引 言                                                                                                        

    噴丸后的零件會(huì)在表面產(chǎn)生一層“神奇的皮膚”，這層皮膚包含了宏觀的殘余壓應(yīng)力。該皮膚的厚度主要取決于所使用丸料的尺寸。皮膚中殘余壓應(yīng)力的水平是所噴零件的屈服強(qiáng)度乘以較大百分比。殘余應(yīng)力和外加應(yīng)力可以互相抵消，所以表層的殘余壓應(yīng)力可以抵消外加的拉應(yīng)力。因此噴丸可以降低表面的拉應(yīng)力水平，進(jìn)而提高零件的性能。

    只要在零件上產(chǎn)生不均勻的塑性變形，殘余應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生。噴丸就是在零件上產(chǎn)生不均勻塑性變形的首要工藝。噴丸所產(chǎn)生的表層塑性延伸的變形層就是由許多擴(kuò)張的凹坑所組成的。就是由于這種延伸變形所以會(huì)在零件表面上產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。噴丸之所以能夠在零件表面上產(chǎn)生劇烈的變形但同時(shí)不產(chǎn)生裂紋，是因?yàn)樽冃蔚耐瑫r(shí)產(chǎn)生了圍壓壓縮的作用。金子的延展性為40%，但是其可以被捶打相當(dāng)薄一至到幾乎為透明的程度。此時(shí)金箔中蘊(yùn)含的能量非常大，其熔點(diǎn)應(yīng)為1064℃，但是卻可以在一個(gè)人的手中融化掉。

噴丸后零件表面出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力的原因

    “殘余應(yīng)力法則”可以描述為：

    殘余應(yīng)力的符號(hào)（+或-）與產(chǎn)生殘余應(yīng)力的非均勻變形的符號(hào)（+或-）是相反的。

    一般情況下，“+”代表拉應(yīng)力和拉伸變形，相反地“-”代表壓應(yīng)力和壓縮變形。噴丸會(huì)在零件表面上產(chǎn)生拉伸塑性變形，所以在表面一定會(huì)留下殘余壓縮彈性應(yīng)力。

    圖1是把噴丸產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的發(fā)展過程用簡(jiǎn)化和宏觀的方式表達(dá)出來。矩形塊的上下表面都進(jìn)行了均勻的噴丸。如果表面噴丸層可以相對(duì)于內(nèi)部材料進(jìn)行自由地移動(dòng)，那么我們可以得到一個(gè)稍微變大的表面層，如圖1（a）所示。但是，在實(shí)際中表面噴丸層是不能獨(dú)立地移動(dòng)的。內(nèi)部材料的約束力會(huì)使表面噴丸層產(chǎn)生向內(nèi)推，進(jìn)而在上下兩個(gè)表面噴丸層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。每個(gè)表面層均有一個(gè)相應(yīng)的壓縮力F，那么就需要在矩形塊的內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)拉伸力2F與之相平衡，如圖1（b）所示。

圖1 約束噴丸產(chǎn)生的表面拉伸塑性延伸變形的力學(xué)模型

    噴丸表面的膨脹是由許多個(gè)丸粒造成的凹坑的疊加。每個(gè)凹坑均會(huì)使一些表層材料推出其原始位置，如圖2所示。凹坑處的材料均會(huì)沿著平行零件表面的方向產(chǎn)生一個(gè)凈拉伸運(yùn)動(dòng)并離開凹坑的中心位置。

圖2 丸粒造成的凹坑的模型

    每個(gè)凹坑的形成過程都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)典的裝載和卸載循環(huán)，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)包含殘余壓縮彈性應(yīng)變的塑性變形區(qū)域。在丸粒沖擊零件表面的過程中，開始時(shí)接觸應(yīng)力為零，如圖3所示。隨后應(yīng)力會(huì)一致彈性增加直到達(dá)到其屈服強(qiáng)度，圖3中的A點(diǎn)。表面材料隨后發(fā)生塑性變形直到丸料開始準(zhǔn)備回彈（B點(diǎn)）。在回彈的過程中，表面材料會(huì)發(fā)生彈性松弛直到應(yīng)力為零（C點(diǎn)）。

圖3 一個(gè)噴丸凹坑產(chǎn)生過程中的簡(jiǎn)化應(yīng)力-應(yīng)變圖

    初始應(yīng)變和最終應(yīng)變之間的差異就是殘余應(yīng)變，殘余應(yīng)變乘上彈性模量后就得到了局部的殘余壓應(yīng)力。局部的殘余應(yīng)力沿著每個(gè)凹坑中心線會(huì)發(fā)生變化。這種變化一定是平滑的，因?yàn)閼?yīng)力水平的突然中斷在物理學(xué)上是不可能的。

    圖4表示了一個(gè)獨(dú)立的噴丸凹坑和殘余應(yīng)力的邏輯關(guān)系。我們把圖2中的變形區(qū)域簡(jiǎn)化成一個(gè)圓盤。我們假設(shè)把圓盤從表面取下來，進(jìn)行塑性拉伸后再放回表面。那么這時(shí)就需要一個(gè)平行于表面的壓縮應(yīng)力把膨脹的圓盤進(jìn)行壓縮。一旦把圓盤放回表面中，圓盤材料會(huì)對(duì)A和B產(chǎn)生一個(gè)壓力。這種壓力會(huì)使得圓盤發(fā)生輕微膨脹，膨脹至圖4中的虛線位置，但是此時(shí)仍然為彈性壓縮作用。這種膨脹意味著壓縮應(yīng)力同樣會(huì)在A處的左邊和B處的右邊出現(xiàn)。在圓盤下面C處到D處的材料會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輕微的延伸過程，進(jìn)而在該區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)與之平衡的拉應(yīng)力。

圖4 一個(gè)獨(dú)立的噴丸凹坑的受力模型

    有兩個(gè)重要的問題就是“在一個(gè)凹坑的區(qū)域，殘余應(yīng)力是如何發(fā)生變化的？”以及“一個(gè)凹坑的應(yīng)力是如何與其相鄰的凹坑發(fā)生交互作用的？”。普遍接受的觀點(diǎn)就是在每個(gè)凹坑的區(qū)域均會(huì)存在一個(gè)表面殘余壓應(yīng)力區(qū)域且該壓應(yīng)力一定是連續(xù)變化的（而非突然變化）。圖5顯示了一種表示殘余應(yīng)力區(qū)域的方法，一個(gè)凹坑的區(qū)域在A處，一組凹坑的區(qū)域在B處。

圖5 在噴丸凹坑周圍的壓應(yīng)力區(qū)域

    假設(shè)平行于表面的凹坑周圍的壓應(yīng)力沿著中心線是一個(gè)正態(tài)分布，如圖6所示。對(duì)于應(yīng)力和距離使用任意的單位。在圖6中，進(jìn)一步假設(shè)殘余應(yīng)力的“延伸”（標(biāo)準(zhǔn)差）等于凹坑的半徑。

    正態(tài)分布的公式為：

    y = exp(-(x - μ)2/2σ2)/√(2πσ)                   （1）    

    式中：y表示殘余應(yīng)力，x表示沿著噴丸表面的距離，μ表示凹坑中心的位置，σ表示標(biāo)準(zhǔn)差（延伸）。

    把μ=5和σ=1代入到式（1）中，就可以得到一個(gè)凹坑區(qū)域的應(yīng)力分布曲線，如圖6所示。

圖6 一個(gè)凹坑的表面殘余應(yīng)力分布

    如果兩個(gè)凹坑的距離非常近，那么其中一個(gè)凹坑的殘余壓應(yīng)力將會(huì)顯著地影響另外一個(gè)凹坑的應(yīng)力。圖7顯示了不同凹坑的應(yīng)力是如何相互疊加的，假設(shè)每個(gè)凹坑都具有相同的直徑D。把兩個(gè)不同的μ值代入到公式（1）中并進(jìn)行相加，即得到圖7中的曲線。注意1.5D的距離表示兩個(gè)凹坑中心的距離。如果兩個(gè)凹坑中心的距離為3D時(shí)，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)沒有發(fā)生明顯的疊加。

圖7 噴丸凹坑的殘余應(yīng)力疊加的效果

    在實(shí)際的噴丸中一般會(huì)用到比較高的覆蓋率，那么同一區(qū)域會(huì)發(fā)生多重重疊，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)也會(huì)得到加強(qiáng)。這意味著我們可以獲得一個(gè)連續(xù)的表面壓應(yīng)力層。噴丸產(chǎn)生的冷作硬化意味著隨著噴丸的進(jìn)行，壓應(yīng)力水平會(huì)逐漸升高，但最終會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。

    噴丸層的殘余壓應(yīng)力水平和壓應(yīng)力層深度是兩個(gè)重要的指標(biāo)。無數(shù)次的測(cè)試結(jié)果表明表面噴丸層的殘余壓應(yīng)力水平大概為Y/2，其中Y表示受噴材料的屈服強(qiáng)度。Y并不是一個(gè)常數(shù)，它取決于噴丸的力度，一般情況下會(huì)超過資料上的最終拉伸強(qiáng)度（通過退火試片進(jìn)行拉伸測(cè)試獲得）。表面壓應(yīng)力層的深度主要取決于丸料的尺寸，同時(shí)也取決于噴丸的力度。不管對(duì)于何種丸料，隨著噴丸的進(jìn)行，表面壓應(yīng)力層會(huì)變得更深，殘余應(yīng)力水平會(huì)變得更高。隨著噴丸覆蓋率的持續(xù)增加，應(yīng)力層深度和水平的增加速率會(huì)快速下降。我們應(yīng)該避免一個(gè)誤區(qū)，就是通過額外地增加覆蓋率的方式獲得更高的殘余壓應(yīng)力水平和層深。之所以說這是個(gè)誤區(qū)主要基于以下兩點(diǎn)：（1）過多的噴丸會(huì)破壞材料的延展性，進(jìn)而會(huì)發(fā)生產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)；（b）發(fā)生嚴(yán)重冷作硬化的金屬的熱動(dòng)性能會(huì)變得非常不穩(wěn)定，這會(huì)增加發(fā)生自激性應(yīng)力釋放的可能性。

    圖1中存在表面力的力F可以簡(jiǎn)單地由平均殘余壓應(yīng)力σ乘以表面噴丸層的橫截面積。殘余應(yīng)力在層深方向會(huì)發(fā)生變化，如圖8所示。壓應(yīng)力的最大值沒有發(fā)生在噴丸零件的表面上。這主要是因?yàn)樵跈C(jī)械變形理論中，末端的表面是“自由狀態(tài)的”。

    最大的殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在表面的塑性變形層中。在大約塑性變形深度的末端，殘余應(yīng)力會(huì)變?yōu)榱?。在次表層一定?huì)存在拉應(yīng)力場(chǎng)與表面壓應(yīng)力場(chǎng)相平衡。拉應(yīng)力的水平取決于噴丸變形層的橫截面積與次表層的面積的比值。

圖8 AB段中的表面變形層的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)和與之平衡的BC段拉應(yīng)力場(chǎng)

結(jié)論：

    噴丸會(huì)在零件表面引入高水平的殘余壓應(yīng)力。該殘余壓應(yīng)力是由許多個(gè)凹坑的應(yīng)力場(chǎng)疊加的結(jié)果。殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的深度與凹坑直徑的長(zhǎng)度相似。較高的殘余壓應(yīng)力甚至?xí)趦蓚€(gè)凹坑之間出現(xiàn)。凹坑重疊的程度和應(yīng)力水平取決于每個(gè)凹坑的應(yīng)力場(chǎng)的延伸程度。這種延伸程度可以通過試驗(yàn)的方法直接測(cè)試，也可以通過間接地測(cè)試低覆蓋率水平的零件性能。由于噴丸可以施加一個(gè)流體靜力的可壓縮的零件上，因此通過在一個(gè)表面區(qū)域上進(jìn)行重復(fù)變形可以產(chǎn)生非常高水平的冷作硬化效果。殘余應(yīng)力水平大約為表面變形層的屈服強(qiáng)度的一半。一定要避免過多的噴丸，因?yàn)檫@可以損害零件的延展性并使零件產(chǎn)生自行退火的傾向。