第四章 表面形变强化技术
（3）钢丝切割弹丸
弹簧钢丝（或不锈钢丝）切 制成段制成。
钢弹丸的组织最好为回火马 氏体或贝氏体。 使用寿命比铸铁弹丸高20倍 左右。 需去棱角加工。
第四章 表面形变强化技术
（4）玻璃弹丸 近十几年发展起来的新型喷丸材料，玻璃丸由高质量 玻璃制成。 硬度： HRC46~50。 脆性大，使用中破碎率高，造成 使用成本偏大。 目前主要用于钛、铝、镁及其他 不允许铁质污染的材料。 也可在钢铁丸喷丸后作二次加工 用,以除去铁质污染和降低零件 表面粗糙度。 已在国防工业和飞机制造业中获 得广泛应 用。
第四章 表面形变强化技术
（5）陶瓷弹丸 弹丸硬度很高，但脆性较大。 喷丸后表层可获得较高的残余 应力。
（6）聚合塑料弹丸 是一种新型的喷丸介质，以 聚合碳酸酯为原料，颗粒硬 而耐磨，无粉尘，不污染环 境，可连续使用，成本低
第四章 表面形变强化技术
4.1.5 喷丸工艺 • 在实际生产中通过喷丸强度、表面覆盖率、表面粗 糙度这3个参数来检验、控制和评定喷丸强化质量。
第四章 表面形变强化技术
影响残余应力的因素
零件受喷表面残余压应力的大小和压应力层的深 度取决于受喷材料的性能和喷丸强度。 材料的强度和硬度越高，压应力越大，压应力层 的深度就越浅。 喷丸强度越高，压应力层的深度越深。
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
抛丸机工作原理与重力式气动 喷丸机基本相同，不同之处在 于用抛丸器代替了喷嘴。
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（2）表面喷丸强化技术设备
叶轮式喷丸机原理示意图
第四章 表面形变强化技术
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喷丸强化用弹丸
形状：多为圆球 硬度：在具有一定冲击韧性的情况下，硬度越高越好 直径：0.05~1.5mm 材质：铸铁、铸钢、不锈钢、弹簧钢、玻璃、陶瓷….. 弹丸选择：
喷丸前后晶粒、亚晶粒位错组态、晶界分布示意图
第四章 表面形变强化技术 表面残余压应力产生机制
由于大量弹丸压入产生的切应力造成了表面
塑性延伸。
由于弹丸冲击表面产生的法向力引起了压应力与 亚表面应力的结合。
大多数材料中两种机制并存
第四章 表面形变强化技术
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• 在表面强化过程中，表面塑性变形带来的表面尺 寸变化，而引起表面残余应力。下图是喷丸处理 后的残余应力分布。
第四章 表面形变强化技术
a、吸入式喷丸机
压缩空气从喷嘴射出 时，在喷嘴内腔导丸 口处形成负压，将下 部贮丸箱的弹丸吸入 喷嘴内腔，随压缩空 气由喷嘴射出，喷向 被强化零件表面。
通过调节压缩空气压力控制喷丸强度，操作灵活。适于批量 小、形状复杂、尺寸小的零件，但功耗大，效率低。
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1）可预防汽车零件弯曲疲劳；改善齿廓根部的弯曲疲劳性 能；提高曲轴的抗疲劳性能和安全使用寿命；增加连杆的 强度和刚度。 2）提高齿轮齿部弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，是改善齿 轮抗咬合能力、提高齿轮寿命的重要途径。 3）提高紧固件抗疲劳断裂的应力腐蚀、抗氢脆断裂的一种 行之有效的表面强化工艺。经喷丸强化后工件的使用可靠 性、耐久性均可获得明显的改善和提高。
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（2）表面覆盖率
表面覆盖率：零件受喷表面上弹坑占据的面积与受喷表 面积的比值，通常以百分数表示。
当零件的硬度等于或低于试片的硬度时，该零件的覆 盖率能够达到或超过100%； 当零件的硬度高于试样片的硬度时，零件的覆盖率低 于100%。
第四章 表面形变强化技术
29% 59%
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三种弧高度试片的换算关 系为：1A≈3.3N,1C≈3A。 A型用于测量弧值 0.1~0.6mm。大于0.6mm 的采用C型试片。小于 0.1mm的采用N型试片。 喷丸强度的表示方法是 0.25C或fc=0.25，字母 或脚码代表试片种类， 数字表示弧高度值（单 位为mm）。
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喷丸处理除了产生应力强化和组织细化外， 还可以有效消除这些加工刀痕。
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
4.1.3 表面喷丸强化技术设备
第四章 表面形变强化技术
4.1.4 喷丸强化用设备
喷丸 设备
气动式喷丸机
机械离心式抛丸机
吸入式喷丸 机
重力式喷丸 机
直接加压式 喷丸机
喷丸技术的发展
喷丸表面强化技术是本世纪三十年代发展起来 的一种表面强化工艺，首先应用于汽车制造业中的 各种弹簧，以提高其疲劳寿命。
目前，喷丸工艺在国外，已经被广泛应用于铝合 金、钛合金、镁合金、不锈钢、结构钢、高强钢及超 刚强钢、高温合金及粉末冶金等零构件。
第四章 表面形变强化技术
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（1）喷丸强度
影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、 弹丸流量、喷丸时间等。弹丸直径越大，速度越快，弹丸 与工件碰撞的动量越大，喷丸的强度就越大。喷丸形成的 残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60%，残余压应 力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
表面形变强化 ：采用喷丸、滚压或挤压金属零件的 表面，使其表面产生塑性变形，形成形变强化层。
显微组织变化 表层压应力
改善
抗疲劳强度 耐磨性 耐腐蚀性
应用：航空、航天、机械、纺织、汽车、 铁道等工业领域
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• 表面形变强化
• 表面形变强化基本原理是通过机械手段(滚压、内挤压 和喷丸等)在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬 化层。
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
在相同喷丸速度下：
• 增大弹丸直径，残余压应力不一定变大，但压应力层 深度增加；
• 对于表面有凹坑、凸台。划痕等缺陷或表面脱碳的工 件，通常选用较大的弹丸， 以获得较深的压应力层， 使表面缺陷造成的应力集中减小到最低程度。
喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强 度达到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加 。 饱和点：在一倍于饱和点的喷丸时间里，弧高度值得增量不超 过饱和点处弧高度值的10%。满足于上述条件时饱和点处的弧 高度值定义为该组工艺参数的喷丸强度。
弧高度曲线
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喷丸强度的表征 喷丸强度采用弧高度试片来测量。 弧高度试片或称阿尔门（Almen）试片是用来综合度量喷 丸强化工艺参数的一种专用量具。 共三种规格：N、A、C试片；
喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、 轴、叶片、 火车轮等零部件。来自第四章 表面形变强化技术
4.1 表面喷丸强化技术
喷丸强化（Shot peening） 就是将大量高速运动的弹丸 连续喷射到零件表面上，如 同无数的小锤连续不断地锤 击金属表面，使金属表面产 生极为强烈的塑性变形，形 成一定厚度的形变硬化层。 喷丸强化技术是以强化工件表面为目的，不同于清利喷丸 和喷砂技术。 喷丸形变硬化层厚度：0.1~1mm(根据工况要求）
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4.1.4 喷丸强化用设备
喷丸强化用的设备主要有两种结构形式：气动式与机械 离心式。 （1）气动式喷丸机 气动式喷丸机是依靠压缩空气带动将弹丸从喷嘴高速 喷出，冲击工件的设备。 适用于要求喷丸强度较低、品种多、批量小、形状复 杂、尺寸较小的零件。
• 按弹丸运动方式可分为吸入式、重力式、直接加压式三种 类型。
• 硬化层中产生两种变化：
• 1)在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加， • 晶格畸变度增大； • 2)形成了高的宏观残余压应力。
这两种变化使得金属表面的强度、硬度得到了很大提高， 疲劳寿命也有了很大的改观。
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喷丸强化
表面形 变强化
表面滚压和 孔挤压强化
机械镀
第四章 表面形变强化技术
83%
98%
第四章 表面形变强化技术
第四章 表面形变强化技术
20世纪90年代初，国内喷丸成形技术研究才迎来第二个 高潮，到20世纪90年代中期，掌握了机翼6米级整体壁板喷 （抛）丸成形技术，使国内喷丸成形技术跨入数控时代。
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E) 带有应力集中部位的各种零构件
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4.1.1 喷丸强化的应用
第四章 表面形变强化技术
4.1.2 表面喷丸强化技术原理
第四章 表面形变强化技术
4.1.2 表面喷丸强化技术原理
喷丸强化硬化层结构和残余应力分布图
硬化层内 的变化
密度很高的位错
交变应力 温度
逐渐排列规则，呈多 边形，小的亚晶粒 推迟疲劳破坏
高的残余压应力
组织细化
金属的塑形变形是通过位错运动实现的。
第四章 表面形变强化技术
弧高测量仪： 1.将标准块的平面放置于 弧高测试仪底部，待示数稳 定后按归零键。 2．将经过喷丸的试片于弧 高测试仪底部，抛丸表面向 外侧放置，此时得到形变数 值。 3．数值说明，表上显示的 数据保留小数点后两位，此 时将数值后加上试片代号即 可。例：数值显示为 0.42mm,测试试片为N型.最 终得出数值为0.42N。
（a）喷丸前组织，晶界与亚晶界比较清晰，晶粒与亚晶粒比较大； （b）初始喷丸时，随变形量增加，位错互相作用使位错密度不断 增 加，原亚晶界逐步模糊不清、消失； （c）随喷丸覆盖增加，弹丸反复冲击金属表面，使一 些位错重新 排列形成新的亚晶界。随喷丸时间延长，塑性变形继续进行， 位错密度进一步增加，使晶界逐步消失又组成新的晶界，导致 晶粒破碎、 细化。
b、重力式喷丸机 将弹丸提升到一 定高度，借助弹 丸自重由上至下 流入喷嘴，由压 缩空气带动，由 喷嘴喷向被强化 零件。