喷丸强化中的残余应力检测

冷加工引起的塑性变形会导致残余应力的产生。残余应力的程度和性质（拉应力或压应力）取决于加工过程的程度和类型。

喷丸强化是一种冷加工工艺，在该工艺中，零件表面用称为喷丸的小球进行喷丸处理。该过程会在零件表面引起塑性变形，减少零件表面拉应力并引入有益的残余压应力。喷丸强化是类似于表面滚压的过程，两者都使表面塑性变形以形成残余压应力的深度分布。

 

在零件表面引入残余压应力可提高对疲劳失效和应力腐蚀开裂 (SCC) 的抵抗力，从而延长零件的使用寿命。

对钢、铝合金、钛合金、镍基合金和一些陶瓷来说很容易进行喷丸强化处理。而对于需要高循环疲劳和强度的零件，如弹簧、齿轮、凸轮轴、曲轴和涡轮叶片来说，喷丸强化是生产中关键的一步。

 

喷丸强化过程中的应力形成

 

典型的喷丸强化表面应力深度分布。在这个例子中，超过400 MPa 的残余压应力会在组件的次表面产生，在深度上应力方向和应力值的变化可通过 X 射线衍射法来确认。

 

喷丸强化在许多行业都有一席之地，甚至是在健康行业。该图显示了用于人体髋关节的钛合金在喷丸处理之前和处理之后的残余应力的深度分布。该工艺通过在表面和次表面下产生更高的残余压应力来提高髋关节的耐用性，后处理图显示目标已实现。

巴克豪森噪声法分析仪可用于显示喷丸后和未喷丸前残余应力深度分布之间的差异。巴克豪森噪声法作为一种自动监测法可以无损地分离已喷丸和未喷丸零件。在相对较软的钢结构件中，巴克豪森噪声信号水平会持续增加，在硬质马氏体（渗碳或表面硬化）材料中，巴克豪森噪声信号水平会降低。

巴克豪森噪声法可量化下次表面应力而无需去除表层。但是，巴克豪森噪声法分析仪需要一个标定研究来生成MPa值，巴克豪森噪声法对喷丸零件的评估是无损且快速的。

喷丸强化会影响零件的各种特性，如残余应力分布、表面粗糙度、结构完整性（变形）、硬度、裂纹的产生和扩展。

Schulze教授在他的论文中将影响喷丸强化处理结果的参数分为设备相关、喷丸相关和工件相关三类。 论文描述了设备的相关参数如覆盖率、冲击角、喷丸时间，射速工件参数如几何形状、硬度、温度和射程相关参数如形状、尺寸、质量等。 [1]

下面是喷丸强化应力的另一个例子。 在本例中，残余应力的深度分布由 Prism激光小孔法应力分析仪来创建，该设备是基于传统钻孔法和 ESPI 法相结合的检测技术。

传统的钻孔法是通过去除一定体积的材料使应力平衡发生变化，剩余的材料会重新平衡其应力场，这种应力释放和表面变形可以通过电阻的变化来测量。

ESPI–电子散斑图干涉测量法是一种非接触式测量技术，能够以高分辨率测量和监测非均匀应变场的应力变化。

 

该图显示了喷丸强化后零件的四种不同应力深度分布。首先，该零件已使用 X 射线衍射法（XRD 环）进行测量，然后使用 ESPI/钻孔技术（ESPI B1、B2、B3）连续3次测量以验证结果的可靠性和一致性。

综上所述，可以说喷丸强化产生的残余应力是相当有益的。但是，需要通过深度分析来确认应力值和应力分布情况。有多种方法可以创建应力深度剖面图，如 X 射线衍射法、ESPI 钻孔法或巴克豪森噪声法。