引 言                                                                                                    

    噴丸在零件表面引入的殘余壓應(yīng)力層是實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。通常可以通過消除應(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，因此在一些標準規(guī)范中，對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小的拉塑性應(yīng)變可以把材料表層的原始殘余壓應(yīng)力改變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。從另一方面來講，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。

    本篇文章主要關(guān)注塑性應(yīng)變對已噴丸材料的影響。本篇文章只考慮所施加的拉應(yīng)變，這是因為拉應(yīng)變比壓應(yīng)變的效果要大的多。選擇兩種常見的純元素材料，銅和鎳以及三種鋼鐵材料-低碳鋼（美國條鋼牌號B）、碳素鋼（BS EN8）和低合金鋼（BS EN30B）。對于兩種純元素材料，檢測了其次表層的殘余應(yīng)力分布變化。采用相同型號的丸料對以上試塊的兩個主要的面進行噴丸強化。

試驗細節(jié) 

    用于研究的幾種材料分別為銅（99.99%），鎳（0級，99.92%鎳），低碳鋼（美國條鋼牌號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）的強度進行噴丸。三種鋼鐵材料的試樣采用SAE 110的丸料以8A2（0.203mmA，A2型試片）的強度進行噴丸。

    把伸長計依次放入到試樣中，采用電子拉伸測試設(shè)備對試樣施加拉塑性應(yīng)變。對于每種材料，分別對一系列的試樣施加不同的塑性應(yīng)變。每一個試樣的應(yīng)變可以通過負載/延伸曲線進行估算。精確的塑性應(yīng)變可使用移測顯微鏡通過每個微小的鉆石形狀的壓痕得出。

    對銅和鎳試樣的次表層殘余應(yīng)力測試需要對材料進行連續(xù)均勻的去除?？梢圆捎煤线m的溶液用化學拋光的方法實現(xiàn)。試驗中只對試樣的一個面進行化學拋光并對材料去除后對殘余應(yīng)力的影響進行修正。

試驗和結(jié)果

    關(guān)于所施加的塑性應(yīng)變對表面殘余應(yīng)力水平的影響的研究結(jié)果如圖1~5所示。測試每個張力試樣在拉伸伸展前后的表面應(yīng)力水平。對于所研究的五種材料，均測試了其噴丸后的應(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)力其本身的測試精度小于分散度的四分之一。所有五個應(yīng)力/塑性應(yīng)變曲線的形狀均非常相似。一個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?yīng)的塑性應(yīng)變可以稱之為“臨界應(yīng)變”。銅、鎳、低碳鋼（美國條鋼牌號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%。第二個共同特征就是在臨界應(yīng)變之后，隨著塑性應(yīng)變的進一步增加，試樣表面的應(yīng)力變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。在圖1~5中，均存在一個最大的殘余拉應(yīng)力點，該點過后，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（美國條鋼牌號B）、碳素鋼（BS EN8）、和低合金鋼（BS EN30B）的最大拉應(yīng)力值分別為+160、+185、+375、+300和+260MPa。

    在銅和鎳材料上對殘余應(yīng)力的進一步展開研究（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)力層深會隨之增加。對銅試樣施加的應(yīng)變?yōu)?.31%時（略微超過臨界應(yīng)變值0.3%），其應(yīng)力層深為50μm，而對鎳試樣施加的應(yīng)變?yōu)?.31%時（較多超過臨界應(yīng)變值0.275%），其應(yīng)力層深為100μm。對銅試樣施加次臨界應(yīng)變0.25%時，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（美國條鋼牌號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)變對殘余應(yīng)力的影響結(jié)果與其它報道的研究結(jié)果非常一致。因此可以推斷如果臨界拉塑性應(yīng)變進一步增加，噴丸引入的表面殘余壓應(yīng)力有可能會發(fā)生反轉(zhuǎn)成為殘余拉應(yīng)力。這一結(jié)論非常重要，因為噴丸后引入的殘余壓應(yīng)力的優(yōu)勢在一定條件下可能會消失。如果零件表面存在殘余拉應(yīng)力，那么對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拉塑性應(yīng)變的環(huán)境中也不是沒有可能的。零件的偶然損害有可能會發(fā)生。變形的零件可能會需要進行校正。如果可能的話，上述情況應(yīng)該要避免。有時，重新噴丸的方法會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)果來看，應(yīng)力反轉(zhuǎn)并不會限定在最表層。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、定量地來解釋試驗結(jié)果。如圖8所示，該圖為簡單的機理解釋。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。主要是因為噴丸帶來的冷作硬化的效應(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σA達到一個臨界值，那么σC會達到與內(nèi)部屈服應(yīng)力相同的值。因此其內(nèi)部就會發(fā)生永久的塑性拉伸變形。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表面增加的拉應(yīng)力水平和層深表現(xiàn)出來。

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

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