引 言                                                                                                                                                                             

噴丸一般需要較大程度的延展才能達(dá)到效果，但卻廣泛地用于高強(qiáng)度以及低延展性的工程零件上，這看起來像個(gè)悖論。單個(gè)凹坑可以引起超過100%的塑性變形。如圖1所示，變形區(qū)域的深度是凹坑本身深度的兩倍。表層AC段的高度在噴丸后減小了一半變?yōu)?/span>BC段。因此，變形區(qū)域存在的平均壓縮塑性變形等于拉伸變形的100%（采用工程應(yīng)變公式計(jì)算得出）。變形程度在C點(diǎn)（即塑性變形區(qū)域的邊界）為0%，在B點(diǎn)達(dá)到最大。假設(shè)變形程度隨深度的變化為一個(gè)簡單的線性變化，那么在B點(diǎn)等于200%。

圖1. 噴丸后零件表面的塑性變形范圍示意圖

柔軟金屬的拉伸延展性可以達(dá)到40%，而高強(qiáng)度合金普遍的拉伸延展性要小于10%。當(dāng)覆蓋率達(dá)到100%時(shí)，噴丸表面必須要抵抗大量凹坑所帶來的塑性變形，該塑性變形的量級(jí)可達(dá)到1000%！本篇文章對影響表面塑性變形的一些因素進(jìn)行了研究，并對隨著延展性變化而發(fā)生強(qiáng)化變化的問題進(jìn)行了討論。

非常明顯，噴丸會(huì)帶來很高程度的變形。因此，我們必須使用正確的相關(guān)定義。圖2解釋了對于大的拉伸延展，“工程應(yīng)變”和“真應(yīng)變”的差異。在彈性變形（小于1%）帶來的非常小的延展的情況下，工程應(yīng)變和真應(yīng)變之間的差異很小，但是在發(fā)生巨大延展的情況下，兩者之間的差異就變得非常大。那么這個(gè)意義就是我們期待零件的性能是在真應(yīng)變而非工程應(yīng)變的范圍內(nèi)發(fā)生變化。例如，我們會(huì)期望1000mm的延展能夠增加強(qiáng)度到2至3倍，而不是到一個(gè)非常巨大的倍數(shù)。

圖2. 對于施加在100mm長的試樣上的延伸，工程應(yīng)變和真應(yīng)變之間的差異

延展性

材料在拉伸和壓縮狀態(tài)下的測試得到的延展性是有著巨大差異的。作為工程人員，我們普遍對于拉伸延展比較熟悉，這是因?yàn)槔煅诱故潜容^容易測試和實(shí)現(xiàn)的。而在壓縮狀態(tài)下的延展值是不容易測試的。眾所周知，大多數(shù)工程上的失效是在拉伸狀態(tài)而非壓縮狀態(tài)發(fā)生的。一些材料，例如灰鑄鐵，在拉伸狀態(tài)下非常的脆，所以其最好被使用在壓縮應(yīng)變的狀態(tài)。這主要是因?yàn)樵趬嚎s狀態(tài)下的延展性可以是拉伸狀態(tài)的將近20倍，如圖3所示。在拉伸狀態(tài)下，在T點(diǎn)時(shí)（此時(shí)應(yīng)變約為0.0035，即0.35%）發(fā)生了失效。這與在壓縮狀態(tài)下，在C點(diǎn)時(shí)（此時(shí)應(yīng)變約為-0.07，即7%）發(fā)生失效產(chǎn)生了明顯對比。而其分別對應(yīng)的失效強(qiáng)度分別為約+150和-900MPa。需要注意的是，壓縮狀態(tài)的延展性比拉伸狀態(tài)要高出一個(gè)量級(jí)，這種情況是普遍存在所有的金屬材料中的。

 圖3. 灰鑄鐵在壓縮和拉伸狀態(tài)下應(yīng)力/應(yīng)變行為的對比

噴丸后的材料表面是與壓縮延展性而非拉伸延展性相關(guān)。延展性在數(shù)量級(jí)上的差異對解釋延展性悖論有很大幫助。壓縮延展的一個(gè)較為熟悉的例子就是在打布氏硬度時(shí)，產(chǎn)生的凹坑并不會(huì)在灰鑄鐵以及其他脆性材料上產(chǎn)生裂紋。

壓縮測試一般是把圓柱形試樣的放在壓實(shí)缸之間，如圖4所示。把壓縮應(yīng)力σc施加在圓柱形試樣的兩個(gè)端面上。試樣端面和試驗(yàn)設(shè)備上平臺(tái)之間的摩擦力會(huì)約束試樣發(fā)生側(cè)移，進(jìn)而產(chǎn)生了膨脹。最終，在膨脹處的外表面會(huì)產(chǎn)生裂紋，如圖4所示。由于連續(xù)表面對于側(cè)方的約束，這種狀態(tài)會(huì)受到抑制，如噴丸的情形一樣。這種約束在施加的應(yīng)力系統(tǒng)中增加了流體動(dòng)力壓縮分量。圖5中的模型顯示了當(dāng)圓柱形試樣受到一個(gè)-c的施加壓縮應(yīng)力時(shí)，其會(huì)受到表面材料的環(huán)面約束。約束環(huán)會(huì)施加一個(gè)壓縮應(yīng)力-r在圓柱試樣上。

因此，我們就得到了一個(gè)應(yīng)力體系，可以表達(dá)為（-c+r, 0, 0）+（-r，-r, -r），其中（-r，-r, -r）為流體動(dòng)力壓縮分量。流體動(dòng)力壓縮就是為什么金屬材料可以軋制到很大的延伸量以及可以把圓柱試樣擠壓至巨大的延展?fàn)顟B(tài)。噴丸表面的延伸性比圓柱試樣受到壓縮時(shí)的延展要大得多。作者本人不太清楚噴丸表面的任何標(biāo)準(zhǔn)延展性試驗(yàn)。

圖4.壓縮測試的示意圖

圖5.圓柱試樣在被壓縮過程受到表面材料約束的示意圖

強(qiáng)度特性

在噴丸過程中的高延展性引起的冷作硬化將會(huì)極大地提高材料的強(qiáng)度特性。因此，比如在拉伸試驗(yàn)中，屈服強(qiáng)度可能是正常拉伸試驗(yàn)記錄的極限拉伸強(qiáng)度的幾倍。相應(yīng)地，這也意味著表面的殘余應(yīng)力可以超過名義上的拉伸極限抗拉強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的問題就是可以在零件上施加相應(yīng)的應(yīng)力來阻止失效。如果材料是柔性的，那么失效一般使用屈服強(qiáng)度來定義。如果材料是脆性的，那么失效一般使用斷裂強(qiáng)度來定義。在試樣拉應(yīng)力時(shí)，柔性材料和脆性材料表現(xiàn)出的差異如圖6所示。在施加拉應(yīng)力的狀態(tài)下，柔性材料的屈服強(qiáng)度要比斷裂強(qiáng)度低得多。隨著施加的拉應(yīng)力逐漸增加，材料首先會(huì)先達(dá)到屈服應(yīng)力的狀態(tài)，所以屈服的現(xiàn)象就產(chǎn)生了。隨著施加大量的冷作硬化作用，材料由屈服強(qiáng)度狀態(tài)上升到斷裂強(qiáng)度狀態(tài)，隨后斷裂現(xiàn)象就產(chǎn)生了。對于脆性材料，斷裂強(qiáng)度非常接近于屈服強(qiáng)度。隨著施加的壓應(yīng)力逐漸增加，材料由屈服強(qiáng)度狀態(tài)（導(dǎo)致冷作硬化的發(fā)生）很快上升到斷裂強(qiáng)度狀態(tài)。隨后由于斷裂傳播的發(fā)生，不會(huì)有進(jìn)一步的冷作硬化發(fā)生。

在壓縮應(yīng)力的狀態(tài)下，材料關(guān)于屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度會(huì)表現(xiàn)出另外一種差異，如圖7所示。

圖6. 在拉應(yīng)力下柔性材料和脆性材料在失效強(qiáng)度上的差異

圖7. 在壓應(yīng)力下柔性材料和脆性材料在失效強(qiáng)度上的差異

可以用材料結(jié)構(gòu)的變化來解釋噴丸后材料強(qiáng)度性能提高的現(xiàn)象。五十多年前，位錯(cuò)理論就解釋了為什么真晶材料的屈服強(qiáng)度要比完美晶體材料低得多。同時(shí)，位錯(cuò)理論也解釋了在觀察到的應(yīng)力水平下材料沿滑移面的輸運(yùn)現(xiàn)象。用一個(gè)粗略的但又比較形象的例子進(jìn)行類比，就是汽車行駛在城市的交通網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)象。如果路上只有少量的汽車，那么交通是十分暢通的。然而設(shè)想一下，如果每個(gè)起初在行駛幾米之后“克隆”一下自己，那么很快在每個(gè)十字路口就會(huì)變得非常擁擠。那么要使車輛繼續(xù)行駛，所需要的“力量”就會(huì)急速增加。當(dāng)丸粒打擊零件表面時(shí)，每平方厘米位錯(cuò)的數(shù)量為單個(gè)丸粒產(chǎn)生的位錯(cuò)數(shù)量乘以100萬倍，即超過了1萬億個(gè)！也就是說，位錯(cuò)在微秒中“克隆”了數(shù)百萬次。

噴丸表面的冷作硬化結(jié)構(gòu)與書本中晶體材料是非常不同的。噴丸后材料的結(jié)構(gòu)可以描述為“由高位錯(cuò)密度的亞晶粒包圍的高位錯(cuò)密度區(qū)域”。隨著冷作硬化程度的增加，亞晶粒的尺寸會(huì)逐漸變小。最終，當(dāng)迫使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力小于裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)，材料就達(dá)到了斷裂強(qiáng)度。

延展性以及強(qiáng)度性能評估

噴丸的效果最終是由性能（例如疲勞強(qiáng)度）的提升來評定的。這種測試的方法已經(jīng)非常成熟了，因此將不會(huì)在這里進(jìn)行討論。

壓縮測試對評估噴丸的延展性方面有著很大的借鑒作用。與噴丸產(chǎn)生高應(yīng)變率相似的工藝就是落錘鍛造。把從旋轉(zhuǎn)桿材料切割下來的圓柱體放置在砧座上，然后采用落錘從不同的高度對圓柱體進(jìn)行沖擊。材料可承受的最大應(yīng)變（此時(shí)側(cè)面沒有裂紋的產(chǎn)生）給了我們一種壓縮延展性的測試方法。但是，測試得到的延伸率水平是低于材料的真實(shí)水平的，這是由于在噴丸過程中受到了連續(xù)表面施加的流體動(dòng)力約束。

承受大量塑性應(yīng)變的材料的屈服強(qiáng)度不能用常規(guī)的拉伸試驗(yàn)來評估。一個(gè)經(jīng)典的改進(jìn)就是先把材料進(jìn)行軋制引入一定量的延展，然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。這種“包絡(luò)技術(shù)”引用了一個(gè)事實(shí)，即軋制具有相當(dāng)大的流體動(dòng)力壓應(yīng)力分量，因此可以賦予比在簡單張力下獲得的延伸量大一個(gè)數(shù)量級(jí)的延伸量。圖8闡明了包絡(luò)技術(shù)的原理。在這個(gè)例子中，進(jìn)行了六個(gè)不同的拉伸測試。測試1對應(yīng)于材料的接收狀態(tài)。測試2至6對應(yīng)于在拉伸試驗(yàn)前冷軋延伸率分為20、40、60、100和150%的材料。綠線是代表強(qiáng)度變化到大量塑性變形的包絡(luò)線。對于這個(gè)例子，在150%伸長率下的屈服強(qiáng)度是接受狀態(tài)材料的極限拉伸強(qiáng)度的3倍左右。軋制延伸件可以以每道次10%的速度通過高速四輥軋機(jī)，以獲得接近噴丸處理的應(yīng)變速率。

圖8. 決定高應(yīng)變強(qiáng)度的包絡(luò)技術(shù)

噴丸表面的強(qiáng)度水平可以通過間接的方法進(jìn)行測試。經(jīng)常使用的方法是測試X射線衍射峰的寬度以及顯微硬度。X射線衍射峰的寬度和顯微硬度會(huì)隨著冷作硬化（也就是屈服強(qiáng)度）的程度增加而增加。這兩種方法都可以而且應(yīng)該使用含有已知大量塑性應(yīng)變（誘導(dǎo)冷軋、壓縮或擠壓）的材料來進(jìn)行校準(zhǔn)。

討論

評價(jià)噴丸過程中的延展性和強(qiáng)度變化需要使用常規(guī)拉伸試驗(yàn)之外的技術(shù)。這些較大的數(shù)值意味著應(yīng)該使用真應(yīng)力和真應(yīng)變的定義。通過X射線衍射峰的寬度和顯微硬度可以間接地進(jìn)行強(qiáng)度變化的測試?？梢酝ㄟ^劇烈冷作硬化的參考試樣對上述方法進(jìn)行計(jì)量。噴丸過程中延展性的變化是難以評估的。作者曾使用一種簡單的技術(shù)來測試裂紋的萌生。這包括把半球形形狀的硬質(zhì)合金圓柱體從不同的高度拋出。相對脆性材料的裂紋是從一個(gè)臨界高度落下?lián)舸蚝螽a(chǎn)生的。

    這種解釋的實(shí)質(zhì)是，在噴丸強(qiáng)化過程中，材料隨著發(fā)生很大程度的延展，其屈服強(qiáng)度也相應(yīng)大幅度提高。之所以發(fā)生大程度延展，主要是由于變形的壓縮特性以及現(xiàn)有的流體壓縮的共同作用。噴丸后材料的屈服點(diǎn)會(huì)大幅度增加，因此噴丸后的材料可以承受相比未噴丸材料的極限拉伸強(qiáng)度更高的殘余應(yīng)力。然而，材料特有的延展性不應(yīng)該被濫用，因?yàn)楦咚降睦渥饔不喈?dāng)于高水平的能量存儲(chǔ)。這種能量可以成為熱激活變化的驅(qū)動(dòng)力，例如產(chǎn)生應(yīng)力釋放，這對于零件是不利的。