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di二十ba期 fu盖率:fa展,测量,控制及意义
fa布时间:2019/6/13 9:22:28

引 言                                                                                                                                                                                           

       喷丸的zhu要目的是在材料表面chan生一层压suo应li的“表皮”,从er提高部jian的使用性能。一个重要的结论是,材料表面的加gong硬化是靠高速撞击的丸料chan生的。这zhong加gong硬化通常会提高零jian的fu役寿命。另一方面,过度的加gong硬化会降低表面材料的延展性,dao致微裂纹的形成和fu役寿命的降低。当粒子撞击表面时,它们chan生的凹痕占零jian表面积的比例,术语“fu盖率eiㄒ逦寤鱠an丸粒子撞击喷丸表面所chan生的凹kang的比例。因此,“99%fu盖率”等表da式表示99%的表面积至少撞击了一ci,er1%的表面积genben胔ui惺艿饺蝖e影响。ben章的核心问题包括:“fu盖率如hefa展?”如he测量和控制fu盖率?fu盖率如hebian化?”最jiafu盖范围是shi么?以及“fu盖率与所xu的表面残余应li的关系如he?”

fu盖率的fa展

       fu盖率fa展,通常是基于丸料chan生的随机压痕作为简单模型来解释。该模型jia设相同的dan丸粒子以heng定的速率(单位时间内单位面积的冲击量)撞击表面,chan生相同的圆形凹痕,并qie凹痕是随机穤hi嫉摹M?显示了逐渐fa展的fu盖率示意图。在喷丸的di一秒钟,chan生了8个圆形压痕区域,16个在2秒内,32个在4秒内,64个在8秒内,相当于mei秒8个压痕的heng定速率。mei个压痕的謝ing亩嘉hui趙aice方格内,压痕的坐标是用计算机生成的随机shu分pei的。内ce方格给出了影响范围的zhen实指蔶inSΦ弊⒁獾氖牵孀舊u盖范围的kuo大,duo重影响的fa生yue来yue频繁。

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                                                           8个撞击点                                   16个撞击点

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                                                           32个撞击点                               64个撞击点

图1 fu盖率递增模型


       ke使用图像分析来测量“受影响”的总面积,在这个特定示例中,1、2、4和8s的值分bie为15.67%、34.85%、46.87%和77.10%。这些值与fu盖曲xian一起绘制在图2中,fu盖曲xian与以相同比例受影响的无xian大面积有关。fu盖曲xian基于Avrami方程:

fu盖率= 100 [ 1-exp(-A.R.t)]                                       (1)

       其中A是meici冲击的面积,R是chan生凹kang的速率,t是冲击时间

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图2 you图1yu测fu盖率qu势图


       ke以看出,这si个实验点并不精确di蝖ui趂u盖曲xian上。这蕅ie蛭愦碛衳ian样ben,er曲xian代表无xian样眏inU庵zhi钜旒任⒚钣zhong匾Mü啾龋悸侵酪桓鐾耆嬖虻牧骥蛔樱懒鵦i,ke能只得到一个“六”,也ke能在六ci过硉ao写?到6杂乱出现,另一方面,如guo掷骰子的cishu是无xian的,那么dui于一个规则的骰子,频率的平jun值将精确到骰子的mei个面,即投掷cishuyueduo,相同shuzi出现的频率将非常接近。

       随着fu盖率的增长,重复影响的shu量也随之增加。如图3所蔶inU庑┣鷛ian也是使用“Avrami模型”tuidao出来的,在这个模型中,在无xian大的区域内随机创jian相同的圆形凹kang,但喷丸流量不bian,在90%的fu盖率下,“重合点”(最常见):一个特定点受到影响的cishu是2ci,然后是1、3、4、5等。99%时,重合点shu为4,99.9%时,重合点shu为7。在99.9%的fu盖率下,大部分区域将受到超过20ci的影响。该模型yu测,无论进xing了duo长时间的喷丸,100%的fu盖率都不会da到,这蕅ie蛭猨ia设一个无xian大的表面积zheng在被喷丸。在有xian喷丸面积内,fu盖率ke以da到100%,但时间永yuan无fa保zheng。即使使用非常高的喷丸强度,也只能说dui于有xian区域来说整个喷丸区域有很高的ke能da到100%fu盖率。

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图3 不同shu量丸料dui总fu盖率的gong献


       在此有个zheng论点,的通常认为撞击后fu盖率是不断增加的(宏guan意义上),但其平jun值明显低于100%。这里存在一个最jiafu盖值的竝ai睿陀诖酥当硎厩放缤瑁哂诖酥当硎竟扰缤琛U飧鲎頹ia值在很大程度上取jue于被喷丸的材料。应记zhu,喷丸的zhu要目的是chan生一zhong压suo性“皮肤”,以优化材料使用性能,er不是tu劳di追求100%的fu盖率。这zhong盲目追求将使得零jian被过度的喷丸处理,同时有ke能超过材料的延展性,并降低原先喷丸的好处。

fu盖率的控制簍ong饬军/span>

       控制fu盖率的di一个问题是能够准确di测量它。图4显示了一个放大约10bei的轻微喷丸shi样。you于存在大量未喷丸表面,因磗i梢yuan詓hi样进xing合理准确的测量。利用图像分析程序ke以很容yididui这些样品进xing定量测量。然er,随着fu盖率接近100%,测量bian祄ei巡⒆钪瘴辠a进xing。同时you于原始表面未打磨也加剧了测量问题,制造shang不会jinjin为了帮助测量fu盖范围erdui其零jian进xing打磨,因此,喷丸表面的不jun匀性是最重要的问题,因为不jun匀的表面难襶uanyue埂V氐陌糼ang边缘模hu,微小的未喷丸区域都将影响到测量值。

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图4 使用S170dan丸dui铝样品进xing喷丸处理,fu盖率为34.8%,放大10bei,并使用ju有毫米ke度的公制chi进xingguan察。


       显然无xian小的未喷丸区域不ke能测量。dui于非常小的未喷丸区域,当莂n募际跻参辠a进xing测量。例如,考聁ie桓?0mm*10mm区域,该区域将在10bei放大bei率下pai照进xing检查。图像在10bei放大率下的“屏幕上”chi寸将为100mm*100mm。jia设相机ju有lu制1兆像素图像的能li。相当于1000×1000像素的zheng方形图像。因此,样ben表面的mei平方毫米dui应于100×100像素。如guo现在考虑youS110或S170dan丸形成的压痕,压痕謆en督?.1mm区域。那么,这就相当于一个謆en段?.1mm的圆,它被ke在一个zheng方形上,这个zheng方形的图像謍ui?0像素*10像素。图5显示羢u鈠hong情kuang的一zhong表蔶inⅫ/span>

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图5 0.1mm謆en兜呐缤枨蛳袼鼗紁ian,其中包括重叠喷丸区和未喷丸区域


       如guo(这蕅ie桓龇浅4蟮摹叭鏶uo”)相机能够完meidi区分被喷丸和未喷丸的区域,那么喷丸区将显示为较an的像素(单色),从er形成“锯齿zhuang的圆”。如图5所示,三个重叠撞击之间形成的“未喷丸区域”在任he方向上都小于一个像素,因此无fa检测到。图中所示的单个“未喷丸区域”的面积约为0.1*0.1mm总面积的0.1%。因此,无fa确定fu盖率是否高于99.9%。事实上,在整个区域上有10个这样小的未喷丸的区域,shen至无fa确定是否da到了99%的fu盖率。

       定量图像分析fu盖聅hi饬糠絝a的精度取jue于原始图像的质量。为了说明ke能出现的问题,特意使用了低质量图像,如图6(a)所蔶inH缤?(b)所示,dui应的二值图像无fa区分未喷丸区域的反射率和压痕底部。因此,“黑点”出现在大duoshu凹kang区域的謝ing摹ui图像的精确分析只能基于测量mei个已识bie喷丸的封闭区域(忽略凹kang之间的斑点)。因此,拥有一个高质量的图像瞤ai躦eng好、geng容yi的进xing测量gong作!

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                                                                     (a)                                (b)

图6 采用S170丸料、10bei放大率dui铝jian进xing喷丸的光xue图像(a)和二值图像(b)


       ke靠的测量xu要jianli在含有大量未喷丸区域的表面的基础上。因此,考虑fu盖聅hi刂剖保灿Ω没赿uifu盖率yuan低于99%的表面进xing的测量。下面的案例yanjiu旨在说明如he实施这zhong控制。

fu盖聅hi刂瓢咐齳anjiu

       一个零jian要用si个相同的压痕进xing喷丸,目的是精确dida到99.9%的fu盖率。wei一ke用于控制的bian量为丸料的流量。准备抛光的材料pian,其材料性能chi寸都应相同才ke使用。

di一步ke以是将抛光的材料pian安譨n脚缤枭璞钢校絝a与固定Almenshipian的方fa类似。喷丸时,材料pian进xing一ci性喷丸,给定一个丸料流量。喷丸后,dui材料pian的几个区域进xingpai照和图像分析,以便进xingfu盖聅hi鈙hi。平junfu盖率为74.6%。ke襶ue弥荡階vramifu盖方程(1),得出:

74.6 = 100(1-exp(-A.R.1)]                                   (2)

       其中,di二个“1”表示测shi中si个压痕中的di一个;A:mei个压痕的面积jia定为常量,R与丸料流量成zheng比。

       ke以很容yidi解出方程(2),其中A.R的值为1.3548。然后,ke襶ue弥涤?、3和4一起填入到方程(2)中,以表示随后的过程。这样就得到了2ci、3ci、4ci通过的总fu盖率为93.344%、98.283%和99.55%,即2ci、3ci和4ci通过(以1.3548的A.R率)。因此,sici通过后的fu盖率低于所xu的99.9%。然后,将所xu的99.9%代入方硉ao校业紸.R的值,所xu的A.R值为1.7269。将该值与1.3548进xing比较表明,xu要将丸料流量增加约27.5%,以便通过si个压痕精确di实现99.9%的fu盖率。蔰ao始扑闳缤?所示,其中“x”用于初始的A.R组合,er“y”用于调整后的A.R比率。

       如guo所xu的fu盖率是99.99%,er不是99.9%,那么dan丸流量比率必须增长70.0%(采用与之前相同的程序得出)。dui于99.999%的fu盖率,程序yu测所xu的dan丸流量比聅hi黾?12.4%。应该注意的是,如此高的fu盖率值很ke能会超过材料优化所xu的值。注意,在meici传递过硉ao校盇” 都被jia定为常量。ke以使用比(1)geng复杂的方程,该方程将ke能减小凹kangA的chi寸。

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图7 “Mathcad”gong作表用于yu测所xudan丸流量的bian化量


fu盖率与表面残余应li

       零jian的喷丸会在整个表面形成一个二维的、非常有yi的、压suo应li的表面层。喷丸如此持续有xiao的一个zhu要原因是它蕅ie桓觥敖ian”的过程。这就是说,如guo在任he临jie应li区域的fu盖范围不降到非常低的时候,那么压suo残余应li的保护表皮是完整。因此,是ke以通过dui零jian进xing喷丸来提高材料性能,未受影响的小区域并不意wei着表面存在“弱点”,这蕅ie蛭皇前糼angchan生了压suo应li区,er是凹kang下方和周围的bian形区chan生了压suo应li区。图8显示了一个单一的冲击区域、其相邻的bian形区域以及压suo应li材料同心“包络”的表蔶inQ箂uo应li水平从撞击区謝ing膟ueyuan下降。

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图8冲击区、bian形区及周围压应li包络xian示意图


       图8的目的只是为了说明冲击区和bian形区的chi寸都是有xian的,er包络影响区是无xian的(胔ui刑囟ǖ谋遤ie)。冲击区的有xianchi寸youdan丸chi寸、喷丸能量、材料强度等jue定。周围bian形区的有xianchi寸you冲击謝ing牡木鄉ijue定,超过屈fu强度-因此塑性bian形有一个尖rui的“截zhixian”。另一方面,压suo残余应li值随着距li冲击区域謝ing牡木鄉i逐渐下降,即最大压suo应li值将蝖ui诔寤髑蛳路健N怂得髦氐挠i轮廓,图9用同心等应li圆表示了yuanli冲击区域的应li大小下降,包括几个冲击区域。you于“应li叠加原理”,重叠的应li轮廓将合并,形成表面残余压应li的连续性。如guo喷丸前表面含有拉伸残余应li,喷丸后则you喷丸chan生的压suo残余应li代替。

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图9duo个喷丸区的重叠压suo等应li圆


       另一个重要因素是压li水平不能tu然gaibian。因此,在已获得jun匀、实质性fu盖的喷丸部jian中,物理上不ke能有拉伸表面残余应li区域,shen至是非常低的压suo残余应li区域。

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       上shu论据得出三个zhu要结论:

       1. 无xu尝蕐uan砸雅缤璨縥ian进xing很高的fu盖率。

       2. 有xiao的fu盖聅hi刂苉e以通过在早期测量fu盖率,调用适当的fu盖率公式,然后控制给定喷丸zhuang态下的丸料流量。

       3. 有xian和无xianfu盖样ben之间是有很大区bie的。

       dui于高fu盖率的精确测量是不ke能的。很难有xiao识bie,geng瞙ui盟等繁#?00%fu盖整个已喷丸部jian的表面。在不同的使用条jian下,应为不同的材料测shi最jiafu盖率,这一点很重要。这蕅ie蛭缤璧哪康氖莄han生一个压suo应li表面“皮肤”,优化材料性能。过度的喷丸会dao致喷丸表面延展性的耗jinertui化。另一方面,在进xing喷丸处理时,表面不会da到最jia硬度(通过加gong硬化)并qie随后压suo应li“表皮”的厚度会减小。ke以合理dijia设,dui于许duo材料,最jiafu盖率将小于90%。

       定量fu盖控制ke以成为精密喷丸的有xiao手段。一个基ben的优点是fu盖/喷丸时间曲xianju有如此简单的形zhuang,相应的Avrami方硉aohui幸桓鯾ian量——jia设有固定的凹kang謆en丁S氚⒍鹠enbao和曲xian的复杂形zhuang相比,阿尔menbao和曲xianxu要三到si个参shu瞤ai芙鴛ing精确分析。因此,dui于heng定的喷丸条jian,jinxu一ci测量即keyu测fu盖/喷丸时间曲xian的进度。固定凹kang謆en兜氖褂檬qie粃hong简化,zhenzheng的喷丸区域包含不同范围謆en兜陌糼ang。但这并不能zheng明从喷丸的中间阶段就ke以yu测最终fu盖率的guan点是zheng确的。等謆en兜母pai頺e以等同于一系列凹kangchi寸的平jun謆en丁Ⅻ/span>

       结guo表明,基于小er精确的丸流比率bian化的控制是非常有xiao的。与大duoshuke接受的控制程序一样,必须有参考标准。例如,定量化xue分析yi赖于一系列已知成分的标譲ia贰H缓螅饬恐迪郿ui于最近ke用标准的测量值进xing表蔶inⅫ/span>

案例yanjiu中概shu的fu盖控制程序的参考标准应包括:

       1. 一套不同材料的标准shu码照pian,经处理后fu盖范围不同。然后ke以调整图像分析程序,使其与标准相pipei。

       2. 一套标准的经喷丸处理的样品,同样you不同的材料经不同的、确定的fu盖范围进xing喷丸处理。然后ke以调节成像/分析技术。

       fu盖测量的精度将通过使用shipian、抛光过的部jian材料或至少xi磨过的部jian材料来提高。图像分析程序应允许一ci测量大量凹kang区域。这是为了消除有xian样ben大小和无xian大样benyu测值之间的差异。

       fu盖整个表面的jun匀性很重要。如guo在喷丸的中间阶段进xing测量,也ke以geng有xiaodi监测这一点。

       最后,fu盖率和喷丸强度(通过阿尔menbao和曲xian测量)是不同的。它们反映了喷丸控制的不同方面。dui喷丸部jianfu盖范围的准确了解将涉糰n窖箂uo残余应li这层保护皮的完整性。此wai,fu盖范围的测量是謋u牧蟗en身。另一方面,喷丸强度指的是适用于铝带的喷丸“强弱性”——使用的标准材料必须符合规范和相应条jian。


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