引 言                                                                                                                                                                             

噴丸一般需要較大程度的延展才能達到效果，但卻廣泛地用于高強度以及低延展性的工程零件上，這看起來(lái)像個(gè)悖論。單個(gè)凹坑可以引起超過(guò)100%的塑性變形。如圖1所示，變形區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%（采用工程應變公式計算得出）。變形程度在C點(diǎn)（即塑性變形區域的邊界）為0%，在B點(diǎn)達到最大。假設變形程度隨深度的變化為一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)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到40%，而高強度合金普遍的拉伸延展性要小于10%。當覆蓋率達到100%時(shí)，噴丸表面必須要抵抗大量凹坑所帶來(lái)的塑性變形，該塑性變形的量級可達到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(zhù)延展性變化而發(fā)生強化變化的問(wèn)題進(jìn)行了討論。

非常明顯，噴丸會(huì )帶來(lái)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，“工程應變”和“真應變”的差異。在彈性變形（小于1%）帶來(lái)的非常小的延展的情況下，工程應變和真應變之間的差異很小，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變而非工程應變的范圍內發(fā)生變化。例如，我們會(huì )期望1000mm的延展能夠增加強度到2至3倍，而不是到一個(gè)非常巨大的倍數。

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

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(zhù)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，這是因為拉伸延展是比較容易測試和實(shí)現的。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變的狀態(tài)。這主要是因為在壓縮狀態(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。而其分別對應的失效強度分別為約+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，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)下應力/應變行為的對比

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)。延展性在數量級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。把壓縮應力σc施加在圓柱形試樣的兩個(gè)端面上。試樣端面和試驗設備上平臺之間的摩擦力會(huì )約束試樣發(fā)生側移，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。由于連續表面對于側方的約束，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力系統中增加了流體動(dòng)力壓縮分量。圖5中的模型顯示了當圓柱形試樣受到一個(gè)-c的施加壓縮應力時(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)壓縮應力-r在圓柱試樣上。

因此，我們就得到了一個(gè)應力體系，可以表達為（-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狀態(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準延展性試驗。

圖4.壓縮測試的示意圖

圖5.圓柱試樣在被壓縮過(guò)程受到表面材料約束的示意圖

強度特性

在噴丸過(guò)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度特性。因此，比如在拉伸試驗中，屈服強度可能是正常拉伸試驗記錄的極限拉伸強度的幾倍。相應地，這也意味著(zhù)表面的殘余應力可以超過(guò)名義上的拉伸極限抗拉強度。

設計中的一個(gè)重要的問(wèn)題就是可以在零件上施加相應的應力來(lái)阻止失效。如果材料是柔性的，那么失效一般使用屈服強度來(lái)定義。如果材料是脆性的，那么失效一般使用斷裂強度來(lái)定義。在試樣拉應力時(shí)，柔性材料和脆性材料表現出的差異如圖6所示。在施加拉應力的狀態(tài)下，柔性材料的屈服強度要比斷裂強度低得多。隨著(zhù)施加的拉應力逐漸增加，材料首先會(huì )先達到屈服應力的狀態(tài)，所以屈服的現象就產(chǎn)生了。隨著(zhù)施加大量的冷作硬化作用，材料由屈服強度狀態(tài)上升到斷裂強度狀態(tài)，隨后斷裂現象就產(chǎn)生了。對于脆性材料，斷裂強度非常接近于屈服強度。隨著(zhù)施加的壓應力逐漸增加，材料由屈服強度狀態(tài)（導致冷作硬化的發(fā)生）很快上升到斷裂強度狀態(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。

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

圖6. 在拉應力下柔性材料和脆性材料在失效強度上的差異

圖7. 在壓應力下柔性材料和脆性材料在失效強度上的差異

可以用材料結構的變化來(lái)解釋噴丸后材料強度性能提高的現象。五十多年前，位錯理論就解釋了為什么真晶材料的屈服強度要比完美晶體材料低得多。同時(shí)，位錯理論也解釋了在觀(guān)察到的應力水平下材料沿滑移面的輸運現象。用一個(gè)粗略的但又比較形象的例子進(jìn)行類(lèi)比，就是汽車(chē)行駛在城市的交通網(wǎng)絡(luò )中的現象。如果路上只有少量的汽車(chē)，那么交通是十分暢通的。然而設想一下，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(chē)輛繼續行駛，所需要的“力量”就會(huì )急速增加。當丸粒打擊零件表面時(shí)，每平方厘米位錯的數量為單個(gè)丸粒產(chǎn)生的位錯數量乘以100萬(wàn)倍，即超過(guò)了1萬(wàn)億個(gè)！也就是說(shuō)，位錯在微秒中“克隆”了數百萬(wàn)次。

噴丸表面的冷作硬化結構與書(shū)本中晶體材料是非常不同的。噴丸后材料的結構可以描述為“由高位錯密度的亞晶粒包圍的高位錯密度區域”。隨著(zhù)冷作硬化程度的增加，亞晶粒的尺寸會(huì )逐漸變小。最終，當迫使位錯運動(dòng)的應力小于裂紋產(chǎn)生的應力時(shí)，材料就達到了斷裂強度。

延展性以及強度性能評估

噴丸的效果最終是由性能（例如疲勞強度）的提升來(lái)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(zhù)很大的借鑒作用。與噴丸產(chǎn)生高應變率相似的工藝就是落錘鍛造。把從旋轉桿材料切割下來(lái)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變（此時(shí)側面沒(méi)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(guò)程中受到了連續表面施加的流體動(dòng)力約束。

承受大量塑性應變的材料的屈服強度不能用常規的拉伸試驗來(lái)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。這種“包絡(luò )技術(shù)”引用了一個(gè)事實(shí)，即軋制具有相當大的流體動(dòng)力壓應力分量，因此可以賦予比在簡(jiǎn)單張力下獲得的延伸量大一個(gè)數量級的延伸量。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對應于材料的接收狀態(tài)。測試2至6對應于在拉伸試驗前冷軋延伸率分為20、40、60、100和150%的材料。綠線(xiàn)是代表強度變化到大量塑性變形的包絡(luò )線(xiàn)。對于這個(gè)例子，在150%伸長(cháng)率下的屈服強度是接受狀態(tài)材料的極限拉伸強度的3倍左右。軋制延伸件可以以每道次10%的速度通過(guò)高速四輥軋機，以獲得接近噴丸處理的應變速率。

圖8. 決定高應變強度的包絡(luò )技術(shù)

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

討論

評價(jià)噴丸過(guò)程中的延展性和強度變化需要使用常規拉伸試驗之外的技術(shù)。這些較大的數值意味著(zhù)應該使用真應力和真應變的定義。通過(guò)X射線(xiàn)衍射峰的寬度和顯微硬度可以間接地進(jìn)行強度變化的測試?？梢酝ㄟ^(guò)劇烈冷作硬化的參考試樣對上述方法進(jìn)行計量。噴丸過(guò)程中延展性的變化是難以評估的。作者曾使用一種簡(jiǎn)單的技術(shù)來(lái)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，在噴丸強化過(guò)程中，材料隨著(zhù)發(fā)生很大程度的延展，其屈服強度也相應大幅度提高。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度更高的殘余應力。然而，材料特有的延展性不應該被濫用，因為高水平的冷作硬化相當于高水平的能量存儲。這種能量可以成為熱激活變化的驅動(dòng)力，例如產(chǎn)生應力釋放，這對于零件是不利的。