ke以达到40%,而高强度合jin普遍的拉伸延展性要小于10%。当fu盖lv达到100%蔮ao缤璞砻鎎ixu要抵抗大量凹坑所带来的su性变xing,该su性变xing的量级ke达到1000%!本篇文章对影响表面su性变xing的一xie因素进xing了研jiu,并对suizhou延展性变化而发生强化变化的wen题进xing了讨论。

fei常明显,喷丸会带来很高程度的变xing。因此,bixu使用zhengque的相guan定yi。图2解shi了对于大的拉伸延展,“gong程应变”和“真应变”的差异。在弹性变xing(小于1%)带来的fei常小的延展的情况下,gong程应变和真应变之间的差异很小,但是在发生巨大延展的情况下,liang者之间的差异就变defei常大。那么这个意yi就是qi待零件的性neng是在真应变而feigong程应变的范围内发生变化。例ru,会qi望1000mm的延展neng够增加强度到2至3bei,而不是到一个fei常巨大的bei数。


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图2. 对于施加在100mm长的试样shang的延伸,gong程应变和真应变之间的差异


延展性

材liao在拉伸和ya缩zhuang态下的测试de到的延展性是有zhou巨大差异的。zuo为gong程人詁ao毡槎杂诶煅诱贡冉蟬hu悉,这是因为拉伸延展是比絰ian輞i测试和实xian的。而在ya缩zhuang态下的延展zhi是不容yi测试的。众所周知,大多数gong程shang的失效是在拉伸zhuang态而feiya缩zhuang态发生的。一xie材liao,例ru粂i诶靭huang态下fei常的脆,所以其最好被使用在ya缩应变的zhuang态。这主要是因为在ya缩zhuang态下的延展性ke以是拉伸zhuang态的将近20bei,ru图3所示。在拉伸zhuang态下,在T点蔮aoù耸庇Ρ湓嘉?.0035,即0.35%)发生了失效。这与在ya缩zhuang态下,在C点蔮aoù耸庇Ρ湓嘉?0.07,即7%)发生失效产生了明显对比。而其分别对应的失效强秖ue直鹞?150和-900MPa。需要注意的是,ya缩zhuang态的延展性比拉伸zhuang态要高chu一个量级,这种情况是普遍存在所有的jinshu材義ian械摹Ⅻ/span>


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 图3. 粂i趛a缩和拉伸zhuang态下应li/应变xing为的对比


喷丸后的材liao表面是与ya缩延展性而fei拉伸延展性相guan。延展性在数量级shang的差异对解shi延展性悖论有很大帮助。ya缩延展的一个较为shu悉的例zi就是在打布氏硬度蔮ao陌伎硬⒉换嵩诨yi约捌鋞a脆性材liaoshang产生裂纹。

ya缩测试襤ua闶前yan仓鵻ing试样的放在ya实gang之间,ru图4所示。把ya缩应liσc施加在圆柱xing试样的liang个duan面shang。试样duan面和试yan设备shangping台之间的摩擦li会约shu试样发生侧襭i藀engzhang。最终,在pengzhang处的外表面会产生裂蝡i瑀u图4所示。由于lian续表面对于侧fang的约shu,这种zhuang态会受到yi謕i瑀u喷丸的情xing一样。这种约shu在施加的应li系统中增加了流体dongliya缩分量。图5中的mo型显示了当圆柱xing试样受到一个-c的施加ya缩应li蔮ao浠崾艿奖砻娌膌iao的huan面约shu。约shuhuan会施加一个ya缩应li-r在圆柱试样shang。

因此,就de到了一个应li体系,ke以表达为(-c+r, 0, 0)+(-r,-r, -r),其中(-r,-r, -r)为流体dongliya缩分量。流体dongliya缩就是为shi么jinshu材liaoke以zha制到很大的延伸量以及ke以皔an仓匝穣a至巨大的延展zhuang态。喷丸表面的延伸性比圆柱试样受到ya缩时的延展要大de多。zuo者本人不太qing楚喷丸表面的任何biao准延展性试yan。


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图4.ya缩测试的示意图


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图5.圆柱试样在被ya缩过程受到表面材liao约shu的示意图


强度特性

在喷丸过程中的高延展性引起的冷zuo硬化将会极大地提高材liao的强度特性。因此,比ru在拉伸试yan中,屈服强度keneng是zheng常拉伸试yan记录的极限拉伸强度的几bei。相应地,这ye意味zhou表面的残余应like以超过名yishang的拉伸极限抗拉强度。

设计中的一个zhong要的wen题就是ke以在零件shang施加相应的应li来阻zhi失效。ru果材liao是柔性祄o敲词бhua闶褂men慷壤炊▂i。ru果材liao是脆性祄o敲词бhua闶褂枚狭亚慷壤炊▂i。在试样拉应li蔮ao嵝圆膌iao和脆性材liao表xianchu的差异ru图6所示。在施紋ongi的zhuang态下,柔性材liao的屈服强度要比断裂强度低de多。suizhou施加的拉应li逐渐增加,材liao首xian会xian达到屈服应li的zhuang态,所以屈服的xian象就产生了。suizhou施加大量的冷zuo硬化zuo用,材liao由屈服强度zhuang态shang升到断裂强度zhuang态,sui后断裂xian象就产生了。对于脆性材liao,断裂强秖ue浅ie近于屈服强度。suizhou施加的ya应li逐渐增加,材liao由屈服强度zhuang态(导致冷zuo硬化的发生)很快shang升到断裂强度zhuang态。sui后由于断裂传播的发生,不会有进一步的冷zuo硬化发生。

在ya缩应li的zhuang态下,材liaoguan于屈服强度和断裂强度会表xianchu另外一謟hi钜欤瑀u图7所示。


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图6. 在拉应li下柔性材liao和脆性材liao在失效强度shang的差异


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图7. 在ya应li下柔性材liao和脆性材liao在失效强度shang的差异


ke以用材liao结构的变化来解shi喷丸后材liao强度性neng提高的xian象。五十多年前,位错理论就解shi了为shi么真晶材liao的屈服强度要比完美晶体材liao低de多。tong蔮ao淮砝砺踶e解shi了在观cha到的应lishuiping下材liao沿滑移面的输运xian象。用一个粗略的但又比较xing象的例zi进xinglei比,就是qichexing驶在cheng市的交tong网络中的xian象。ru果路蓌ian挥猩倭康膓iche,那么交tong是十分畅tong的。然而设想一下,ru果每个起初在xing驶几米之后“克隆”一下自己,那么很快在每个十字路口就会变defei常拥挤。那么要使che辆继续xing驶,所需要的“li量”就会急速增加。当丸粒打击零件表面蔮ao縫ingfang厘米位错的数量为单个丸粒产生的位错数量乘以100万bei,即超过了1万亿个!ye就是说,位错在微秒中“克隆”了数百万ci。

喷丸表面的冷zuo硬化结构与书本中晶体材liao是fei常不tong的。喷丸后材liao的结构ke以描述为“由高位错密度的亚晶粒包围的高位错密度区yu”。suizhou冷zuo硬化程度的增加,亚晶粒的尺寸会逐渐变小。最终,当迫使位错运dong的应li小于裂纹产生的应li蔮ao膌iao就达到了断裂强度。


延展性以及强度性neng评估

喷丸的效果最终是由性neng(例rupi劳强度)的提升来评定的。这謟hi馐缘膄angfa已经fei常成shu了,因此将不会在这里进xing讨论。

ya缩测试对评估喷丸的延展性fang面有zhou很大的借鉴zuo用。与喷丸产生高应变lv相似的gong艺就是落锤duan造。把从旋转杆材liao切割下来的圆柱体放置在砧座shang,然后采用落锤从不tong的高度对圆柱体进xing冲击。材liaoke承受的最大应变(此时侧面没有裂纹的产生)gei了一种ya缩延展性的测试fangfa。但是,测试de到的延伸lvshuiping是低于材liao的真实shuiping祄o馐怯捎谠谂缤韫讨惺艿搅薼ian续表面施加的流体dongli约shu。

承受大量su性应变的材liao的屈服强度不neng用常规的拉伸试yan来评估。一个经典的gai进就是xian把材liao进xingzha制引入一定量的延展,然后进xing拉伸试yan。这种“包络技术”引用了一个shi实,即zha制具有相当大的流体dongliya应li分量,因此ke以赋予比在简单张li下huode的延伸量大一个数量级的延伸量。图8阐明了包络技术的原理。在这个例zi中,进xing了六个不tong的拉伸测试。测试1对应于材liao的jie收zhuang态。测试2至6对应于在拉伸试yan前冷zha延伸lv分为20、40、60、100和150%的材liao。绿线是代表强度变化到大量su性变xing的包络线。对于这个例zi,在150%伸长lv下的屈服强度是jie受zhuang态材liao的极限拉伸强度的3bei左右。zha制延伸件ke以以每道ci10%的速度tong过高速四辊zhaji,以huodejie近喷丸处理的应变速lv。


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图8. 决定高应变强度的包络技术


喷丸表面的强度shuipingke以tong过间jie的fangfa进xing测试。经常使用的fangfa是测试X射线衍射feng祄u矶纫约跋晕⒂捕取射线衍射feng祄u矶群拖晕⒂捕然醩uizhou冷zuo硬化(ye就是屈服强度)的程度增加而增加。这liang种fangfa都ke以而且应该使用han有已知大量su性应变(诱导冷zha、ya缩huo挤ya)的材liao来进xing校准。


讨论

评价喷丸过程中的延展性和强度变化需要使用常规拉伸试yan之外的技术。这xie较大的数zhi意味zhou应该使用真应li和真应变的定yi。tong过X射线衍射feng祄u矶群拖晕⒂捕萲e以间jie地进xing强度变化的测试。ke以tong过剧烈冷zuo硬化的参考试样对shang述fangfa进xing计量。喷丸过程中延展性的变化是难以评估的。zuo者曾使用一种简单的技术来测试裂纹的萌生。这包括把半球xingxingzhuang的硬质合jin圆柱体从不tong的高度抛chu。相对脆性材liao的裂纹是从一个临界高度落下击打后产生的。

    这种解shi的实质是,在喷丸强化过程中,材liaosuizhou发生很大程度的延展,其屈服强度ye相应大幅度提高。之所以发生大程度延展,主要是由于变xing的ya缩特性以及xian有的流体ya缩的共tongzuo用。喷丸后材liao的屈服点会大幅度增加,因此喷丸后的材liaoke以承受相比wei喷丸材liao的极限拉伸强度更高的残余应li。然而,材liao特有的延展性不应该被滥用,因为高shuiping的冷zuo硬化相当于高shuiping的neng量存储。这种neng量ke以成为re激huo变化的驱dongli,例ru产生应lishi放,这对于零件是不利的。