不同材料零件的喷丸强化

风正浩

　　高强度钢
　　由抛丸/喷丸强化引入的残余压应力是最终拉应力强度的一个百分比，该比率随着零件材料本身强度/硬度增加而增加。高强度/硬度的金属更脆，且对表面缺陷更敏感。对其进行抛丸/喷丸强化，能让这些高强度金属可以应用在易发生疲劳的工作条件下。飞机起落架通常设计的疲劳强度为300 ksi (2068 MPa)，结合抛丸/喷丸强化。
6 ^* V9 R4 ]+ q& K% \" b　　没经过抛丸/喷丸强化的，机加工后的钢制零件在硬度为30 HRC.左右能取得最佳的疲劳属性。如材料强度/硬度超过这个水平，其疲劳强度会由于对表面缺口的敏感性和脆性增加而降低。通过导入的压应力，疲劳强度与增加的强度/硬度成比率提高。当材料硬度为52 HRC，强化后的疲劳强度可达144 ksi (993 MPa)，比未经过强化的同样材料抗疲劳强度增加了2倍多。
　　利用抛丸/喷丸强化改善高强度/硬度零件的典型应用包括对扳手和冲击工具等。此外，表面的浅刮痕对于经过抛丸/喷丸强化的高强度钢的疲劳强度影响不大，而对于未经强化的则破坏性很大。
# w* z+ L( [0 e& a　　渗碳钢
5 J2 J  a3 h' ]6 i1 d0 G7 x　　渗碳和渗氮都是热处理过程，能让钢表面具有非常高的硬度。通常在55~62 HRC。渗碳钢强化的好处在于：
　　·在~200 ksi (1379 MPa)或更高的高应力水平下，能提供卓越的疲劳属性·减少表面晶格间因氧化而造成渗碳异常情况
8 |" h3 r; z  V* d; r6 x　　对于完全渗碳和渗氮处理过的零件，要取得最佳的抗疲劳属性，建议使用硬度为55-62 HRC的丸料。
　　脱碳钢
( y8 O% Q  z  B- [- U0 Z" T4 O1 p2 Z% A0 Q　　脱碳是在热处理过程，铁合金表面碳含量减少。脱碳会降低高强度钢(240 ksi, 1650 MPa或以上)的疲劳强度70-80%；能降低低强度钢(2140-150 ksi, 965-1030 MPa)的疲劳强度45-55%。脱碳对于疲劳属性的破坏力与脱碳层深度并无特别的关系。脱碳层在0.003英寸深度，其破坏力与0.030英寸深度是一样的。
　　强化工艺被证实为一种有效的方法，能恢复大部分由于脱碳过程损失的疲劳强度。因为多数零件的脱碳层不容易确定，所以当怀疑零件有脱碳情况时，建议对其进行强化处理以确保零件完好的抗疲劳属性。如果一个高硬度(58+ HRC)齿轮在强化后，表面呈现异常的严重凹陷，这可能被怀疑有脱碳存在。脱碳还经常伴有残余奥氏体的不良冶金状态。通过冷加工的抛丸/喷丸强化，能减少残余奥氏体百分比。
　　奥贝球铁
　　改善过的奥贝球铁在一些工程领域，能替代铸钢、铸件、焊接件。它具有优良强重比和耐磨性。奥贝球铁在某些高强度应用条件下，也能取代铝，它的密度是铝的2.5倍，而强度则是铝的3倍以上。通过抛丸/喷丸强化，该材料的弯曲疲劳强度还能提高75%。某些等级的奥贝球铁经强化后，能媲比用于齿轮制造的渗碳钢。
" C0 N, l$ V5 Y% y4 K　　铸铁
6 U& f7 j5 j& e) @: E& s　　近年来，球墨铸铁件的需求逐年增加，因为它具有相对较高的抗疲劳载荷性能。球墨铸铁件通常是没经过机加工，用于需承受载荷应力工作状况下。铸件表面存在的缺陷，如气孔、浮渣、片状石墨等都会相当程度地减低未经机加工的珠光体球铁疲劳属性。根据铸铁件表面的缺陷状况，零件疲劳极限严重的，会降低40%之多。
) b, e1 H: e* \  R! X4 ]. l　　抛丸/喷丸强化能改善表面存在小缺陷的铸铁件之疲劳属性。比如，柴油机缸体内衬护板件。在试验中使用了最大的强化强度，疲劳极限低于完全机加工过的零件样本疲劳极限6%左右。如果没有经过强化，疲劳极限低于完全机加工过的零件样本疲劳极限20%。此外，从外观看，经过强化的铸铁件表面呈现抛光效果，光泽、光滑。
　　铝合金
　　传统的高强度铝合金(2000系列和7000系列)由于其具有高强重比，早已普遍应用在航空领域。以下一些铝合金材料在航空/航天制造业方面的应用也逐渐增加，抛丸/喷丸强化工艺对其也具有很好的效果：
　　·铝锂合金(Al-Li) ·等向性金属基复合材料(MMC) ·铸铝(Al-Si)
: f- o5 B+ c  C9 t　　钛
9 n: C3 g( [' j8 ?' _6 o3 a+ U　　高周疲劳(HCF)–钛高周疲劳，比较了高性能欧洲赛车上所用的钛合金连杆之疲劳属性。通过抛丸/喷丸强化，钛合金连杆比钢制连杆，重量减轻了40%而疲劳极限则增加了20%。肽材料低周疲劳(LCF)最常见的应用是对于旋转涡轮发动机零件(如涡轮盘、转子、轴)，这些零件在抛丸/喷丸强化后能提高耐用性。每一次的起飞和降落视为一个循环次数。
　　低周疲劳(LCF)–高周疲劳断裂失效与低应力水平相关，低周疲劳断裂失效与高应力水平相关。
' G6 s! n; Q& q! R. h　　对一个旋转发动机零件上的燕尾槽进行抛丸/喷丸强化后的结果。有2条未经强化的基准载荷曲线。使用了抛丸/喷丸强化后，循环疲劳曲线明显改善。
　　镁
　　镁合金通常不需要进行抗疲劳处理。但如果考虑到降低重量，改善零件强-重比的时，利用抛丸/喷丸强化能提高零件25-35%的疲劳强度。
　　粉末冶金
　　合理的强化能延长合金烧结钢耐疲劳极限22%。汽车零件如齿轮、连杆是粉末冶金材质进行强化的典型应用，特别对于高密度的粉末冶金锻造件，强化以提高疲劳属性非常有效。通过抛丸/喷丸强化，使表面致密化，能极大地提高疲劳极限度，特别适用于长期处于弯曲疲劳服役条件下的零件。【MechNet】
文章关键词： 喷丸强化