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第二十六期 喷丸表面的塑性延伸以及强度特性
发布时间:2018/10/15 8:56:26

引 言                                                                                                                                                                             

喷丸一般需要较大程度的延展才能达到效果,但却广泛地用于高强度以及低延展性的工程零件上,这看起来像个悖论。单个凹坑可以引起超过100%的塑性变形。如图1所示,变形区域的深度是凹坑本身深度的两倍。表层AC段的高度在喷丸后减小了一半变为BC段。因此,变形区域存在的平均压缩塑性变形等于拉伸变形的100%(采用工程应变公式计算得出)。变形程度在C点(即塑性变形区域的边界)为0%,在B点达到最大。假设变形程度随深度的变化为一个简单的线性变化,那么在B点等于200%。

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图1。 喷丸后零件表面的塑性变形范围示意图


柔软金属的拉伸延展性可以达到40%,而高强度合金普遍的拉伸延展性要小于10%。当覆盖率达到100%时,喷丸表面必须要抵抗大量凹坑所带来的塑性变形,该塑性变形的量级可达到1000%!本篇文章对影响表面塑性变形的一些因素进行了研究,并对随着延展性变化而发生强化变化的问题进行了讨论。

非常明显,喷丸会带来很高程度的变形。因此,我们必须使用正确的相关定义。图2解释了对于大的拉伸延展,“工程应变”和“真应变”的差异。在弹性变形(小于1%)带来的非常小的延展的情况下,工程应变和真应变之间的差异很小,但是在发生巨大延展的情况下,两者之间的差异就变得非常大。那么这个意义就是我们期待零件的性能是在真应变而非工程应变的范围内发生变化。例如,我们会期望1000mm的延展能够增加强度到2至3倍,而不是到一个非常巨大的倍数。


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图2. 对于施加在100mm长的试样上的延伸,工程应变和真应变之间的差异


延展性

材料在拉伸和压缩状态下的测试得到的延展性是有着巨大差异的。作为工程人员,我们普遍对于拉伸延展比较熟悉,这是因为拉伸延展是比较容易测试和实现的。而在压缩状态下的延展值是不容易测试的。众所周知,大多数工程上的失效是在拉伸状态而非压缩状态发生的。一些材料,例如灰铸铁,在拉伸状态下非常的脆,所以其最好被使用在压缩应变的状态。这主要是因为在压缩状态下的延展性可以是拉伸状态的将近20倍,如图3所示。在拉伸状态下,在T点时(此时应变约为0.0035,即0.35%)发生了失效。这与在压缩状态下,在C点时(此时应变约为-0.07,即7%)发生失效产生了明显对比。而其分别对应的失效强度分别为约+150和-900MPa。需要注意的是,压缩状态的延展性比拉伸状态要高出一个量级,这种情况是普遍存在所有的金属材料中的。


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 图3。 灰铸铁在压缩和拉伸状态下应力/应变行为的对比


喷丸后的材料表面是与压缩延展性而非拉伸延展性相关。延展性在数量级上的差异对解释延展性悖论有很大帮助。压缩延展的一个较为熟悉的例子就是在打布氏硬度时,产生的凹坑并不会在灰铸铁以及其他脆性材料上产生裂纹。

压缩测试一般是把圆柱形试样的放在压实缸之间,如图4所示。把压缩应力σc施加在圆柱形试样的两个端面上。试样端面和试验设备上平台之间的摩擦力会约束试样发生侧移,进而产生了膨胀。最终,在膨胀处的外表面会产生裂纹,如图4所示。由于连续表面对于侧方的约束,这种状态会受到抑制,如喷丸的情形一样。这种约束在施加的应力系统中增加了流体动力压缩分量。图5中的模型显示了当圆柱形试样受到一个-c的施加压缩应力时,其会受到表面材料的环面约束。约束环会施加一个压缩应力-r在圆柱试样上。

因此,我们就得到了一个应力体系,可以表达为(-c+r, 0, 0)+(-r,-r, -r),其中(-r,-r, -r)为流体动力压缩分量。流体动力压缩就是为什么金属材料可以轧制到很大的延伸量以及可以把圆柱试样挤压至巨大的延展状态。喷丸表面的延伸性比圆柱试样受到压缩时的延展要大得多。作者本人不太清楚喷丸表面的任何标准延展性试验。


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图4.压缩测试的示意图


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图5。圆柱试样在被压缩过程受到表面材料约束的示意图


强度特性

在喷丸过程中的高延展性引起的冷作硬化将会极大地提高材料的强度特性。因此,比如在拉伸试验中,屈服强度可能是正常拉伸试验记录的极限拉伸强度的几倍。相应地,这也意味着表面的残余应力可以超过名义上的拉伸极限抗拉强度。

设计中的一个重要的问题就是可以在零件上施加相应的应力来阻止失效。如果材料是柔性的,那么失效一般使用屈服强度来定义。如果材料是脆性的,那么失效一般使用断裂强度来定义。在试样拉应力时,柔性材料和脆性材料表现出的差异如图6所示。在施加拉应力的状态下,柔性材料的屈服强度要比断裂强度低得多。随着施加的拉应力逐渐增加,材料首先会先达到屈服应力的状态,所以屈服的现象就产生了。随着施加大量的冷作硬化作用,材料由屈服强度状态上升到断裂强度状态,随后断裂现象就产生了。对于脆性材料,断裂强度非常接近于屈服强度。随着施加的压应力逐渐增加,材料由屈服强度状态(导致冷作硬化的发生)很快上升到断裂强度状态。随后由于断裂传播的发生,不会有进一步的冷作硬化发生。

在压缩应力的状态下,材料关于屈服强度和断裂强度会表现出另外一种差异,如图7所示。


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图6. 在拉应力下柔性材料和脆性材料在失效强度上的差异


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图7. 在压应力下柔性材料和脆性材料在失效强度上的差异


可以用材料结构的变化来解释喷丸后材料强度性能提高的现象。五十多年前,位错理论就解释了为什么真晶材料的屈服强度要比完美晶体材料低得多。同时,位错理论也解释了在观察到的应力水平下材料沿滑移面的输运现象。用一个粗略的但又比较形象的例子进行类比,就是汽车行驶在城市的交通网络中的现象。如果路上只有少量的汽车,那么交通是十分畅通的。然而设想一下,如果每个起初在行驶几米之后“克隆”一下自己,那么很快在每个十字路口就会变得非常拥挤。那么要使车辆继续行驶,所需要的“力量”就会急速增加。当丸粒打击零件表面时,每平方厘米位错的数量为单个丸粒产生的位错数量乘以100万倍,即超过了1万亿个!也就是说,位错在微秒中“克隆”了数百万次。

喷丸表面的冷作硬化结构与书本中晶体材料是非常不同的。喷丸后材料的结构可以描述为“由高位错密度的亚晶粒包围的高位错密度区域”。随着冷作硬化程度的增加,亚晶粒的尺寸会逐渐变小。最终,当迫使位错运动的应力小于裂纹产生的应力时,材料就达到了断裂强度。


延展性以及强度性能评估

喷丸的效果最终是由性能(例如疲劳强度)的提升来评定的。这种测试的方法已经非常成熟了,因此将不会在这里进行讨论。

压缩测试对评估喷丸的延展性方面有着很大的借鉴作用。与喷丸产生高应变率相似的工艺就是落锤锻造。把从旋转杆材料切割下来的圆柱体放置在砧座上,然后采用落锤从不同的高度对圆柱体进行冲击。材料可承受的最大应变(此时侧面没有裂纹的产生)给了我们一种压缩延展性的测试方法。但是,测试得到的延伸率水平是低于材料的真实水平的,这是由于在喷丸过程中受到了连续表面施加的流体动力约束。

承受大量塑性应变的材料的屈服强度不能用常规的拉伸试验来评估。一个经典的改进就是先把材料进行轧制引入一定量的延展,然后进行拉伸试验。这种“包络技术”引用了一个事实,即轧制具有相当大的流体动力压应力分量,因此可以赋予比在简单张力下获得的延伸量大一个数量级的延伸量。图8阐明了包络技术的原理。在这个例子中,进行了六个不同的拉伸测试。测试1对应于材料的接收状态。测试2至6对应于在拉伸试验前冷轧延伸率分为20、40、60、100和150%的材料。绿线是代表强度变化到大量塑性变形的包络线。对于这个例子,在150%伸长率下的屈服强度是接受状态材料的极限拉伸强度的3倍左右。轧制延伸件可以以每道次10%的速度通过高速四辊轧机,以获得接近喷丸处理的应变速率。


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图8. 决定高应变强度的包络技术


喷丸表面的强度水平可以通过间接的方法进行测试。经常使用的方法是测试X射线衍射峰的宽度以及显微硬度。X射线衍射峰的宽度和显微硬度会随着冷作硬化(也就是屈服强度)的程度增加而增加。这两种方法都可以而且应该使用含有已知大量塑性应变(诱导冷轧、压缩或挤压)的材料来进行校准。


讨论

评价喷丸过程中的延展性和强度变化需要使用常规拉伸试验之外的技术。这些较大的数值意味着应该使用真应力和真应变的定义。通过X射线衍射峰的宽度和显微硬度可以间接地进行强度变化的测试。可以通过剧烈冷作硬化的参考试样对上述方法进行计量。喷丸过程中延展性的变化是难以评估的。作者曾使用一种简单的技术来测试裂纹的萌生。这包括把半球形形状的硬质合金圆柱体从不同的高度抛出。相对脆性材料的裂纹是从一个临界高度落下击打后产生的。

    这种解释的实质是,在喷丸强化过程中,材料随着发生很大程度的延展,其屈服强度也相应大幅度提高。之所以发生大程度延展,主要是由于变形的压缩特性以及现有的流体压缩的共同作用。喷丸后材料的屈服点会大幅度增加,因此喷丸后的材料可以承受相比未喷丸材料的极限拉伸强度更高的残余应力。然而,材料特有的延展性不应该被滥用,因为高水平的冷作硬化相当于高水平的能量存储。这种能量可以成为热激活变化的驱动力,例如产生应力释放,这对于零件是不利的。


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