喷丸过程弹丸选用对材料残余应力的影响

张秀梅

摘要：进入21世纪，喷丸工艺过程就是大量具有高动能的弹丸持续向零件表面进行撞击的过程，弹丸类型及其硬度状态选择是否合理将会直接影响喷丸强化效果，弹丸材料不同喷丸强化效果将不同， 本文用铸钢丸、陶瓷弹丸进行喷丸试验，探索弹丸选用对材料残余应力的影响，为工厂零件加工参数选择提供数据参考。

关键词：喷丸；弹丸；材料残余应力

喷丸工艺过程就是大量具有高动能的弹丸持续向零件表面进行撞击的过程[1]，正确地选择喷丸强化工艺参数及确保工艺参数在加工过程中的稳定性，是提高零件疲劳强度和抗应力腐蚀强度的必要条件。不适当的工艺参数或喷丸过程中任何一个工艺参数的变化都会影响喷丸强化质量[2]。弹丸类型及其硬度状态选择是否合理将会直接影响喷丸强化效果，弹丸材料不同喷丸强化效果将不同。

目前厂内生产常用的弹丸进行喷丸试验，表面残余应力值如表1所示，同种弹丸随不同强度的表面残余应力值变化如图3-1所示；陶瓷弹丸的残余应力分布如图3-2（a）所示，铸钢丸的残余应力分布如图3-2（b）所示，陶瓷弹丸与铸钢丸0.15mmA喷丸强度的残余应力比较如3-2（c）所示， 陶瓷弹丸与铸钢丸0.2mmA喷丸强度的残余应力比较如3-2（d）所示，二次喷丸的残余应力分布如图3-2（e）所示，铸钢丸与二次喷丸的残余应力比较如3-2（f）所示。

从表1可以看出，相同覆盖率不同弹丸喷丸后的表面残余应力，采用陶瓷丸喷丸，在相同覆盖条件下，表面残余应力基本不变，均在-400MPA左右；采用铸钢丸喷丸后，残余应力随着喷丸强度的增大，表面残余应力数值先上升后下降。造成这个结果的原因是由于喷丸强度较小时，由于铸钢丸硬度偏小，表面形变强化效果不足，无法产生较好的残余应力分布，表面残余压应力数值较小，而喷丸强度过大时钛合金表面形变严重，导致表面残余应力松弛。采用较大直径的铸钢丸喷丸后，表面残余应力数值进一步减小，这是由于大直径大强度铸钢丸喷丸后，表面塑性形变更加严重而导致残余应力松弛的结果。

从图1（a）、（b）可以看出，同种弹丸随喷丸强度增加，残余应力分布向右下方移动，说明当喷丸强度增加，表面残余应力随之减小、最大殘余应力深度和应力场深度都有所增加。从图1（c）、（d）可以看出，与相同喷丸强度的陶瓷丸相比，铸钢丸喷丸后的表面残余压应力小于陶瓷丸，铸钢丸和陶瓷丸喷丸的残余应力场深度基本一致，说明喷丸强度与残余应力场深度具有正比关系，铸钢丸喷丸后最大残余应力对应深度大于陶瓷弹丸喷丸。总体比较陶瓷丸要优于铸钢丸。

同时还进行了二次喷丸对比试验，试验结果：经过二次喷丸调节后，采用陶瓷丸的残余应力分布在玻璃丸的残余应力分布下方，说明陶瓷丸产生表面残余应力和最大残余应力都大于玻璃丸，所以二次喷丸采用陶瓷丸。二次喷丸后由于陶瓷丸喷丸的调节作用，最大残余压应力向表面层移动，使表面压应力数值增大。相比于铸钢丸喷丸强度0.3mmA，采用二次喷丸后的最大残余应力对应的深度减小。产生上述现象的原因有：铸钢丸密度大于陶瓷丸，硬度略小于陶瓷丸，在相同的喷丸强度下，铸钢丸喷丸造成的表面层塑性形变大于陶瓷丸喷丸，表面层塑性形变的存在导致了残余应力松弛，因此铸钢丸喷丸造成的表面残余应力小于陶瓷丸喷丸，铸钢丸最大残余应力位置深于陶瓷弹丸；喷丸强度是喷丸能量的表征，相同的喷丸强度代表基本相同的能量，因此相同喷丸强度造成残余应力场深度也基本相同；一般来说，喷丸可以在钛合金表面形成梯度的塑性形变层与弹性形变层，残余应力场中的最大残余压应力是表面层塑性形变导致应力松弛与次表面弹性形变产生残余压应力相互竞争的结果，其数值是一个材料的本征属性。

（a）陶瓷弹丸，（b）铸钢丸，

（c）0.15mmA喷丸强度陶瓷弹丸与铸钢丸比较，

（d）0.2mmA喷丸强度陶瓷弹丸与铸钢丸比较，

结论：

陶瓷弹丸和铸钢丸由于在材料表面引入了残余压应力场，显著提高了抗疲劳性能，随喷丸强度的增加，残余压应力分布向右下方移动。在相同喷丸强度下陶瓷弹丸的表面残余压应力值、最大残余压应力都比比铸钢丸大，两者形成的喷丸强化层深度基本相同。

引用文献：

[1]中国航空材料手册编辑委员会.中国航空材料手册.中国标准出版社，1988年9月，第1版.

[2]王仁智.金属材料的喷丸强化原理及其强化机理综述[J].中国表面工程，2012，6：51-53.endprint