噴丸強(qiáng)化的零件表面引入的塑性變形對(duì)殘余應(yīng)力的影響，噴丸在零件表面引入的殘余壓應(yīng)力層是實(shí)際噴丸效果的重要因素。該零件表層的殘余壓力層可以抵消外部施加的拉應(yīng)力，從而可以使零件在疲勞、腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕的環(huán)境下提高其服役性能。因此，任何能夠影響表面應(yīng)力水平的因素都是非常重要的。

眾所周知，一定溫度下的熱處理可以降低零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力水平。通?？梢酝ㄟ^(guò)消除應(yīng)力退火的方法降低零件表面的有害拉應(yīng)力。但是，一定溫度下的熱處理也可以消除有益的表面殘余壓應(yīng)力，因此在一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，對(duì)于噴丸后的零件使禁止熱處理的。目前大家可能了解比較少的是，小的塑性應(yīng)變能夠很大程度地影響噴丸后零件的殘余應(yīng)力分布。有研究指出，對(duì)于噴丸后鋁合金（AlCu5Mg2），壓和拉塑性應(yīng)變可以改變表面的應(yīng)力水平。在材料表面上施加一個(gè)小的拉塑性應(yīng)變可以把材料表層的原始?xì)堄鄩簯?yīng)力改變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。從另一方面來(lái)講，壓塑性應(yīng)變僅僅降低了表面殘余壓應(yīng)力水平，而未能改變壓應(yīng)力的符號(hào)。

       本篇文章主要關(guān)注塑性應(yīng)變對(duì)已噴丸材料的影響。本篇文章只考慮所施加的拉應(yīng)變，這是因?yàn)槔瓚?yīng)變比壓應(yīng)變的效果要大的多。選擇兩種常見(jiàn)的純?cè)夭牧?，銅和鎳以及三種鋼鐵材料-低碳鋼（美國(guó)條鋼牌號(hào)B）、碳素鋼（BS EN8）和低合金鋼（BS EN30B）。對(duì)于兩種純?cè)夭牧?，檢測(cè)了其次表層的殘余應(yīng)力分布變化。采用相同型號(hào)的丸料對(duì)以上試塊的兩個(gè)主要的面進(jìn)行噴丸強(qiáng)化。

試驗(yàn)細(xì)節(jié)

       用于研究的幾種材料分別為銅（99.99%），鎳（0級(jí)，99.92%鎳），低碳鋼（美國(guó)條鋼牌號(hào)B，0.05%），碳素鋼（BS EN8，0.4%C，0.8%Mn）和低合金鋼（BS EN30B，0.3%C，0.5%Mn，4.1%Ni，1.25%Cr，0.3%Mo）。

       試驗(yàn)試樣表面平整。銅和鎳試樣的尺寸為150mm×13.0mm×3.0mm，三種鋼鐵材料試樣的尺寸為150mm×13.0mm×2.2mm。所有試樣在噴丸前都進(jìn)行了消除應(yīng)力退火。銅和鎳試樣采用SAE 70的丸料以5N（0.127mmN）的強(qiáng)度進(jìn)行噴丸。三種鋼鐵材料的試樣采用SAE 110的丸料以8A2（0.203mmA，A2型試片）的強(qiáng)度進(jìn)行噴丸。

       把伸長(zhǎng)計(jì)依次放入到試樣中，采用電子拉伸測(cè)試設(shè)備對(duì)試樣施加拉塑性應(yīng)變。對(duì)于每種材料，分別對(duì)一系列的試樣施加不同的塑性應(yīng)變。每一個(gè)試樣的應(yīng)變可以通過(guò)負(fù)載/延伸曲線進(jìn)行估算。準(zhǔn)確的塑性應(yīng)變可使用移測(cè)顯微鏡通過(guò)每個(gè)微小的鉆石形狀的壓痕得出。

       對(duì)銅和鎳試樣的次表層殘余應(yīng)力測(cè)試需要對(duì)材料進(jìn)行連續(xù)均勻的去除?？梢圆捎煤线m的溶液用化學(xué)拋光的方法實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)中只對(duì)試樣的一個(gè)面進(jìn)行化學(xué)拋光并對(duì)材料去除后對(duì)殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行修正。

試驗(yàn)和結(jié)果

       關(guān)于所施加的塑性應(yīng)變對(duì)表面殘余應(yīng)力水平的影響的研究結(jié)果如圖1~5所示。測(cè)試每個(gè)張力試樣在拉伸伸展前后的表面應(yīng)力水平。對(duì)于所研究的五種材料，均測(cè)試了其噴丸后的應(yīng)力分布。該應(yīng)力分布的分散特征均可歸因于噴丸的變化性，即殘余應(yīng)力其本身的測(cè)試精度小于分散度的四分之一。所有五個(gè)應(yīng)力/塑性應(yīng)變曲線的形狀均非常相似。一個(gè)共同的特征就是隨著所施加的塑性應(yīng)變的增加，殘余應(yīng)力水平很快地降低到了零應(yīng)力。應(yīng)力變?yōu)榱闼鶎?duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變可以稱(chēng)之為“臨界應(yīng)變”。銅、鎳、低碳鋼（美國(guó)條鋼牌號(hào)B）、碳素鋼（BS EN8）、和低合金鋼（BS EN30B）的臨界應(yīng)變值分別為0.30%、0.275%、1.1%、1.25%和0.30%。第二個(gè)共同特征就是在臨界應(yīng)變之后，隨著塑性應(yīng)變的進(jìn)一步增加，試樣表面的應(yīng)力變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。在圖1~5中，均存在一個(gè)z大的殘余拉應(yīng)力點(diǎn)，該點(diǎn)過(guò)后，隨著塑性應(yīng)變的增加，殘余拉應(yīng)力水平下降。銅、鎳、低碳鋼（美國(guó)條鋼牌號(hào)B）、碳素鋼（BS EN8）、和低合金鋼（BS EN30B）的z大拉應(yīng)力值分別+160、+185、+375、+300和+260MPa。

       在銅和鎳材料上對(duì)殘余應(yīng)力的進(jìn)一步展開(kāi)研究（包括應(yīng)力層的連續(xù)去除）。研究結(jié)果如圖6和圖7所示。結(jié)果顯示出了一些有趣的特征。銅和鎳噴丸后的殘余壓應(yīng)力層深均為150μm左右。該層深過(guò)后，就出現(xiàn)了殘余拉應(yīng)力。在施加應(yīng)變的情況下，臨界應(yīng)變過(guò)后，其應(yīng)力分布與噴丸狀態(tài)相反，即表層為拉應(yīng)力層，而內(nèi)部為與之平衡的壓應(yīng)力層?？梢酝茢喑?，隨著臨界應(yīng)變的增加，表面拉應(yīng)力層深會(huì)隨之增加。對(duì)銅試樣施加的應(yīng)變?yōu)?.31%時(shí)（略微超過(guò)臨界應(yīng)變值0.3%），其應(yīng)力層深為50μm，而對(duì)鎳試樣施加的應(yīng)變?yōu)?.31%時(shí)（較多超過(guò)臨界應(yīng)變值0.275%），其應(yīng)力層深為100μm。對(duì)銅試樣施加次臨界應(yīng)變0.25%時(shí)，則其應(yīng)力狀態(tài)顯示為噴丸后狀態(tài)和應(yīng)變1.31%狀態(tài)的中間狀態(tài)。雖然其表層仍未壓應(yīng)力狀態(tài)，但在次表層中顯示出了應(yīng)力水平較低。

       在試樣上也進(jìn)行了塑性形變前后的金相和顯微硬度的研究。研究結(jié)果表明，（1）噴丸后狀態(tài)的試樣其硬化層和壓應(yīng)力層深相似；（2）施加的塑性應(yīng)變直至1.0%，試樣表層的顯微硬度沒(méi)有明顯改變。

圖1.噴丸后銅材料的殘余應(yīng)力/塑性延伸曲線

圖2. 噴丸后鎳材料的殘余應(yīng)力/塑性延伸曲線

圖3. 噴丸后低碳鋼（美國(guó)條鋼牌號(hào)B，0.05%）的殘余應(yīng)力/塑性延伸曲線

圖4. 噴丸后碳素鋼（BS EN8）的殘余應(yīng)力/塑性延伸曲線

圖5.噴丸后低合金鋼（BS EN30B）的殘余應(yīng)力/塑性延伸曲線

圖6. 噴丸后以及應(yīng)變后銅材料的殘余應(yīng)力層深分布

圖7. 噴丸后以及應(yīng)變后鎳材料的殘余應(yīng)力層深分布

討論和結(jié)論

       所觀察到的拉塑性應(yīng)變對(duì)殘余應(yīng)力的影響結(jié)果與其它報(bào)道的研究結(jié)果非常一致。因此可以推斷如果臨界拉塑性應(yīng)變進(jìn)一步增加，噴丸引入的表面殘余壓應(yīng)力有可能會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)成為殘余拉應(yīng)力。這一結(jié)論非常重要，因?yàn)閲娡韬笠氲臍堄鄩簯?yīng)力的優(yōu)勢(shì)在一定條件下可能會(huì)消失。如果零件表面存在殘余拉應(yīng)力，那么對(duì)該零件的服役性能是非常不利的。而噴丸后的零件處在一個(gè)拉塑性應(yīng)變的環(huán)境中也不是沒(méi)有可能的。零件的偶然損害有可能會(huì)發(fā)生。變形的零件可能會(huì)需要進(jìn)行校正。如果可能的話，上述情況應(yīng)該要避免。有時(shí)，重新噴丸的方法會(huì)被用于使零件保持一定殘余壓應(yīng)力層深。

       從次表層殘余應(yīng)力的研究結(jié)果來(lái)看，應(yīng)力反轉(zhuǎn)并不會(huì)限定在表層。所引入的殘余拉應(yīng)力的層深也可以與原始的壓應(yīng)力層深達(dá)到相似的狀態(tài)。

       從次表層殘余應(yīng)力變化所得到的結(jié)果非常有限，只能具體地、定量地來(lái)解釋試驗(yàn)結(jié)果。如圖8所示，該圖為簡(jiǎn)單的機(jī)理解釋。圖中顯示了噴丸后的應(yīng)力分布為σR以及沿截面的屈服應(yīng)力γ的變化分布。表面的屈服應(yīng)力要稍高一些。主要是因?yàn)閲娡鑾?lái)的冷作硬化的效應(yīng)。施加任意的拉應(yīng)力σA和σR，兩者結(jié)合形成σC的應(yīng)力分布。當(dāng)σA達(dá)到一個(gè)臨界值，那么σC會(huì)達(dá)到與內(nèi)部屈服應(yīng)力相同的值。因此其內(nèi)部就會(huì)發(fā)生塑性拉伸變形。但是在該階段表層僅僅承受彈性變形。然后我們可以獲得殘余應(yīng)力發(fā)展基本機(jī)理的均勻塑性變形的典型狀態(tài)。內(nèi)部的塑性延伸變形被表層的拉應(yīng)力所抵抗。內(nèi)部塑性延伸變形越大，那其表面的平衡力也越大。該增加的平衡力通過(guò)表面增加的拉應(yīng)力水平和層深表現(xiàn)出來(lái)。

       總之，需要指出的是，在噴丸后的材料中，對(duì)于塑性應(yīng)變對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響還有相當(dāng)廣闊的領(lǐng)域值得去探究。

圖8.噴丸后試樣經(jīng)過(guò)拉伸應(yīng)變后的應(yīng)力疊加圖