凯发国际首页 300M鋼噴丸強化工藝中打磨問題的研究

３００Ｍ鋼是一種被廣泛應用于飛機起落架等關鍵零件制造的低合金超高強度鋼。本文基于國內某航空企業的需要，對３００Ｍ鋼零件噴丸強化后打磨處理對其強 化效果的影響及其影響機理進行了研究。 本文的試驗內容包括：試樣加工、噴丸強化及打磨處理、表面殘余應力場測 定、表面粗糙度測定、三點彎曲疲勞試驗、斷口分析等工作。 本文首先對噴丸強化對３００Ｍ鋼殘余應力及疲勞性能的影響進行了研究。通 過ｘ射線應力測定，研究了相同試樣在低強度、中強度、高強度噴丸后試樣表層 殘余應力的分布及變化特點；通過三點彎曲疲勞試驗，研究了不同強度的噴丸強 化對試樣疲勞性能的影響。研究說明，噴丸強度并非越大越好。 本文研究的重點是對噴丸強化后打磨對３００Ｍ鋼殘余應力及疲勞性能的影響 問題進行研究。通過Ｘ射線應力測定和三點彎曲疲勞試驗，研究了噴丸強度相同 的試樣經過不同去除量的打磨后試樣殘余應力及疲勞性能變化的特點。在此基礎 上，分析了噴丸標準中規定噴丸后打磨處理去除量不可以超過阿爾門（Ａ１ｍｃｎ）強 度值的１／１０的原因。研究證明，噴丸后對零件進行適量的打磨處理有利于提高零 件的疲勞性能。
關鍵詞：３００Ｍ鋼，噴丸，打磨，殘余應力，疲勞
緒論
1.1 課題的研究背景與意義
３００Ｍ鋼是美國國際鎳公司于１９５２年研制的一種低合金超高強度鋼（哪＝ １９６３ＭＰａ，伽２＝１６１５ＭＰａ），具有強度高、橫向塑性高、斷裂韌性高、疲勞性能優 良、抗應力腐蝕性能好等特點，用其制造起落架不但結構尺寸較小，而且與飛機 機體同壽命使用，即使使用壽命長達數萬小時的民航客機也是如此。我國于８０年 代中期開始仿制該鋼種，１９９０年通過技術鑒定，現在廣泛應用于飛機起落架和抗 疲勞螺栓等關鍵零件的制造中。由于３００Ｍ鋼對應力集中、氫脆、應力腐蝕敏感， 所以在零件設計時必須運用疲勞設計準則，盡可能降低應力集中水平；另外，在 制造過程中，還要采取行之有效的工藝措施（如整體鍛件、真空淬火、控制機械 加工、表面強化、表面防護），這樣才能發揮３００Ｍ鋼的性能潛力。 噴丸是一種廣泛使用的材料表面冷加工方法，噴丸強化所引起的殘余壓應力 場可明顯改善材料的疲勞性能和抗腐蝕性能，在飛機、坦克、汽車和各種機械設 備的齒輪、彈簧、活塞桿、葉片及模具等的表面清理、提高使用壽命與防腐能力 方面發揮了重要的作用。 在飛杌起落架的制造過程中，起落架的外筒、活塞桿等零件在加工成形后都 需要進行噴丸強化處理。而在此前的機加過程中，零件表面可能會留下一些不易 察覺的凹凸界面，零件經過噴丸強化后，這些凹凸界面會明顯地顯現出來，所以 需要對噴丸后的零件表面人工用風槍進行打磨拋光，使其平整。但打磨過程勢必 去除一定深度的噴丸所形成的殘余壓應力層，進而影響到噴丸的效果：殘余應力 及疲勞性能。對此，工藝上僅規定參照噴丸標準來操作，對于噴丸后打磨有何影 響及其影響的機理并不清楚。 國內外的噴丸標準中都嚴禁噴丸后進行有損噴丸的機械加工。當特殊情況下必 須要加工時，噴丸標準中都對此做了規定。如我國航空工業指導性標準ＨＢ／ｚ ２６．１９９２規定：噴丸表面的去層深度不應超過該表面阿爾門（Ａｌｎｌ）強度值的１／５ 到１／１０；對抗拉強度小于１４００ＭＰａ的金屬件去層深度可選ｌ，５，高強度鋼則選１／１０。 （阿爾門強度值說明見后表１．１） 但是，由于打磨的操作完全靠人工，它很難保證達到產品圖紙引用標準規定的去除量要求。當不小心打磨量比較大時，按標準要求必須對打磨處進行補噴，然而實際上工廠往往為了提高噴丸效率就省略了補噴環節，從而有可能影響起落 架零件的使用性能。針對噴丸后打磨對噴丸效果影響的問題，尤其是其影響的機 理，國內航空企業認識還不夠透徹。鑒于起落架在整個飛機制造環節中的重要性， 對３００Ｍ鋼噴丸強化后打磨對噴丸效果的影響，必須予以深入研究，把打磨對噴丸 影響的機理研究清楚，從而避免因忽視而造成重大損失。 基于航空企業對３００Ｍ鋼噴丸強化后打磨對其強化效果的影響機理的研究需 求，作者通過殘余應力測定及疲勞試驗等技術手段，對３００Ｍ鋼試樣經不同噴丸強 化及打磨后表層的殘余應力分布以及疲勞性能等變化的特點進行了研究，對噴丸 后打磨對噴丸強化效果影響的機理進行了探索。

１．２．相關研究進展
 并非所有零件在噴丸強化后都需要打磨，打磨的情況不是很多，但也絕非是少 有的小問蹶。由于飛機起落架及其制造的重要性，制造環節中任何一個細小環節 的失誤都有可能影響到起落架最終的使用性能和壽命。因此，對３００Ｍ鋼噴丸強化 后打磨對噴丸效果的影響進行研究是非常必要并且重要的。 ３００Ｍ鋼原是美國國際鎳公司于１９５２年研制的，我國于８０年代才開始仿制， １９９０年通過航空航天工業部及冶金工業部聯合技術鑒定并開始使用。對于３００Ｍ 鋼的各種性能，國外的研究必然已經非常的深入和透徹，但由于其用途的特殊性， 在網絡數據庫中查得的相關資料非常少，僅僅有國內學者在外刊上發表的相關英 文版文獻【Ｉ】。因此國內對３００Ｍ鋼的研究只能靠自已的力量去實現。對此，我國相 關單位在努力完成３００Ｍ鋼的仿制后，經數據整理、匯集，由航空航天部第六二一 研究所編寫并出版了《３００Ｍ鋼性能數據手冊》【２】一書。書中涉及國產和美國３００Ｍ 鋼不同的尺寸規格，記錄了３００Ｍ鋼在研制及鑒定過程中所得到的大量的試驗及性 能數據。這本書成為作者對３００Ｍ鋼認識并進行研究的首要參考資料。 國內目前可查的專家學者的研究文獻中，針對３００Ｍ鋼材料的研究并不多。而 且大多數文獻的研究重點都集中于噴丸強化的理論與工藝的優化上，對于本文所 要研究的噴丸強化后打磨拋光所帶來的影響問題雖有涉及，但非常有限，目前為 止還沒有發現有專門針對此問題進行研究的文獻，尤其缺乏對這種影響機理的深 入研究。 北京航空材料研究院、燕山大學材料系、哈爾濱工業大學等單位對３００Ｍ鋼及 其噴丸強化工藝做過深入研究【ｌｊ吲。對３００Ｍ鋼噴丸強化工藝參數與材料表面強化 與損傷的關系，強化工藝參數對表面粗糙度、殘余應力的影響，以及材料表面層 的這些變化與疲勞強度的關系等進行了系統性的研究。認為對于３００Ｍ超高強度鋼，存在一最佳噴丸強度，偏離該值均不能獲得最佳的表面強化效果；噴丸引入 的表層殘余壓應力場的主要作用是轉移疲勞源的成核位置。這些研究中雖然未涉 及噴丸后打磨的情況，但是他們對３００Ｍ鋼的噴丸強化進行了大量深入的研究，為 本文對３００Ｍ鋼噴丸強化后打磨問題的研究打下了堅實的基礎。 除此之外，可查的其它文獻中都未指明是針對３００Ｍ鋼進行的研究，但是其中 一些研究成果，比如噴丸處理的強化效應等各種理論對于本文研究的３００Ｍ鋼噴丸 后打磨對噴丸效果的影響問題還是有重要的參考意義的。 在噴丸強化形成的殘余應力場方面，北京航空材料研究院的高玉魁等人１７ｑｏ】 對常見幾種高強度鋼在不同噴丸強化規范下引入的殘余壓應力場進行了深入研 究，歸納了噴丸強化殘余壓應力場的特點，指出噴丸強度并非越大越好，噴丸強 度過大，會造成表面殘余應力降低，表面粗糙度增大，弓ｌ起應力集中，從而降低 疲勞性能。 在噴丸強化的機制方面，北京航空材料研究院的王仁智與哈工大的姚枚等人 研究總結了噴丸強化綜合效應理論【１１１，認為在忽略噴丸引起的表層材料循環硬化／ 軟化影響的前提下，參與噴丸強化的因素有殘余壓應力場、表面粗糙度和材料本 身的表面疲勞極限（ｓＦＬ）和內部疲勞極限（ＩＦＬ）四項。在表面殘余應力及表面 粗糙度相互競爭并共同作用的情況下，疲勞源可能萌生于材料表面或內部，這是 這些因素共同作用，驅趕疲勞源的結果。另外，王仁智在文獻【６】中也指出：材料在 噴丸強化后將發生以下幾種變化：組織結構（亞晶粒尺寸、位錯密度及組態、相 轉變等）的變化、表層殘余應力場的形成、表面粗糙度（即應力集中）的變化。 而這些變化對材料力學性能的影響又表現為強化與弱化兩種方式。作為強化機制 有組織強化與應力強化，而作為弱化機制實質上就是表面上的應力集中。他們在 噴丸強化機制研究中所使用的試驗材料，雖然未包含有３００Ｍ鋼，但是對于本文對 ３００Ｍ鋼噴丸強化的研究，具有很強的指導意義。 燕山大學的張志建在這些理論的基礎上對噴丸件表象疲勞極限及噴丸工藝優 化問題進行了進一步分析【１２１，指出了現行的以試片的弧高值作為噴丸強度評價標 準的不合理性，提出了對于４０ｃｒ鋼，使噴丸形成的殘余壓應力場深度為奧氏體晶 粒平均直徑的１０～１５倍的噴丸強度為最佳噴丸強度的噴丸工藝優化準則。但是， 對于該方法在生產實際中的實用性并未詳細說明，且這種優化準則還僅限于該文 所研究的幾種材料，對于其它材料（比如３００Ｍ鋼）的情況還未有研究。另外，該 論文在對４０ｃｒ鋼材料噴丸件表象疲勞極限及噴丸工藝的優化進行深入研究的過程 中，對噴丸后磨削的情況做了試驗對比，認為噴丸后磨削可以降低表面粗糙度，使疲勞源由材料表面轉入內部，進而提高表象疲勞極限。但噴丸強度過大時，表 面會受到損傷，使磨削所起的作用降低。即磨削只能部分降低粗糙度對疲勞性能 的影響。但是其研究過程中噴丸后的磨削是通過上磨床精磨實現的，而磨削過程 不僅僅會降低表面粗糙度，其產生的大量熱量必然致使表層材料的組織結構也發 生了變化，這所帶來的影響是不應忽視的，而且噴丸后進行磨削操作是噴丸標準 中嚴格禁止的，生產實際中噴丸后是絕對不會去上磨床磨削的，真正需要考慮的 是噴丸強化后打磨處理對噴丸效果的影響。這正是本文所要進行研究的重點。 以上這些學者的研究成果對于本文研究３００Ｍ鋼噴丸強化工藝中的打磨問題都 有著很強的指導意義。根據上述文獻中的觀點，關于噴丸強化工藝中的打磨目前 普遍的結論是：過度噴丸會引起零件表面粗糙度增大，引起應力集中，進而在表 面產生疲勞源，通過打磨可以部分減弱粗糙度增大對材料表象疲勞極限的影響。 對于高強度噴丸的重要零件，噴丸后最好進行輕微打磨。但是，對于噴丸后打磨 的去除量應是多少，打磨對噴丸效果影響的機理及實質等問題，目前并沒有文獻 進行過研究。 本文在前述學者的理論及研究成果的基礎上，通過殘余應力測定及疲勞試驗等 技術手段，從殘余應力分布和疲勞性能變化等角度，對噴丸強化對３００Ｍ鋼的影響， 以及噴丸強化后不同去除量的打磨處理對３００Ｍ鋼的影響及其機理，，進行了深入 的研究。

１．３．本文研究思路與內容安排
１．３．１．研究思路
 ３００Ｍ鋼廣泛用于飛機起落架的制造，而在制造環節中，必不可少的要對零 件進行噴丸強化。根據噴丸標準規定，噴丸后嚴禁進行任何有損噴丸的機械加工。 但在生產實際中確實會遇到噴丸后還需對被噴表面打磨拋光的情況。對此，噴丸 標準中特別規定去除量不得超過噴丸強度弧高值的１／10。但是，為何國內外的標 準中都如此規定，噴丸后打磨的去除量對噴丸效果、特別是零件的疲勞性能有何 影響，成為有待解決的問題。 本文針對此問題，對３００Ｍ鋼噴丸強化后打磨拋光的影響進行了比較系統深 入的研究。研究主要分為兩部分：第一部分是噴丸強化對３００Ｍ鋼殘余應力及疲勞 性能的影響，主要是通過對不同強度噴丸后的試樣的殘余應力和疲勞性能的變化 結果進行對比來進行研究；第二部分是噴丸強化后打磨對３００Ｍ鋼殘余應力及疲勞 性能的影響，各組試樣經相同強度噴丸強化后，再進行不同去除量的打磨拋光處理，最后對比分析它們殘余應力及疲勞性能的變化。試驗具體的分配方案如表1-1 所示：

表1-1試驗方案


Ｏ．１６Ａ*：用Ａ型標準阿爾門試片，經噴丸強化后所測得的弧高值為Ｏ．１６ｍｍ。


 第二章噴丸強化技術
２．噴丸強化技術 噴丸強化技術是用來提高金屬零構件疲勞斷裂抗力和應力腐蝕斷裂抗力，并 為實際使用證明為一種效果顯著的表面強化工藝。對金屬零部件進行噴丸可以顯 著地提高其表象疲勞極限。與其它表面強化工藝（例如滾壓、表面熱處理、表面 化學熱處理等）相比，噴丸強化具有設備簡單、操作方便、適應面廣、節能省時、 成本低廉、效果顯著的特點。噴丸強化工藝在廣闊的工程領域中，得到了日益深 入的應用和發展。 噴丸處理是以高速運動的彈丸流噴射材料表面并使其表層發生塑性變形的過 程（此塑性變形層深度通常處于Ｏ．１．Ｏ．８呦）。合理地利用噴丸后表面塑性變形層 內的殘余壓應力場和變形的顯微組織，可以改善金屬材料的疲勞斷裂抗力和應力 腐蝕（氫脆）斷裂抗力。一般認為噴丸在零件表面形成的殘余壓應力與疲勞載荷 疊加是零件疲勞極限提高的主要原因。噴丸同時會造成試件表面粗糙度增加，引 起應力集中，因此過度噴丸時疲勞極限降低。

２．１．噴丸強化技術的發展
 噴丸強化技術開始于２０世紀２０年代，１９２７年Ｈｅｒｂｅｒ發明了第一臺噴丸機。 當時噴丸技術主要用于汽車工業，發展比較緩慢。六十年代后，各種高強度材料 相繼應用到航空工業上，隨之而來的疲勞失效也不斷出現。為了解決這一問題， 對飛機關鍵承力零部件進行了噴丸，效果顯著。隨著該工藝技術在宇航工業界的 迅速發展，逐漸引起其它工業部門的普遍關注。噴丸強化以其操作簡便、成本低 廉、適應性廣，特別是耗能低等特點，一躍而成為各種表面強化工藝中的佼佼者。 七十年代末在國際范圍內又一度出現了“噴丸熱”。為了促進噴丸強化技術的發展， 于１９８１年９月在巴黎召開了第一屆國際噴丸會議，并成立了國際噴丸學術委員會 作為常設機構。每三年召開一次國際會議，并出版發行論文集。會議對噴丸技術 的國際問交流、促進噴丸技術的發展，起到了巨大的推動作用。 我國于２０世紀５０年代起開始采用噴丸技術。６０年代初，開始了對噴丸強化 技術的系統研究，并將其應用于易發生疲勞失效的零件上，獲得了巨大成功。１９７３ 年我國出版了第一部噴丸強化論文集【１３ｌ，１９７７年出版了第一部噴丸技術專著【１４】。 同年，航空工業部頒發了指導性技術文件《航空零件噴丸強化工藝說明書》（ＨＢ，ｚ２６，８０）。１９８１年，中國機械工程學會材料學會于昆明召開了噴丸強化及其它 表面強化技術的學術討論會。１９８５年，中國機械工程學會頒發了指導性技術文件 《機械零件噴丸強化工藝》；１９８８年航空工業部又頒發了《航空材料噴丸強化手 冊》。這些專著和指導性文件的出版發行，大大促進了我國噴丸強化技術的發展。 我國從事噴丸強化研究和應用的工作者，經過２０余年的共同努力，為其應用 和發展開發了必要的軟件和硬件。硬件包括噴丸設備、強化用各種彈丸、用于質 量控制的弧高度試片，測量試片弧高值的夾具及測具等。軟件包括噴丸強化工藝 指導性技術文件、各類標準、噴丸強化手冊、噴丸強化工藝參數等技術資料。由 上述硬件和軟件邊同強化的基本理論以及在工業生產中的實際應用，一起構成了 一個自成體系的“噴丸強化工程”。目前，借助于噴丸強化工程，可以承接任何形狀 復雜的機械零件的噴丸強化要求，并能達到預先規定的強化質量。我國已有十幾 個工業部門，在不同規模上應用了噴丸強化技術，并取得了巨大成功【ｂｄ９１。 但是應當指出，雖然我國對于噴丸強化技術的硬件和一般工藝已有較多的研 究，但仍缺少對噴丸強化工程中的一些相關理論問題的深入研究，例如對于噴丸 后零件的加工處理的影響及其影響機理的研究。
２．２．噴丸設備及工藝參數
２．２．１．噴丸機
 噴丸機主要有兩種類型：氣動式噴丸機和機械離心式噴丸機。噴丸機的主要 功能是提供彈丸運動速度，并使零件在工作室內做規定的機械運動。氣動式噴丸 機利用壓縮空氣驅動彈丸，按彈丸的運動方式，又可分為吸入式、重力式和直接 加壓式三種類型。氣動噴丸機靈活性高，工作室內噴嘴數目和安放位置可根據零 件的形狀、尺寸而隨意調整，因而適于多規范、小批量噴丸，尤其適用于科學研 究。但是這種噴丸機耗費功率大，生產效率低。在離心式噴丸機中，彈丸由高速 旋轉的離心輪拋出，離心輪的葉輪直徑一般為３００４００ｍｍ，轉速為１５００．３０００ｒ／ｍｉｎ， 彈丸離開葉輪的切向速度為４５．１００Ｉｎ／ｓ。通常離心輪在工作室中的位置是固定的， 靠零件的運動來滿足對規定表面的噴丸。離心式噴丸機消耗功率低，生產效率高， 噴丸強化質量穩定：但是制造成本較高，靈活性差，適用于批量生產。

２．２．２．噴丸強化工藝參數
 噴丸強化工藝參數包括彈丸直徑、彈丸硬度、彈丸運動速度、流量、噴射角 度、噴射時間以及噴嘴至零件表面的距離等。零件的噴丸強化處理過程中，通常 要求控制和檢驗的噴丸工藝參數主要是彈丸尺寸和形狀、噴丸強度及表面覆蓋率， 而其中最重要的是噴丸強度。 （１）彈丸它是噴丸強化工藝中使用的形狀為球形或無棱角的圓柱形實心介 質材料。噴丸強化用的彈丸通常有以下幾種：鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、不 銹鋼丸、玻璃丸。鑄鐵丸韌性較低，易于破碎，影響噴丸質量。鋼丸的韌性較好， 應用較多。選擇彈丸類型和尺寸的主要依據是零件的力學性能、形狀、尺寸及服 役條件。其一般原則為：黑色金屬可用各種彈丸；有色金屬及不銹鋼零件最好用 玻璃丸或不銹鋼丸；對表面粗糙度無嚴格要求的大型零部件可用較大彈丸，對粗 糙度要求較高者應用小彈丸、玻璃丸。確定彈丸類型后，彈丸硬度和直徑是兩個 重要的噴丸參數。增加硬度和丸徑都將使殘余壓應力層的深度和最大壓應力值增 大，但是同時表面租糙度也增大。 （噴丸壓強和離心輪轉速 噴丸壓強是控制氣動式噴丸機噴丸強度的主 要參量。離心輪轉速則是控制離心式噴丸機噴丸強度的主要參量。在其它條件不 變的情況下，噴丸壓強或離心輪轉速越大，形成的最大殘余壓應力值越大，殘余 壓應力場也越深，同時零件表面的粗糙度也越大。故在選擇噴丸壓強時，要兼顧 表面層強化和損傷兩個方面。 （３）噴丸時間和噴丸覆蓋率在被噴丸零件表面的規定部位上，彈痕占據的 面積與要求噴丸強化的面積之間的比值，稱為表面覆蓋率。在一定的時間范圍內， 噴丸時間越長，噴丸效果越強，彈痕所覆蓋的面積百分比也越大。一般工程上規 定，彈痕覆蓋面為９８％時，稱為滿覆蓋率噴丸，所用的時間為滿覆蓋率噴丸時間。 時間加倍時認為覆蓋率為２００％。因此噴丸時間與覆蓋率具有相似的意義。 （４）噴射距離和噴射角度零件與噴嘴之間的距離越小，彈丸噴射方向與零 件表面間夾角越大，噴丸效果越強。夾角減小時，噴丸效果按正弦函數衰減。 （５）噴丸強度 噴丸強度是上述各個強化工藝參數綜合作用的結果。任何一組 工藝參數都能產生一個噴丸強度。當一組工藝參數固定不變，只改變其中一個參 數時，如逐漸增加彈丸速度，則噴丸強度也會相應提高。因此噴丸強度是綜合評 價一組強化工藝參數，表征零件表層金屬塑性變形程度的一個參量。 工程實踐中應用最廣泛的噴丸強度的度量參量是阿爾門強度（Ａｌｌｎｅｎ Ｉｎｔｅｎｓ時），即弧高值。測量弧高值所用的試片、夾具、量具、測量方法和表示方 法都有美國標準。噴丸時，標準阿爾門試片與被噴丸零件放在一起，用于模擬零 件的噴丸效應。Ｏ．２３Ａ的噴丸強度即表示：使用相同一組工藝參數對Ａ型阿爾門試 片噴丸后，試片因表層發生塑性彎曲變形而向噴丸面鼓起，經專用量具測出試片 彎曲撓度即弧高值為Ｏ．２３ｍｍ。 弧高值僅僅是噴丸強度的一個度量單位，僅代表某一組工藝參數的噴丸強度。 如果以０．２３Ａ強度對零件表面進行噴丸強化，并不意味著零件表面也會形成 ０．２３ｍｍ的鼓起。其具體的變化和零件的材料、硬度、形狀等多種因素有關。

２．３．噴丸強化的機制
 噴丸強化是使材料表層發生劇烈的循環塑性變形的過程，由于材料力學性質及 噴丸條件的不同，噴丸后材料表層將發生以下幾種變化： １）組織結構的變化； ２１表層殘余壓應力場的形成； ３）表面粗糙度（即應力集中）的變化。 表面塑變層內的上述變化對材料力學性能表現出兩種完全不同的影響：一種為 強化因素，使噴丸后的性能改善；另一種為弱化因素，使性能降低。在一定的條 件下，塑變層內的組織變化，以及殘余壓應力場的形成，均構成強化因素。反之， 當噴丸后表面粗糙度增高或導致表面微裂紋的出現，則構成弱化因素。所以，作 為強化機制，可分為兩種：組織強化與應力強化。而作為弱化機制，實質上就是 表面上的應力集中效應。噴丸強化在零件表面造成殘余應力場、循環硬化或軟化 及表面粗糙度等的變化。這些變化疊加到材料本身的疲勞抗力上，共同決定疲勞 裂縫萌生及擴展行為，從而決定零件的疲勞強度。其中，對零件在常溫下的疲勞 性能影響起主要作用的是殘余應力和粗糙度。
２．３．１．噴丸強化形成的殘余應力場
 機械零部件和大型機械構件中的殘余應力對其疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺 寸穩定性和使用壽命有著十分重要的影響。適當的、分布合理的殘余壓應力可能 成為提高疲勞強度，提高抗應力腐蝕能力，從而延長零件和構件使用壽命的因素； 而不適當的殘余應力則會降低疲勞強度，產生應力腐蝕，導致變形、開裂等早期 失效事故。噴丸強化通過大量彈丸噴射到零件表面上的過程，改變了應力分布狀 態，使零件表面形成一定深度的壓應力分布帶，從而可極大地提高疲勞強度和零件的實際承載能力。圖２．１給出了噴丸后材料表層殘余應力分布規律的示意，圖中 說明，噴丸強化產生的殘余應力包括了在一定深度以下的殘余拉應力。

圖２．１噴丸形成的殘余應力場示意圖

 噴丸試件進行疲勞試驗時，試件內的應力等于外施交變載荷產生的應力與噴丸 形成的殘余應力場相疊加的結果。 對于未經噴丸零件，表面無殘余應力，因此其疲勞壽命決定于外施載荷大小， 由于疲勞起源的一般機理，試件表面始終是萌生疲勞源的薄弱環節，尤其三點彎 曲加載時，下表面承受最大拉應力，所以裂紋總是起始于下表面。 噴丸后，零件表面有一定的殘余應力層，其分布如圖２．１所示。當試件承受疲 勞載荷時，殘余壓應力可以抵消部分外施載荷產生的應力，使原來表面的薄弱部 位形成疲勞源所需的載荷應力升高；而其下面的拉應力則又使其處形成疲勞源所 需的載荷應力降低。由于殘余應力疊加引起的這一升一降，就可能使試件內某處 取代表面成為薄弱環節，在該處萌生疲勞裂縫。此過程呈現的現象，是表面被表 觀強化，疲勞源被“驅趕”到內部。 然而，材料表面和內部的疲勞極限是不同的。對此，文獻【１２Ｊ提出了金屬表面疲 勞極限和內部疲勞極限的概念。將疲勞源在試樣表面萌生時的極限應力稱為材料 的表面疲勞極限（ｓＦＬ），疲勞源在試樣內部萌生時的極限應力稱為內部疲勞極限 （ＩＦＬ），且ＩＦＬ１．３４ｓＦＬ。 同時，外施載荷應力也是多變的，可能是比較均勻的拉壓，也可能是不均勻的 彎曲。

 綜上所述，多變的外施載荷與圖２．１所示特征的殘余應力場相疊加，再加上材 料表面和內部疲勞極限不同的特點，這三個復雜因素綜合作用，共同決定了疲勞 源萌生的部位。圖２．２給出了本試驗中試樣被噴丸面所受的外施載荷（三點彎曲） 與噴丸形成的殘余應力場相疊加的示意。

圖２－２噴丸面殘余應力與外施載荷應力疊加示意圖

由示意圖２－２可知，噴丸強化試樣在三點彎曲試驗中，應力疊加后的應力曲線 （紅色）即為試樣實際的應力狀態曲線，其與材料的表面、內部疲勞極限大小共 同決定了疲勞源萌生的位置。

２．３．２．噴丸強化對粗糙度的影響
 一般認為，軟材料噴丸，表面粗糙度大，疲勞源易萌生于表面；而硬材料噴丸 時，租糙度較小，疲勞源常在試樣內部，疲勞極限提高較大。文獻【增出，“噴丸 引起表面粗糙度的變化對疲勞性能有重要影響”。噴丸增大的表面損傷引起應力集 中，表面磨削可以部分減弱粗糙度對表象疲勞極限的影響。文獻【２０Ｊ提出噴丸后的 零件表面應輕微打磨。大直徑彈丸噴丸強化后，采用較小彈丸低壓力覆蓋，也可 部分減小表面粗糙度。 為評定噴丸表面質量要求，國際標準化組織于１９８５年公布了噴丸、拋丸粗糙 度標準，即Ｉｓ０２６３２，ＩＩ—１９８５。１９８８年，我國頒布了《表面粗糙度比較樣塊》及《噴丸、噴砂加工表面》技術標準。標準采用峰高與低谷之間算術平均值Ｒａ的大小來 衡量噴丸表面的粗糙度。表面粗糙度主要取決于丸粒與靶材的相對硬度，丸粒相 對于靶材越硬，粗糙度越大。此外，丸粒直徑越大、噴丸速度越高，造成的表面 粗糙度也越大。噴丸后零件的表面粗糙度對疲勞行為有重要影響。噴丸形成的表 面缺陷引起微觀應力集中，容易萌生疲勞裂縫，從而降低零件的表象疲勞極限。

２．３．３．噴丸強化的綜合效應理論

 北京航空材料研究院與哈工大的學者在做了大量試驗研究后，提出了噴丸強化 的綜合效應理論【Ｉ”。本文將基于該理論對試驗結果進行分析。為此，先對其基本 思想做一介紹。 該理論指出，在忽略噴丸引起的表層材料循環硬化，軟化影響的前提下，參與 噴丸強化效應的因素有殘余壓應力場、表面粗糙度、材料本身的ｓＦＬ（表面疲勞極 限）和ＩＦＬ（內部疲勞極限）等四項。后二者為材料固有的性能，與噴丸工藝無關，二 者間存在ＩＦＬ／ＳＦＬｚｌ．３４的比例關系。由于ＳＦＬ＜ＩＦＬ，且有表面粗糙度的負作用， 疲勞源可能萌生于表面，此時表層的殘余壓應力只起到直接強化作用，其強化效 果較差。若表面粗糙度較低，或噴丸后表面磨光，則在噴丸殘余壓應力場的作用 下，疲勞源被“驅趕”到試樣內部，迫使疲勞斷裂于高值的ＩＦＬ應力水平下發生， 此時殘余壓應力是起到將疲勞源向內層壓迫的間接強化作用，而實質的強化因素 在于材料本身固有的高值ＩＦＬ，強化效果較高。至于疲勞源究竟萌生于表面還是內 部，由殘余壓應力場與表面粗糙度這兩重因素的競爭而決定。對于噴丸后不磨削 試樣，當這兩重因素處于平衡時，便會發生雙棲疲勞源。

２．４．噴丸標準

 在生產實踐中，噴丸車間在收到要求被噴丸強化的零件后，根據零件圖紙上規 定的噴丸強度來進行噴丸。而噴丸過程中的所有操作上的細節，都是按照工藝文 件或噴丸強化的標準來執行的。根據不同的產品類型（軍品或轉包），工廠往往采 用不同的噴丸標準（如企標、航標、國標以及國外標準）。但無論是哪一種標準， 對于噴丸操作的規定都是大同小異的。 其中對于與本文研究相關的噴丸后的打磨拋光等操作，這些標準中都做出了相 應的規定。摘抄如下：
ＨＢ／ｚ２６．１９９２【２Ｉ】規定：噴丸表面的去層深度不應超過該表面Ａｌｎｌｅｎ強度值的ｌ／５到ｌ／１０。對抗拉強度小于１４００ＭＰａ的金屬件去層深度可選ｌ／５，高強度鋼 則選１／１０。
法國ＭＥＳＳＩＥＲ－ＤＯＷＴＹ公司標準ＰＳｌ２３１２２】規定： ａ．Ｗｈｅｎａｓｍｏｏｔｌｌ ｐｅｅｎｅｄ ｓｕｒｆ如ｅｉｓ ｒｃｑｕｉｒｃｄ，ｈｏＩｌｉｎｇ，ｌ印ｐｉｎｇ Ｖ雄舭ｒｂｌａＳｔｉＩｌｇｍａｙｂｃｌｌｓｅｄ ｐｒｏＶｉｄｅｄ ｎｍｔｔｈｃ ｄｅｐｔｈ ｏｆｍｅｔａｌｒ鋤ｏｖａｌｄｏｅｓｎｏｔｅ】【ｃｅｃｄ ｌＯ％ｏｆｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄａｒｃｈｅｉｇｍ．（噴丸后當零件表面需要光滑處理時，可以對表面進行珩磨、 研磨或蒸氣噴射，但材料去除量不可以超過阿爾門弧高值的１０％。） ＡｒＩａ糟ａｗｈｉｃｈｉｓｄａｍａ窟聲ｄａｆｂ盯ｐｅｅｎｉｒｌｇｍａｙ ｒｃｐａｉｒｅｄｂｙｐｏＩｉｓｌｌｉｎｇｓｍｏｏｍ缸ｌｄ ｒｃ－ｐｅｅ血ｇｌｏｃａｌｌｙ ｔｏｍｅ ｓｐｅｃｉｎｅｄｉ疵ｎｓ時Ｄ鋤ａｇｅｔｏ岫ｄｅｐｔｈｏｆｌｅｓｓｔｌｌａｒＩ ｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｅｄ ａｒｃ ｈｅｉｇｈｔｍａｙ ｐｏＩｉｓｈｅｄａｎｄｎｃｅｄｎｏｔｂｅ ｒｅ．ｐｅｅｎｅｄ．（噴丸后零 件表面受損部位可以通過拋光和補噴到原噴丸強度來修復。對于受損部位深度 不超過阿爾門弧高１０％的部位可以通過拋光處理修復，而不需要補噴。） 根據標準中所述可知，除非圖紙上有規定，否則噴丸后不允許進行降低噴丸所 產生的殘余應力或導致再次生成殘余應力的加工或處理。如遇特殊情況，比如需 要使用研磨、手工砂光或砂帶拋光來改善表面粗糙度，或者如本文所述噴丸后需 要對一些顯現出來的缺陷界面打磨拋光時，材料的去除量不能超過Ａｈｎｅｎ強度值 （弧高值）的１０％。如果材料的去除量在ｌＯ％以內，不需要補噴：如果材料去除量超 過了１０％，則必須按原先的噴丸規范進行補噴到相同強度。

需要指出的是：現在隨著工廠轉包任務的不斷發展，國外的標準也使用得越來 越廣泛，車間的噴丸操作全部按噴丸標準執行。但是，對于噴丸后的打磨處理所 產生的問題，國內外標準中為何如此規定，究竟打磨量的多少對噴丸效果及零件 的性能有何影響，如何影響，影響的機理是什么，成為為了提高噴丸強化技術水 平而迫切需要研究并解決的問題。

２．５．噴丸形成的殘余應力場的測定 殘余應力的測量技術始于２０世紀３０年代，發展至今共形成了數十種測量方 法。殘余應力的測量方法可分為機械釋放測量法和非破壞無損傷測量方法兩種。 機械釋放測量法，是將具有殘余應力的部件從構件中分離或切割出來使應力釋放， 然后測量其應變的變化求出殘余應力。它主要包括鉆孔法、分割切條法釋放法、 逐層銑削法等。其優點是測量的精度較高，但對構件的損傷較大。非破壞性方法， 包括Ｘ射線衍射法、中子衍射法、磁性法、超聲波法、電子散斑干涉法等，它對被測構件無損害，但成本較高。 在各種無損測定殘余應力的方法之中，Ｘ射線衍射法被公認為最可靠和最實 用的。它原理成熟，方法完善，經歷了七十余年的進程，在國內外廣泛應用于機 械工程和材料科學，并取得了卓著成果。本文為了準確測定噴丸強化后形成的殘 余應力場，特選用了ｘ射線應力測定這種最為成熟的方法。 用ｘ射線應力測定儀測量殘余應力場的原理基于Ｘ射線衍射理論： 當一束具有一定波長λ的ｘ射線照射到多晶體上時，會在一定的角度２θ上接 收到反射的Ｘ射線強度極大值（即所謂衍射峰），這便是ｘ射線衍射現象。ｘ射線 的波長ｋ衍射晶面間距ｄ和衍射角２θ之間遵從著名的布拉格定律：（式２．１） ２ｄＳｉｎ０＝nλ （ｎ＝1，２，３……） （２．１） 在已知ｘ射線波長λ的條件下，布拉格定律把宏觀上可以測量的衍射角２θ與 微觀的晶面間距ｄ建立起確定的關系。當材料中有應力σ存在時，其晶面間距ｄ 必然隨晶面與應力相對取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角２θ也會 相應改變。因此我們可通過測量衍射角２θ隨晶面取向不同而發生的變化來求得應力σ。
 但是，由于這種方法僅能測量表面的殘余應力，為了測定殘余壓應力沿層深的分布曲線，通常需要使用剝層法，即從試樣表面開始逐步剝層，逐層測定。剝層 方法分為兩類：機械拋光和電化學拋光。前者不可避免地要造成機械加工的附加 應力，影響測量結果，因此在科學研究中多采用電解拋光，本文試驗正是采用了 電解拋光剝層法來測量噴丸強化形成的殘余應力場。但是，由于剝層會導致被剝除 部分殘余應力的釋放，導致剩余部分的殘余應力重新分布，因此這時所測得的殘 余應力并不等于剝層以前該處的應力。對釋放應力所造成的影響可以通過彈性理 論計算加以修正，進而得到未剝層前的殘余壓應力分布曲線。邱瓊對剝層測定的 殘余壓應力場進行修正試驗，研究表明修正前后結果差別甚微【２３】。所以本文不再 對測定的殘余應力結果進行修正。

２．６．本章小節

 本章對本文所研究的主要對象：噴丸強化技術進行了總體上的介紹，首先介紹 了噴丸強化技術的發展，然后對噴丸強化的設備、工藝參數進行了介紹，接著對 噴丸強化的機制進行了分析，隨后對與本文研究相關的噴丸強化標準中的一些內 容進行了說明，最后對噴丸強化形成的殘余應力場的測量原理與方法進行了簡要 的講解說明。