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噴丸強化中的殘余應力檢測

冷加工引起的塑性變形會(huì )導致殘余應力的產(chǎn)生。殘余應力的程度和性質(zhì)（拉應力或壓應力）取決于加工過(guò)程的程度和類(lèi)型。

噴丸強化是一種冷加工工藝，在該工藝中，零件表面用稱(chēng)為噴丸的小球進(jìn)行噴丸處理。該過(guò)程會(huì )在零件表面引起塑性變形，減少零件表面拉應力并引入有益的殘余壓應力。噴丸強化是類(lèi)似于表面滾壓的過(guò)程，兩者都使表面塑性變形以形成殘余壓應力的深度分布。

在零件表面引入殘余壓應力可提高對疲勞失效和應力腐蝕開(kāi)裂 (SCC) 的抵抗力，從而延長(cháng)零件的使用壽命。

對鋼、鋁合金、鈦合金、鎳基合金和一些陶瓷來(lái)說(shuō)很容易進(jìn)行噴丸強化處理。而對于需要高循環(huán)疲勞和強度的零件，如彈簧、齒輪、凸輪軸、曲軸和渦輪葉片來(lái)說(shuō)，噴丸強化是生產(chǎn)中關(guān)鍵的一步。

噴丸強化過(guò)程中的應力形成

典型的噴丸強化表面應力深度分布。在這個(gè)例子中，超過(guò)400 MPa 的殘余壓應力會(huì )在組件的次表面產(chǎn)生，在深度上應力方向和應力值的變化可通過(guò) X 射線(xiàn)衍射法來(lái)確認。

噴丸強化在許多行業(yè)都有一席之地，甚至是在健康行業(yè)。該圖顯示了用于人體髖關(guān)節的鈦合金在噴丸處理之前和處理之后的殘余應力的深度分布。該工藝通過(guò)在表面和次表面下產(chǎn)生更高的殘余壓應力來(lái)提高髖關(guān)節的耐用性，后處理圖顯示目標已實(shí)現。

巴克豪森噪聲法分析儀可用于顯示噴丸后和未噴丸前殘余應力深度分布之間的差異。巴克豪森噪聲法作為一種自動(dòng)監測法可以無(wú)損地分離已噴丸和未噴丸零件。在相對較軟的鋼結構件中，巴克豪森噪聲信號水平會(huì )持續增加，在硬質(zhì)馬氏體（滲碳或表面硬化）材料中，巴克豪森噪聲信號水平會(huì )降低。

巴克豪森噪聲法可量化下次表面應力而無(wú)需去除表層。但是，巴克豪森噪聲法分析儀需要一個(gè)標定研究來(lái)生成MPa值，巴克豪森噪聲法對噴丸零件的評估是無(wú)損且快速的。

噴丸強化會(huì )影響零件的各種特性，如殘余應力分布、表面粗糙度、結構完整性（變形）、硬度、裂紋的產(chǎn)生和擴展。

Schulze教授在他的論文中將影響噴丸強化處理結果的參數分為設備相關(guān)、噴丸相關(guān)和工件相關(guān)三類(lèi)。 論文描述了設備的相關(guān)參數如覆蓋率、沖擊角、噴丸時(shí)間，射速工件參數如幾何形狀、硬度、溫度和射程相關(guān)參數如形狀、尺寸、質(zhì)量等。 [1]

下面是噴丸強化應力的另一個(gè)例子。 在本例中，殘余應力的深度分布由 Prism激光小孔法應力分析儀來(lái)創(chuàng )建，該設備是基于傳統鉆孔法和 ESPI 法相結合的檢測技術(shù)。

傳統的鉆孔法是通過(guò)去除一定體積的材料使應力平衡發(fā)生變化，剩余的材料會(huì )重新平衡其應力場(chǎng)，這種應力釋放和表面變形可以通過(guò)電阻的變化來(lái)測量。

ESPI–電子散斑圖干涉測量法是一種非接觸式測量技術(shù)，能夠以高分辨率測量和監測非均勻應變場(chǎng)的應力變化。

該圖顯示了噴丸強化后零件的四種不同應力深度分布。首先，該零件已使用 X 射線(xiàn)衍射法（XRD 環(huán)）進(jìn)行測量，然后使用 ESPI/鉆孔技術(shù)（ESPI B1、B2、B3）連續3次測量以驗證結果的可靠性和一致性。

綜上所述，可以說(shuō)噴丸強化產(chǎn)生的殘余應力是相當有益的。但是，需要通過(guò)深度分析來(lái)確認應力值和應力分布情況。有多種方法可以創(chuàng )建應力深度剖面圖，如 X 射線(xiàn)衍射法、ESPI 鉆孔法或巴克豪森噪聲法。