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维尔贝莱特(集团)Wheelabrator
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抛丸/喷丸强化机制
作者:维尔贝莱特(集团)
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喷涂/清洗/表面工程展厅
PVD涂层设备, 电镀设备, 热镀锌设备, 超声波清洗机, 静电喷粉机, ...
抛丸/喷丸强化是一个冷处理过程,即无数个小圆形称为钢丸的介质连续捶打零件表面。每颗钢丸撞击金属零件上,宛如一个微型棒捶敲打表面,捶出小压痕或凹陷。为形成凹陷,金属表层必定会产生拉伸。表层下,压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状,从而产生一个高度压缩力作用下的半球。无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。

众所周知,在一个压应力区域,裂纹是难以形成或延展。由于几乎所有的疲劳和应力腐蚀失效都发生在零件表面或靠近表面的地方,因而通过抛丸/喷丸强化导入压应力可显著地延长零件寿命。强化产生的残余压应力强度必须达到该零件材料的拉力强度一半。

很多金属疲劳失效的元凶是拉应力。这些拉应力产生是由于交变载荷作用或生产过程如焊接、磨削、机加工形成的残余应力。拉应力试图将零件表面拉伸或拉伸,最终导致裂纹的发生。而压应力挤压表层处的晶粒,使该区域的晶粒结构夯实、紧固地结合在一起,从而极大地延缓疲劳裂纹的形成。 压应力层下,细纹延展缓慢,因此增加压应力层深度,能有效抑制裂纹发生和发展。今日,抛丸/喷丸强化工艺已被公认为最经济、有效的防治金属零件过早疲劳失效的技术。

抛丸/喷丸强化主要用于抗金属疲劳。以下应力值与载荷次数关系图,列述了与金属疲劳相关的几个参数点。

1. 疲劳载荷周期由成千上万个重复的载荷作用次数构成,交变载荷形成的拉应力在零件表面起破坏性的拉伸作用
2. 拉应力的减少导致疲劳寿命的增加(载荷作用次数)图表显示,如拉应力减少32%,即38ksi(262MPa),载荷寿命次数可增加300%,即150,000次。

抛丸/喷丸强化残余应力

抛丸/喷丸强化形成的应力是压应力,它能抵消或消减零件表面原来承受的破坏性的拉应力。拉应力越小,零件的使用寿命就越长。 图5展示的是一个典型的强化应力图(见图5)

最大压应力-即为导入的压应力最大值,它一般发生在零件表面下最接近表层处。最大压应力值越高,抗疲劳裂纹的性能就越强。

压应力层深度-即为零件表层下阻碍裂纹发展的压应力层之深度。增加强化强度和撞击能量就能增加应力层深度。要取得理想的抗裂纹延展效果,必须达到一定且较深的深度。

表面应力-该应力值一般小于最大压应力

载荷和残余应力

零件强化后,在表面形成残余应力。零件正式使用时,新遭遇交变应力和表面原来的残余压应力同时作用

对角线代表遭遇的拉应力,曲线代表强化后产生的残余压应力,实心线代表两种应力综合互抵,可见拉应力被大大抵消。

强化对于以下两种情况效果特别显著

 应力诱导处
 高强度材料

应力诱导包括圆角、缺口、跨孔、凹槽、键槽等。强化导入一个高强度、局部压应力,从而抵消这些形状变化引起的拉应力集中。

对于高强度材料,压应力与材料的拉伸强度直接关联。材料拉伸强度越高,需要导入的压应力也越大。高强度材料具有较坚固的晶体结构。晶格能抵挡较高程度的挤压,从而能存储更多的残余应力。

残余应力深度

残余应力层深度受强化参数变化和材料硬度影响。图1-7阐述了对5种材料进行抛丸/喷丸强化,其应力层深度和强化强度的关系。这5种材料包括:30HRC钢,50HRC钢,60HRC钢,2024 铝和6Al-4V肽。

抛丸/喷丸强化介质

强化使用的介质包括圆形的小钢丸、不锈钢切丝、搪瓷珠或玻璃珠。最常用的是铸钢丸。有时购,如果不希望零件在强化后表面可能留有一些铁屑斑污,可选择不锈钢材料介质。

处理过的不锈钢切丝,其优点是均匀、一致且高度耐用。比起钢丸,它有更多种不同等级硬度和尺寸,可供选择。

玻璃珠一般更小而轻,对于一些精密零件或易损零件,要求非常低的强化强度时,可考虑选择该种介质。

介质硬度的影响

介质硬度会影响产生的压应力强度(见图1-8)。其硬度必须高于或至少等同于待强化零件的硬度,除非进行的只是表面光饰。对于大量有色或非有色金属零件,一般硬度的钢丸(45-52HRC)就可以满足这个标准。

目前高强度、高硬度材料(50HRC以上)普遍使用于零件制造,促使特殊硬度钢丸的普遍使用(55-62HRC)(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (11/24/2008)
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