噴(pen)丸強(qiang)化的(de)零件(jian)表(biao)面引入的(de)塑性(xing)變形對殘余應力的(de)影響(xiang)，噴(pen)丸在(zai)零件(jian)表(biao)面引入的(de)殘余壓應力層(ceng)是實(shi)際噴(pen)丸效果的(de)重要因(yin)素。該零件(jian)表(biao)層(ceng)的(de)殘余壓力層(ceng)可(ke)以(yi)抵消外部施加的(de)拉(la)應力，從而可(ke)以(yi)使零件(jian)在(zai)疲勞、腐蝕疲勞和應力腐蝕的(de)環(huan)境下提高(gao)其服役(yi)性(xing)能。因(yin)此(ci)，任何(he)能夠影響(xiang)表(biao)面應力水平的(de)因(yin)素都是非常重要的(de)。
眾(zhong)所周知，一定(ding)溫度(du)下的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)處(chu)理可(ke)(ke)(ke)(ke)以降低零件(jian)內部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)殘(can)(can)余(yu)(yu)應(ying)力(li)(li)(li)(li)水平。通(tong)常(chang)可(ke)(ke)(ke)(ke)以通(tong)過消除(chu)應(ying)力(li)(li)(li)(li)退火的(de)(de)(de)(de)(de)方法降低零件(jian)表面的(de)(de)(de)(de)(de)有(you)害拉(la)(la)(la)應(ying)力(li)(li)(li)(li)。但是(shi)，一定(ding)溫度(du)下的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)處(chu)理也可(ke)(ke)(ke)(ke)以消除(chu)有(you)益的(de)(de)(de)(de)(de)表面殘(can)(can)余(yu)(yu)壓(ya)(ya)應(ying)力(li)(li)(li)(li)，因此在(zai)一些標準規范中，對于噴(pen)丸(wan)后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)零件(jian)使(shi)禁止(zhi)熱(re)處(chu)理的(de)(de)(de)(de)(de)。目前大(da)家可(ke)(ke)(ke)(ke)能了解比較少(shao)的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)，小的(de)(de)(de)(de)(de)塑性(xing)應(ying)變能夠很大(da)程度(du)地影響噴(pen)丸(wan)后(hou)零件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)殘(can)(can)余(yu)(yu)應(ying)力(li)(li)(li)(li)分布。有(you)研(yan)究指出，對于噴(pen)丸(wan)后(hou)鋁(lv)合金(jin)（AlCu5Mg2），壓(ya)(ya)和拉(la)(la)(la)塑性(xing)應(ying)變可(ke)(ke)(ke)(ke)以改變表面的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)力(li)(li)(li)(li)水平。在(zai)材料表面上(shang)施(shi)加一個小的(de)(de)(de)(de)(de)拉(la)(la)(la)塑性(xing)應(ying)變可(ke)(ke)(ke)(ke)以把材料表層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)原始殘(can)(can)余(yu)(yu)壓(ya)(ya)應(ying)力(li)(li)(li)(li)改變為殘(can)(can)余(yu)(yu)拉(la)(la)(la)應(ying)力(li)(li)(li)(li)。從另(ling)一方面來講，壓(ya)(ya)塑性(xing)應(ying)變僅僅降低了表面殘(can)(can)余(yu)(yu)壓(ya)(ya)應(ying)力(li)(li)(li)(li)水平，而未能改變壓(ya)(ya)應(ying)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)符號。
本篇(pian)文(wen)章主要關注塑性應(ying)(ying)變(bian)對已噴(pen)丸材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)影響。本篇(pian)文(wen)章只考慮所施(shi)加的(de)(de)(de)拉(la)應(ying)(ying)變(bian)，這(zhe)是因為拉(la)應(ying)(ying)變(bian)比壓應(ying)(ying)變(bian)的(de)(de)(de)效果要大的(de)(de)(de)多。選擇兩(liang)種常見的(de)(de)(de)純元(yuan)素材(cai)料(liao)(liao)(liao)，銅和鎳(nie)以及(ji)三種鋼(gang)鐵材(cai)料(liao)(liao)(liao)-低碳鋼(gang)（美國條鋼(gang)牌號(hao)B）、碳素鋼(gang)（BS EN8）和低合(he)金鋼(gang)（BS EN30B）。對于兩(liang)種純元(yuan)素材(cai)料(liao)(liao)(liao)，檢測了(le)其次表(biao)層的(de)(de)(de)殘余(yu)應(ying)(ying)力分布變(bian)化(hua)。采用(yong)相同(tong)型(xing)號(hao)的(de)(de)(de)丸料(liao)(liao)(liao)對以上試塊(kuai)的(de)(de)(de)兩(liang)個主要的(de)(de)(de)面進行(xing)噴(pen)丸強化(hua)。
試驗細節
用(yong)于研究的幾(ji)種(zhong)材料分別為銅(tong)（99.99%），鎳(nie)（0級(ji)，99.92%鎳(nie)），低碳鋼（美國條鋼牌號B，0.05%），碳素(su)鋼（BS EN8，0.4%C，0.8%Mn）和低合(he)金鋼（BS EN30B，0.3%C，0.5%Mn，4.1%Ni，1.25%Cr，0.3%Mo）。
試(shi)(shi)驗試(shi)(shi)樣(yang)(yang)表(biao)面平(ping)整。銅和鎳(nie)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸為(wei)(wei)150mm×13.0mm×3.0mm，三種(zhong)鋼鐵材料(liao)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸為(wei)(wei)150mm×13.0mm×2.2mm。所有試(shi)(shi)樣(yang)(yang)在(zai)噴(pen)(pen)丸(wan)前都進(jin)行了消除應力退火(huo)。銅和鎳(nie)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)采(cai)(cai)用SAE 70的(de)(de)(de)(de)丸(wan)料(liao)以5N（0.127mmN）的(de)(de)(de)(de)強(qiang)度(du)進(jin)行噴(pen)(pen)丸(wan)。三種(zhong)鋼鐵材料(liao)的(de)(de)(de)(de)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)采(cai)(cai)用SAE 110的(de)(de)(de)(de)丸(wan)料(liao)以8A2（0.203mmA，A2型試(shi)(shi)片）的(de)(de)(de)(de)強(qiang)度(du)進(jin)行噴(pen)(pen)丸(wan)。
把伸(shen)長計依次放入到試樣(yang)中(zhong)，采用電子(zi)拉伸(shen)測(ce)試設(she)備對(dui)試樣(yang)施(shi)加拉塑(su)性(xing)應(ying)變(bian)。對(dui)于每(mei)(mei)種(zhong)材料，分(fen)別(bie)對(dui)一(yi)系列的試樣(yang)施(shi)加不同的塑(su)性(xing)應(ying)變(bian)。每(mei)(mei)一(yi)個(ge)試樣(yang)的應(ying)變(bian)可以通(tong)過(guo)負載/延伸(shen)曲(qu)線(xian)進行估算(suan)。準(zhun)確的塑(su)性(xing)應(ying)變(bian)可使用移(yi)測(ce)顯微鏡(jing)通(tong)過(guo)每(mei)(mei)個(ge)微小的鉆石形狀(zhuang)的壓痕得出。
對銅(tong)和鎳試樣的(de)次表層殘(can)余應(ying)力(li)測試需要對材料進(jin)行連續均(jun)勻(yun)的(de)去除(chu)。可以采用合適的(de)溶液(ye)用化學(xue)拋光(guang)的(de)方(fang)法實現(xian)。試驗中只(zhi)對試樣的(de)一個面(mian)進(jin)行化學(xue)拋光(guang)并對材料去除(chu)后(hou)對殘(can)余應(ying)力(li)的(de)影響進(jin)行修正。
試驗和結果
關于(yu)所(suo)(suo)施加(jia)(jia)的(de)(de)(de)(de)塑性(xing)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)對表面(mian)殘(can)余(yu)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)水(shui)(shui)平(ping)的(de)(de)(de)(de)影響的(de)(de)(de)(de)研究結果如(ru)圖(tu)1~5所(suo)(suo)示。測試每個張力(li)(li)(li)(li)(li)試樣在(zai)(zai)拉伸(shen)伸(shen)展前后的(de)(de)(de)(de)表面(mian)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)水(shui)(shui)平(ping)。對于(yu)所(suo)(suo)研究的(de)(de)(de)(de)五(wu)種材料，均測試了其(qi)噴丸(wan)后的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)分(fen)(fen)(fen)布(bu)。該應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)分(fen)(fen)(fen)布(bu)的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)特征(zheng)均可歸因于(yu)噴丸(wan)的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)化性(xing)，即殘(can)余(yu)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)其(qi)本(ben)身的(de)(de)(de)(de)測試精度小于(yu)分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)度的(de)(de)(de)(de)四(si)分(fen)(fen)(fen)之一。所(suo)(suo)有五(wu)個應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)/塑性(xing)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)曲(qu)線(xian)的(de)(de)(de)(de)形狀(zhuang)均非常相似(si)。一個共同的(de)(de)(de)(de)特征(zheng)就(jiu)是(shi)隨著(zhu)(zhu)所(suo)(suo)施加(jia)(jia)的(de)(de)(de)(de)塑性(xing)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)增加(jia)(jia)，殘(can)余(yu)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)水(shui)(shui)平(ping)很快地降低(di)到了零(ling)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)。應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)變(bian)(bian)(bian)(bian)為零(ling)所(suo)(suo)對應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)塑性(xing)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)可以(yi)稱之為“臨(lin)界(jie)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)”。銅(tong)、鎳、低(di)碳鋼(gang)（美國條鋼(gang)牌號B）、碳素鋼(gang)（BS EN8）、和(he)(he)低(di)合金(jin)鋼(gang)（BS EN30B）的(de)(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)值分(fen)(fen)(fen)別為0.30%、0.275%、1.1%、1.25%和(he)(he)0.30%。第二個共同特征(zheng)就(jiu)是(shi)在(zai)(zai)臨(lin)界(jie)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)之后，隨著(zhu)(zhu)塑性(xing)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)進(jin)一步增加(jia)(jia)，試樣表面(mian)的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)變(bian)(bian)(bian)(bian)為殘(can)余(yu)拉應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)。在(zai)(zai)圖(tu)1~5中，均存在(zai)(zai)一個z大(da)的(de)(de)(de)(de)殘(can)余(yu)拉應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)點，該點過(guo)后，隨著(zhu)(zhu)塑性(xing)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)增加(jia)(jia)，殘(can)余(yu)拉應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)水(shui)(shui)平(ping)下降。銅(tong)、鎳、低(di)碳鋼(gang)（美國條鋼(gang)牌號B）、碳素鋼(gang)（BS EN8）、和(he)(he)低(di)合金(jin)鋼(gang)（BS EN30B）的(de)(de)(de)(de)z大(da)拉應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)值分(fen)(fen)(fen)別+160、+185、+375、+300和(he)(he)+260MPa。
在(zai)銅(tong)(tong)和(he)鎳(nie)材料上對(dui)殘余(yu)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)的進一步展開研究(jiu)（包括應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)層(ceng)的連續去除(chu)）。研究(jiu)結果如圖(tu)6和(he)圖(tu)7所(suo)示(shi)。結果顯示(shi)出(chu)(chu)了(le)(le)一些有(you)趣的特征。銅(tong)(tong)和(he)鎳(nie)噴(pen)(pen)丸后(hou)(hou)的殘余(yu)壓應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)層(ceng)深(shen)(shen)均(jun)為150μm左(zuo)右。該層(ceng)深(shen)(shen)過(guo)后(hou)(hou)，就出(chu)(chu)現了(le)(le)殘余(yu)拉(la)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)。在(zai)施加應(ying)(ying)(ying)變的情況下，臨(lin)界應(ying)(ying)(ying)變過(guo)后(hou)(hou)，其應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)分布與噴(pen)(pen)丸狀(zhuang)態相反，即表(biao)層(ceng)為拉(la)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)層(ceng)，而內(nei)部為與之(zhi)平衡(heng)的壓應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)層(ceng)。可(ke)以(yi)推(tui)斷出(chu)(chu)，隨著臨(lin)界應(ying)(ying)(ying)變的增加，表(biao)面拉(la)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)層(ceng)深(shen)(shen)會隨之(zhi)增加。對(dui)銅(tong)(tong)試(shi)樣(yang)施加的應(ying)(ying)(ying)變為0.31%時（略微超(chao)過(guo)臨(lin)界應(ying)(ying)(ying)變值0.3%），其應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)層(ceng)深(shen)(shen)為50μm，而對(dui)鎳(nie)試(shi)樣(yang)施加的應(ying)(ying)(ying)變為1.31%時（較多超(chao)過(guo)臨(lin)界應(ying)(ying)(ying)變值0.275%），其應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)層(ceng)深(shen)(shen)為100μm。對(dui)銅(tong)(tong)試(shi)樣(yang)施加次臨(lin)界應(ying)(ying)(ying)變0.25%時，則其應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)狀(zhuang)態顯示(shi)為噴(pen)(pen)丸后(hou)(hou)狀(zhuang)態和(he)應(ying)(ying)(ying)變1.31%狀(zhuang)態的中(zhong)(zhong)間狀(zhuang)態。雖然其表(biao)層(ceng)仍(reng)未壓應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)狀(zhuang)態，但(dan)在(zai)次表(biao)層(ceng)中(zhong)(zhong)顯示(shi)出(chu)(chu)了(le)(le)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)水平較低。
在試(shi)樣上也進行(xing)了塑性(xing)形(xing)變前后(hou)的(de)(de)金相和顯(xian)微硬度(du)的(de)(de)研究(jiu)。研究(jiu)結果表明(ming)，（1）噴丸后(hou)狀態(tai)的(de)(de)試(shi)樣其硬化層和壓應(ying)力層深(shen)相似；（2）施加的(de)(de)塑性(xing)應(ying)變直至1.0%，試(shi)樣表層的(de)(de)顯(xian)微硬度(du)沒有明(ming)顯(xian)改(gai)變。
圖1.噴丸后銅材料的(de)殘余應力/塑性延伸曲線
圖2. 噴丸后鎳材料的殘余應力/塑性延伸(shen)曲線
圖3. 噴(pen)丸后低(di)碳鋼（美國條(tiao)鋼牌號B，0.05%）的殘(can)余應力/塑(su)性延伸曲(qu)線(xian)
圖(tu)4. 噴丸(wan)后碳(tan)素(su)鋼（BS EN8）的殘余(yu)應力(li)/塑性(xing)延伸(shen)曲線
圖5.噴丸后低合金鋼（BS EN30B）的殘余應力/塑性延伸曲線
圖6. 噴丸后以及應變后銅材料的殘余應力層深分布
圖7. 噴丸后以及(ji)應變(bian)后鎳材料的殘余應力(li)層深分(fen)布
討論和結論
所觀(guan)察到(dao)的(de)(de)(de)(de)拉塑性(xing)應(ying)(ying)變(bian)對殘(can)余(yu)(yu)(yu)應(ying)(ying)力的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)結果與其它報道的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)結果非(fei)(fei)(fei)常(chang)一致。因此可以(yi)推(tui)斷如果臨(lin)界(jie)拉塑性(xing)應(ying)(ying)變(bian)進(jin)一步增加，噴(pen)丸(wan)(wan)引入的(de)(de)(de)(de)表面(mian)殘(can)余(yu)(yu)(yu)壓應(ying)(ying)力有可能會(hui)發生反轉成(cheng)為殘(can)余(yu)(yu)(yu)拉應(ying)(ying)力。這一結論(lun)非(fei)(fei)(fei)常(chang)重(zhong)要，因為噴(pen)丸(wan)(wan)后引入的(de)(de)(de)(de)殘(can)余(yu)(yu)(yu)壓應(ying)(ying)力的(de)(de)(de)(de)優勢在(zai)一定條件(jian)(jian)下可能會(hui)消(xiao)失。如果零(ling)件(jian)(jian)表面(mian)存(cun)在(zai)殘(can)余(yu)(yu)(yu)拉應(ying)(ying)力，那么對該(gai)零(ling)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)服(fu)役性(xing)能是非(fei)(fei)(fei)常(chang)不(bu)利的(de)(de)(de)(de)。而噴(pen)丸(wan)(wan)后的(de)(de)(de)(de)零(ling)件(jian)(jian)處在(zai)一個拉塑性(xing)應(ying)(ying)變(bian)的(de)(de)(de)(de)環境中(zhong)也不(bu)是沒(mei)有可能的(de)(de)(de)(de)。零(ling)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)偶然損害有可能會(hui)發生。變(bian)形的(de)(de)(de)(de)零(ling)件(jian)(jian)可能會(hui)需要進(jin)行校正。如果可能的(de)(de)(de)(de)話，上述情況應(ying)(ying)該(gai)要避(bi)免(mian)。有時，重(zhong)新噴(pen)丸(wan)(wan)的(de)(de)(de)(de)方(fang)法會(hui)被用(yong)于使零(ling)件(jian)(jian)保(bao)持一定殘(can)余(yu)(yu)(yu)壓應(ying)(ying)力層(ceng)深。
從次(ci)表層殘(can)余(yu)應(ying)(ying)力的(de)研(yan)究(jiu)結果來(lai)看，應(ying)(ying)力反轉并不會限定在表層。所引(yin)入的(de)殘(can)余(yu)拉(la)應(ying)(ying)力的(de)層深也可以與原始的(de)壓應(ying)(ying)力層深達到相似的(de)狀(zhuang)態。
從次表(biao)層(ceng)殘(can)余應(ying)(ying)力(li)(li)變(bian)化(hua)所得(de)到的(de)(de)(de)結(jie)果非常有(you)限，只能具體地、定量地來解釋(shi)試驗結(jie)果。如圖(tu)8所示(shi)(shi)，該圖(tu)為(wei)簡(jian)單的(de)(de)(de)機理解釋(shi)。圖(tu)中(zhong)顯示(shi)(shi)了噴(pen)(pen)丸后的(de)(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)分布為(wei)σR以及沿截面的(de)(de)(de)屈服(fu)應(ying)(ying)力(li)(li)γ的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)分布。表(biao)面的(de)(de)(de)屈服(fu)應(ying)(ying)力(li)(li)要(yao)稍高一些。主要(yao)是(shi)因為(wei)噴(pen)(pen)丸帶來的(de)(de)(de)冷作硬化(hua)的(de)(de)(de)效應(ying)(ying)。施加(jia)(jia)任意的(de)(de)(de)拉應(ying)(ying)力(li)(li)σA和σR，兩者結(jie)合形成σC的(de)(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)分布。當σA達(da)到一個臨(lin)界值，那么σC會達(da)到與內部(bu)(bu)(bu)屈服(fu)應(ying)(ying)力(li)(li)相同的(de)(de)(de)值。因此其(qi)(qi)內部(bu)(bu)(bu)就會發生塑性(xing)拉伸(shen)變(bian)形。但是(shi)在該階段表(biao)層(ceng)僅(jin)僅(jin)承受彈性(xing)變(bian)形。然(ran)后我們可以獲得(de)殘(can)余應(ying)(ying)力(li)(li)發展(zhan)基(ji)本(ben)機理的(de)(de)(de)均勻塑性(xing)變(bian)形的(de)(de)(de)典型狀(zhuang)態(tai)。內部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)塑性(xing)延伸(shen)變(bian)形被表(biao)層(ceng)的(de)(de)(de)拉應(ying)(ying)力(li)(li)所抵抗。內部(bu)(bu)(bu)塑性(xing)延伸(shen)變(bian)形越大(da)，那其(qi)(qi)表(biao)面的(de)(de)(de)平(ping)衡(heng)力(li)(li)也越大(da)。該增(zeng)加(jia)(jia)的(de)(de)(de)平(ping)衡(heng)力(li)(li)通過表(biao)面增(zeng)加(jia)(jia)的(de)(de)(de)拉應(ying)(ying)力(li)(li)水平(ping)和層(ceng)深表(biao)現出來。
總之，需(xu)要指(zhi)出的是(shi)，在(zai)噴丸后的材料(liao)中，對于塑性(xing)應(ying)(ying)變對殘余應(ying)(ying)力分布(bu)的影(ying)響還有(you)相當(dang)廣闊的領域值得去探究。
圖8.噴丸后試樣經過拉(la)伸應變后的應力疊(die)加圖
