研究了喷丸参数对残余压应力的影响，分析了喷丸对渗碳层硬度和显微组织的影响，初步探讨了喷丸后进行应力松驰低温回火所对应的残余应力场。 关键词：喷丸强化,残余应力,低温回火
1 引言
喷丸强度通常采用弧高值法，即根据试片弧高值与同等条件下金属表面内应力间有对应关系这一原理来测定的。这个方法的不足之处是不能精确测量距表面50μm以内的内应力值。而对材料的疲劳寿命起决定性作用的恰恰是此表面层内的内应力值。我们采用RICH SEIFERT&Co公司的7轴衍射（7-Axes-Diffractometer）X射线应力分析仪，就喷丸参数对残余内应力的影响进行了研究，分析了喷丸对渗碳层硬度和显微组织的影响，初步探讨了喷丸后经低温回火使应力松弛所对应的残余应力场。
2 试验材料和方法
2.1 试验材料
试验采用上海汽车齿轮总厂生产的桑塔纳轿车变速箱一档从动齿，材料为25MoCr5钢，化学成分见表1。
2.2 热处理工艺及喷丸工艺
齿轮在上海汽车齿轮总厂的Aichelin多用炉中渗碳处理，碳势1%，温度900℃，淬火油温70℃（G油），回火170℃，在叶轮式抛丸机（wheel labrator）上进行喷丸处理。
2.3 组织形貌、硬度及应力测定
在RICH SERFERT&Co公司的X射线应力分析仪上测定残余应力沿层深分布，显微硬度在AKASI MVK-E上测量，载荷砝码50g。每一深度测3次，取平均值。用日立S-500型扫描电镜和蔡氏NEOPHOT-21型光学显微镜进行显微组织分析。残留奥氏体量在理学电机(Rigaku)株式会社的转靶X射线衍射仪上测定。
3 试验结果及分析
3.1 喷丸参数对残余压应力的影响
小麦草榨汁机
改变喷丸时间，并保持喷丸速度为2900r/min，丸粒硬度为57HRC，所得应力值如图1所示。改变喷丸速度，并保持喷丸时间15s，丸粒硬度为57HRC，所得应力值如图2所示。
图1 残余应力随时间的变化规律
图2 残余应力随转速的变化规律
由图1看出，随着喷丸时间的增加，距试样表层5μm、25μm、50μm处的残余压应力都逐渐增加，在10s以后，25μm深处的残余应力的递增速度超过5μm处。正是因为，随着喷丸时间的延长，残余应力由表层向材料内部逐渐渗透，但表层的组织在喷丸的作用下遭到了一定的损坏，粗糙度增加，可能产生微小裂纹使残余应力值有所降低。由图2看出，随着钢丸转速增加，残余应力值也随之增加。但当转速超过3000r/min，距表层5μm处的残余应力值有所下降。这是因为，钢丸转速增加，喷丸作用增大，残余应力值上升明显，但超过一定喷丸强度后，表层组织遭到破坏，产生微小裂纹，使残余应力值下降。由图1、2可看出，在喷丸过程中，过度喷丸对表层有损害作用，因此选择喷丸参数时，既要考虑到残余应力要达到一定的数值，又要防止过度喷丸。 3.2 喷丸对渗碳层硬度的影响
对喷丸前后的显微硬度的分布进行测试，其结果见图3。
由图3曲线可以看出，喷丸件表层显微硬度明显提高，心部组织硬度基本相同。硬度发生变化区域均为距表面0.1mm范围以内，最大变化区域在距表面0.1mm附近，表层的硬度显著提高是受到高的残余压应力、加工硬化和组织变化综合作用的结果，其中残留奥氏体的显著减少对硬度提高也作出了贡献。
3.3 喷丸对渗碳表层内显微组织的影响
用扫描电子显微镜对未喷丸和喷丸（转速为2900r/min）的样品进行分析观察，试验结果见图4。
图4 喷丸对渗层组织的影响
裹尸袋
（a）未喷丸（b）经喷丸
试验观察发现，未喷丸的马氏体片间保留有较多的残留奥氏体组织如图4a；喷丸后如图4beva母，马氏体的微观亚结构被细化，残留奥氏体诱发转变为马氏体，该马氏体针非常细小。
喷丸细化了金属表面的微观亚结构，使金属表面位错密度增加，亚晶细化，晶格畸变加剧。用光学显微摄影仪对未喷丸和喷丸的样品进行分析观察，试验结果见图5。
图5 渗层光学显微组织 x400
（a带写字板的椅子）未喷丸（b）喷丸
试验观察发现，未喷丸试样的残留奥氏体（白）较喷丸后的残留奥氏体含量多。因为喷丸使试样中的残留奥氏体转变为马氏体，用来提高表面硬度。就表层组织来看，喷丸后的马氏体针明显较未喷丸试样细小致密，这也进一步说明喷丸起到了细化马氏体亚结构的作用。
用X射线衍射仪对未喷丸和经喷丸（转速为2900r/min）的样品进行分析观察，试验结果见图5。从图6中可以看出，喷丸前残留奥氏体的衍射峰在衍射后基本上消失了，说明喷丸能有效地使残留奥氏体转变为马氏体，有利于残余压应力的提高，从而提高齿轮的寿命。
图6 试样的X射线衍射图
（a）未喷丸样品（b）喷丸样品
4 残余应力场的松弛
为了研究喷丸残余应力场的稳定性问题，对两组上海汽车齿轮总厂生产的桑塔纳轿车变速箱一档从动齿试样分别进行了两种处理：一种处理为喷丸强化（3000r/min，15s，57HRC）；另一种处理为喷丸强化X应力松弛低温回火。
在RICH SERFERT&Co公司生产的7-Axes-Diffractometer X射线应力分析仪上测定距表面25μm处的残余应力。
喷丸引入的表层残余压应力场在其后的疲劳加载过程中会发生松弛，如图7所示。在疲劳加载初期，喷丸残余应力场会发生急剧的松弛，而在疲劳加载后期，残余应力场的松弛很
缓慢，松弛量也很小，并逐渐趋于稳定态。
图7 残余应力场的松弛
残余应力的迅速松弛是工件服役加载后表层材料剧烈塑性变形的结果。在疲劳加载初期，试样表层的位错密度迅速降低，一方面是由于在外载作用下一部分异号位错在运动中相互
抵消；另一方面是由于晶体的大量滑移使位错首先在晶界等障碍物前塞积。当该处的应力达到断裂应力时，随即在塞积处形成一定数量的微裂纹，应力场被松弛，使工件表层造成损伤。而在随后的疲劳循环中，疲劳裂纹在上述各损伤处优先形核，这就必然会降低疲劳裂纹的萌生寿命。一旦其中某一裂纹扩展至一定长度并形成主裂纹时，其他微裂纹会因应力松弛而停止扩展。因此，残余应力的静载松弛是一种损伤性松弛〔1〕。如果能使喷丸强化效果下的静态残余应力场在疲劳加载前就预先非损伤性松弛到稳态应力场，则可避免残余应力场在疲劳加载初期的静载松弛，最大限度地提高工件的疲劳寿命。因此，在喷丸后又进行了一组应力松弛低温回火试验，来获得稳定的应力场。
回火温度对残余应力的影响如图8所示。试样在不同温度下回火，应力场发生不同程度的松弛。回火温度越高，松弛量越大。一定温度以后，松弛量趋于平衡，具有良好的稳定性。
图8 残余应力场的低温回火松弛
综上所述，疲劳加载和低温回火都可以使喷丸后产生的应力场得到松弛，但是后者通过加热使形变材料的组织结构发生回复，不会给材料带来损伤。低温回火后的喷丸齿轮在疲劳寿命上有所提高。
5 结论
（1）喷丸强化可显著提高渗碳齿轮表面的残余压应力，从而提高齿轮的疲劳寿命。但要对喷丸参数进行合理的选择，防止过度喷丸，以免产生表面缺陷，降低强化效果。
（2）喷丸使渗碳表面硬度增加，距表面愈近，效果愈明显。喷丸造成的表面硬度增加是由于表层组织形变强化及残余压应力值增大的综合结果。
（3）喷丸能够使试样表层的组织强化，即残留奥氏体发生诱发马氏体转变，并且能够细化马氏体的亚结构。
（4）低温回火可以使喷丸后产生的应力场得到松弛，有效地避免了残余应力的静载松弛对材料带来的损伤。
1 强化喷丸概念
在了解喷丸强化技术之前，有必要将抛丸、喷砂、喷丸的三个容易混淆的概念解释一下。这三个概念其实就四个字：喷、抛、丸、砂，其中，喷抛是工艺方法，丸砂是使用的材料。
喷，是用高压空气将丸、砂吹到工件的表面，抛是用高速旋转的叶片抛射到工件表面，丸用的是钢丸，砂用的是石英砂等。
喷丸过程就是将大量弹丸喷射到零件表面上的过程，有如无数小锤对表面锤击，因此，金属零件表面产生极为强烈的塑性形变，使零件表面产生一定厚度的冷作硬化层，称为表面强化层，此强化层会显著地提高零件的疲劳强度。测评强化丸质量有三个基本参数：强度、覆盖率、表面粗糙度。
2 喷丸强度
影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强度就越大。喷丸形成的残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60%，残余压应力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强度达到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加。在喷丸强度的阿尔门试验中，喷丸强度的表征为试片变形的拱高。
hunt-0793 阿尔门(Almen)试验
喷丸强度常用N试片(用于有金属试验)、A试片(最常用)、C试片(更高强度)来进行测量，A试片和C试片之间关系为近似3倍关系。如用C试片测得强度为0.15～0.20Cmm就相当于0.45～0.60Amm。图中厚的为C试片，薄的为A试片。高速车针
试验过程中，先测量试片原有变形，然后将卡好该试片的工装置于喷丸箱内，采用与工件相同的工艺进行喷射。喷丸结束，取下试片，测量变形拱高。
4 喷丸覆盖率
覆盖率是指工件上每一个点被钢丸打到的次数，有人对喷丸覆盖率常这样认为：我的喷嘴1上1下喷工件2遍，不就可以满足200%的覆盖率了吗？乍一听觉得有道理，其实不是这样的。
覆盖率的测量是这样的：先在工件表面涂上一层彩釉或萤光釉，然后按工艺参数对工件进行喷丸，每喷表面一遍将工件取出，在显微镜(放大镜)下观察所残留的涂层在表面所占的比例，如还有20%残留，则覆盖率为80%。当残留只有2%，即覆盖率为98%时，可视为全部清除，即覆盖率为100%，此时就有一个时间。若达到400%的覆盖率，就是4倍的该时间。
5 覆盖率的影响因素
影响覆盖率的因素有零件材料硬度、弹丸直径、喷射角度和距离、喷丸时间等。在规定的喷丸强度条件下，零件的硬度低于或等于标准试片硬度时，覆盖率能达到100%；反之，覆盖率会下降。在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、喷射的角度越小、弹丸直径越小，达到覆盖率要求的时间就越短。喷丸强化时，应选择大小合适的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸强度和覆盖率同时达到要求值。
6 表面粗糙度
由于钢丸的喷射，对工件表面的粗糙度产生一定的变化。影响表面粗糙度的因素有零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射的角度和速度、零件的原始表面粗糙度。在其他条件相同的情况下，零件材料的强度和表面硬度值越高，塑性变形越困难，弹坑越浅，表面粗糙度值越小；弹丸的直径越小，速度越慢，弹坑就越浅，表面粗糙度值就变小；喷射的角度大，弹丸速度的法向分量越小，冲击力越小，弹坑越浅，弹丸的切向速度越大，弹丸对表面的研磨作用就越大，表面粗糙度值就越小；零件的原始表面粗糙度也是影响因素之一，原始表面越粗糙，喷丸后表面粗糙度值降低越小；相反，表面越光滑，喷丸后表面变得粗
糙。当对零件进行高强度的喷丸后，深的弹坑不但加大表面粗糙度值，还会形成较大的应力集中，严重削弱喷丸强化的效果。
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