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第 2 卷
2014 年
9 月刊
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科学新讯


第 2 卷- 2014 年 9 月刊
残余应力的选择策略



LXRD实验残余应力测量系统


孔周围的残余应力分布,压缩应力标为蓝色


测量齿轮的残余应力

  抛喷丸工艺将残余压应力引入到处理表面中。残余应力可显著提高疲劳寿命,或增强对应力腐蚀开裂的抗力。利用这种作用可增加组件在特定环境下的安全系数,减轻组件重量,延长使用寿命,或在某些环境下,增加其负载承受能力。可使用多种方法引入部件表面的残余应力。本文探讨了一些鲜为人知的技术,其中有些可应用于特有的组件和材料中。

  理想情况下,应该在设计周期内就确定表面处理方式,以便将它们加入到制造工序中。这对于检查操作特别重要:在检查之前增加压缩残余应力,可以防止染料渗透剂渗入到表面裂纹和孔隙中,还可以隐藏一些外表特征,例如,粒度或表面粗糙度。

抛喷丸表面的特征

  表面最明显的变化可能就是形貌的变化。在抛喷丸强化中,表面凹坑的分布表明了工艺提供的覆盖率,这也为质量控制提供了必要的指标。使用过程中,形貌在装载和接触表面时最为重要。覆盖凹坑的表面在与类似的表面接触时可能无法较好负载,因为接触端位于表面凹坑的凸起边缘上。局部接触负载较高可能导致粘性磨损。

  一般情况下,抛喷丸引入的残余压应力也会引起某个区域的材料机械变形。塑性变形改变材料的局部机械性能,通常能提高其屈服强度,增加位错密度,并且抛喷丸强化工艺的多方向塑性应变产生特别紊乱的位错结构。温度升高时,较高的位错密度能够加速间隙溶质原子和晶格空位的扩散,从而导致增加的表面强度过早损耗,加速残余压应力的松弛。

  典型的抛喷丸强化表面表层都有缓和的压缩残余应力,并在回到基体材料的应力水平之前,更容易压缩至表面下方。压缩至最大程度时,残余应力的大小和严重变形材料的压缩屈服应力较为相似。

  请记住,残余应力和外加应力都是附加应力,甚至将一个单独的压缩负载循环应用到内部负载已经达到压缩屈服强度的抛喷丸表面上,都会导致局部塑性变形、残余应力发生改变或受到损耗。与之类似,表面残余压应力会与部件内部的拉伸应力作用。根据部件的横截面面积,反应的应力可能较显著,并可以添加到任何外加拉伸负载中。如果部件内部的张力应该屈服,部件的内部应力系统就会重新平衡,同时减少甚至逆转表面的残余应力!

评估抛喷丸表面

  可以在不破坏应力的情况下,通过X射线衍射技术测量表面的残余应力,深度分布要求X射线进行多次测量,同时交替通过电抛光腐蚀连续去除薄层材料,抛喷材料的表面变形区域,可在电子显微镜图像中观察,表层变形度程度较大时,也可由金相样品上的显微硬度测量值反应出来,从残余应力分布测量期间收集的X射线衍射峰的扩宽上,来较为精确地估算塑性应变,残余弹性应力的分布以及局部塑形变形的相应分布共同决定了处理表面的初始性能,它们还影响性能在使用环境中的发展或退化方式。抛喷丸表面的形貌将有助于部件与配合组件进行交互。

  在一些应用中,除了引入有利的残余应力,还必须考虑表面改变的影响。这些考虑可能更偏向于支持某种特殊的抛喷丸工艺,或者需要一种组合工艺来优化工件在使用环境中的性能。还可能需要采用表面化学改性的抛喷丸强化工艺,例如,渗碳或氮化,热处理等,这些都可以稳定变形微观结构,同时,多种处理也可用于增强表面的具体方面。使用混合工艺要求充分了解涉及到的材料和工艺,并演示它们的成功应用。

残余压应力和孔

  应力组件的孔展示了关键组件的设计、制造和质量控制等一系列问题。并且已经采用了一些技术来提高孔壁性能:

  球镗孔法(也称为钢珠滚光)提高了孔的表面光洁度,并且严格控制了直径和圆度尺寸,硬球挤压通过一个较小的孔。然而此工艺会产生周向压缩应力,轴向上的污迹可能被认为是不可取的。

  在开套筒冷加工中,将一次性套筒放置在孔壁和工具之间,消除了刀具与工件之间的滑动接触,但是在孔中留下了套筒分割线。

  拆分轴柄冷胀使用了一个拆分多次的空心轴柄,以使轴柄在插入孔时部分散架。在轴柄抽回之前,将针状物穿过轴柄,以对其进行加固,使其膨胀。此工艺与优化轴柄形状的挤孔不同,只有在接触到部件的一侧时才能使用。

  据称,在直径为半英寸的孔的周围,冷胀工艺可以产生深达一个直径的压缩残余应力场,此时塑性变形最小。所有这些都需要精整处理,消除工具分割线或表面的污迹,还需要去除孔端的毛刺。可能也需要考虑残余应力场的较大直径,尤其是在应力场相邻时,处理了大孔,因为压缩残余应力将通过部件中别处的残余拉伸力反映出来,这些拉伸力将增加拉伸的使用负载。

现代抛喷丸工艺

  一些现代表面处理工艺配备了改性表面,以防止使用过程中,特别是暴露在高温环境时设备的老化。这些工艺也产生了塑性应变水平相对较低的残余应力场。激光喷丸强化产生了深入的残余应力分布,但可能达不到材料的屈服应力点。该工艺使用激光灯脉冲以产生冲击波,并传播到组件中,每个脉冲影响的区域可能是几平方毫米,并能够非常准确地定位。激光强化可以用来定位组件的特殊区域,以抵制公认的最大拉伸负载,同时也可能结合传统的抛喷丸强化工艺,提供均匀的形貌以及总体的压缩残余应力和塑性应变。

  一般情况下,抛喷丸弹丸直径越大,产生的残余应力场越深入,表面越平滑,表面附近的塑性应变越少。传统的抛喷丸强化使用的弹丸直径大约小于0.05英寸。有些现代技术使用直径较大的抛光球,以加工具有这些特征的表面。

  重力喷丸,可将球从距离处理表面几英尺的高度抛下,这种方法已用来处理大型飞机发动机的风扇叶片。当然,由于重力为球提供动能,因此,同一时间只有一个部件的一个表面可以进行喷丸加工。

  在超声波喷丸中,超声传感器为一个箱子中直径较大的球提供动能。球体之间通过碰撞相互传递能量,导致箱子里装满了四处乱飞的球。放置在箱子里的部件受到随机方向的影响,整个表面都得到了覆盖。在使用超声波传感器作为动能来源的第二种工艺中,将阵列中的系留枪头或部件都驱动到表面上。可手动或通过机器人将阵列移到表面上。可在喷丸成型中应用类似的技术。

稳定抛喷丸表面

  可通过在稍高的温度下抛喷丸来稳定一些材料,尤其是硬化和回火钢的残余应力场。这种工艺就是热喷丸,它在抛喷丸过程中利用了动态应变失效来钉扎材料的晶格中形成的新位错。

  举个钢的例子,碳原子通常会占据间隙位置(例如,金属原子之间),但是它们在温度低于300°C时会移动到材料中,并趋向转移到新形成的位错周围等能量较低的位置,减缓位错的进一步移动。热喷丸期间产生的位错受到与其一并产生的碳原子云的牢固钉扎,以至于随后的应变需要产生新的位错。热抛喷丸加工的表面比传统的抛喷丸表面更加稳定,因此能更好地保留残余应力和机械性能。

喷丸硬化钢表面

  渗碳硬化法通常用于在接近成品钢部件选定区域的表面附近形成高的碳含量层。该工艺是两种常用于制造齿轮硬化处理工艺的一种,经过热处理之后,表面明显比心部分硬,从而提高表面的耐磨性,表面也有残余压应力,提高了接触疲劳和齿弯曲疲劳的抗力,在处理齿轮分布之前,抛喷丸强化齿轮的负载侧面和圆角半径可进一步增强齿轮的这些性能,为了适应处理表面的硬度,可能必须使用硬度较高的弹丸抛喷丸。

  抛喷丸强化也适用于感应淬火齿轮,并在齿轮的表面形成一致可靠的残余应力系统。

结语

  各种残余应力解决方案被用于增强材料和组件表面的性能,为特定应用选择最佳应用系统,需要深入了解组件及其操作环境的,以及可用的表面强化技术特征。X射线衍射技术可用于测量处理表面的基本性能,新处理表面以及已经使用的部件的弹性残余应力和塑性应变分布。



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