喷丸强化的机理

在结构设计合【shè jì hé】理的前【lǐ de qián】提下【tí xià】，各种零部件的使用寿命主要取决于【qǔ jué yú】它的疲劳【de pí láo】强度。而零部件疲劳【jiàn pí láo】断裂（高周或低周疲【dī zhōu pí】劳）的疲劳【de pí láo】源绝大多数情况下萌生于表【shēng yú biǎo】面。因此，金属材料或零件的疲劳【de pí láo】断裂抗力（Fatigue fracture resistance）首先取决于【qǔ jué yú】表面状态。表面喷【biǎo miàn pēn】丸强化就是目前行之【qián háng zhī】有效【yǒu xiào】、应用广泛的表面处理方法。

喷丸后零件表面状态【miàn zhuàng tài】对强化的作用【de zuò yòng】应该从以下三【yǐ xià sān】方面考量：

第①，宏观的表面纹【biǎo miàn wén】理和粗糙度【cāo dù】（Surface roughness）。表征表面粗糙度【cāo dù】的参量Ra值越大，则材料/零件的疲劳断【pí láo duàn】裂抗力【liè kàng lì】越低；在【zài】Ra值较大的情况下【xià】，其纹理方【wén lǐ fāng】向性越强【yuè qiáng】、纹理方【wén lǐ fāng】向与受力方向夹角越【jiá jiǎo yuè】大，则材料/零件的疲劳断【pí láo duàn】裂抗力【liè kàng lì】亦越低。

第②，表面的【biǎo miàn de】微观组织结构【zhī jié gòu】（Microstructure）。在喷射丸粒的【wán lì de】密集撞击作用【jī zuò yòng】下，表面的【biǎo miàn de】微观组织结构【zhī jié gòu】必然发生【shēng】剧烈变化，使之与材料内部不同【bù bú tóng】。这里包括晶格滑移【yí】、点阵畸【diǎn zhèn jī】变、位错增【wèi cuò zēng】生【shēng】、位错包【wèi cuò bāo】的形成，甚至还【shèn zhì hái】可能包括相变（例如残余奥氏【yú ào shì】体因形变而转变为马氏体），还可能【hái kě néng】引起表层的合金元素贫化（Delution of alloying element）或外部【huò wài bù】元素的渗入（Penetration of external）等等。在X射线衍射分析中，晶体滑【jīng tǐ huá】移【yí】、点阵畸【diǎn zhèn jī】变、位错增【wèi cuò zēng】生均会【shēng jun1 huì】引起衍射峰的【shè fēng de】宽化和【kuān huà hé】弥射化，表征这【biǎo zhēng zhè】一现象的参数是衍射峰半高宽B。研究表【yán jiū biǎo】明，微观组织结构【zhī jié gòu】的变化对材料【duì cái liào】或零件的疲劳断裂抗【duàn liè kàng】力有着【lì yǒu zhe】显着的影响【yǐng xiǎng】。

第【dì】③，表面塑性变形（Plastic deformed structure）导致表【dǎo zhì biǎo】层晶格发生统计的倾向性弹【xiàng xìng dàn】性应变，从而产【cóng ér chǎn】生宏观【shēng hóng guān】内应力，即残余【jí cán yú】应力（Residual stress）。在X射线衍射分析中【zhōng】，残余应力会引【lì huì yǐn】起衍射峰的偏移。研究表【yán jiū biǎo】明，在大部分情况下，适当的【shì dāng de】残余压应力是提高零件疲劳强度的主要因素，而它的大小和沿层深【yán céng shēn】分布状【fèn bù zhuàng】况，对材料或零件的疲劳【de pí láo】断裂抗力有决【lì yǒu jué】定性的影响【yǐng xiǎng】。

因此，对喷丸强化【wán qiáng huà】的材料和零部件【líng bù jiàn】进行X射线衍射分析，测定残【cè dìng cán】余应力及其沿层深的分布【fèn bù】，同时读取半高宽B的变化，是检验、评价和【píng jià hé】分析喷【fèn xī pēn】丸强化【wán qiáng huà】工艺效果不可【guǒ bú kě】或缺的手段、

1.X射线残余应力分析的原理与方法

测量原理基于X射线衍射理论。

当一束具有一【jù yǒu yī】定波长【dìng bō zhǎng】λ的X射线照【shè xiàn zhào】射到多【shè dào duō】晶体上时，会在一定的角度2θ上接收到反射的X射线强度极大值【zhí】（即所谓【jí suǒ wèi】衍射峰），这便是X射线衍【shè xiàn yǎn】射现象（如图3所示）。X射线的【shè xiàn de】波长λ、衍射镜【yǎn shè jìng】面间距【miàn jiān jù】d和衍射角2λ之间遵从注明【cóng zhù míng】的布拉格定律：

2d  Sinθ = n λ（n = 1,2,3...）

在已知X射线波长λ的条件下，布拉格定律把【dìng lǜ bǎ】宏观上可以测【kě yǐ cè】量的衍【liàng de yǎn】射角【shè jiǎo】2θ与微观的晶面【de jīng miàn】间距d建立起确定的关系【guān xì】。

X射线应力测定基本的【de】思路是把与宏观应【hóng guān yīng】力σ对应的【de】宏观应【hóng guān yīng】变ε看成是相应范【xiàng yīng fàn】围内晶【wéi nèi jīng】格应变的【de】统计效应；而晶格应变即晶面间距【jù】d的相对【de xiàng duì】变化Δd/d，可以根据布拉格定律，通过衍射实验求出。这是俄【zhè shì é】国学者阿克先【ā kè xiān】诺夫（Akcehob）于【yú】1929年提出的【de】。又经历【yòu jīng lì】了三四【le sān sì】十年，德国学【dé guó xué】者E·马赫劳赫（E.Macherauch）提出sin2ψ法【fǎ】，才把这【cái bǎ zhè】一思路【yī sī lù】变成成熟的【de】、可操作的【de】测试方法【fǎ】。

对于晶粒细小【lì xì xiǎo】，无织构的【de】多晶材料，在一束X射线照【shè xiàn zhào】射范围里会有许许多【xǔ xǔ duō】多晶粒，它们的【de】结晶学方向是【fāng xiàng shì】充分紊乱的【luàn de】，所选的【suǒ xuǎn de】的【de】（hkl）晶面处于空间任何方向的【de】机会均等；但是在【dàn shì zài】材料中存在应【cún zài yīng】力σ的【de】情况下，处于不同方向【tóng fāng xiàng】的【de】（hkl）晶面，其晶面间距d会有所变化；如果在不同方向【tóng fāng xiàng】上作得的衍【dé de yǎn】射角2θ也会随之而变【zhī ér biàn】。令衍射【lìng yǎn shè】晶面法线与试样表面【yàng biǎo miàn】法线之夹角为ψ，根据弹【gēn jù dàn】性理论和布拉【hé bù lā】格定律【gé dìng lǜ】，可以推导出：

σ = K·M

M = ∂2θ/∂sin2ψ

式中K为应力常数，

K = -E/2(1+μ) · cot θ0 · π/180

式中【shì zhōng】σ为应力【wéi yīng lì】值，K为应力【wéi yīng lì】常数，2θ为对应于各ψ角的衍【jiǎo de yǎn】射角测【shè jiǎo cè】量值，M即2θ对sin2ψ

的变化斜率（如图4所示），由布拉格定律可知它反映的【fǎn yìng de】就是晶面间距d随衍射晶面方位角【wèi jiǎo】ψ的变化趋势和【qū shì hé】急缓程度。在图【zài tú】4中2θ随sin2ψ增大而【zēng dà ér】增大，说明【shuō míng】d随之减小【xiǎo】，显然是【xiǎn rán shì】压应力【yā yīng lì】。

这样看来，X射线应【shè xiàn yīng】力测定的实质任务就【rèn wù jiù】是选定【shì xuǎn dìng】若干个ψ角，测定它【cè dìng tā】所对应【suǒ duì yīng】的衍射角2θ，然后计算【suàn】2θ对sin2ψ的斜率M，再乘以应力常【yīng lì cháng】数K即应力值σ。

2.X-350A型X射线应力测定【lì cè dìng】仪的功能特点【néng tè diǎn】

3.X射线应力测定【dìng】方法分【fāng fǎ fèn】为同倾法【qīng fǎ】和侧倾法【cè qīng fǎ】，侧倾法【cè qīng fǎ】比同倾法【qīng fǎ】具有无可比【wú kě bǐ】拟的优【nǐ de yōu】越性；从另一角度分【jiǎo dù fèn】类又分为固定【dìng】ψ0 法和固【fǎ hé gù】定【dìng】ψ法，后者又【hòu zhě yòu】因原理准确实用效果好而优于前者【yú qián zhě】。更具魅力的是将此二优结合起来，即在侧倾的条【qīng de tiáo】件下实施固定【dìng】ψ法便会产生喜人的新特点【tè diǎn】——吸收因【xī shōu yīn】子恒等【zǐ héng děng】于1。这就是说，不论衍射峰是否漫散，它的背【tā de bèi】底都不【dǐ dōu bú】会倾斜，峰形基本对称，而且在无织构的情况【de qíng kuàng】下峰形【xià fēng xíng】及强度不随ψ角的改变而变化（如图5所示【suǒ shì】）。显然这个特点【gè tè diǎn】对提高【duì tí gāo】测量精度是十分有利的。所以行家们一致认为侧倾固定【dìng】ψ法是理想的测量方法【liàng fāng fǎ】。

X-350A型X射线应【shè xiàn yīng】力测定【lì cè dìng】仪【yí】（图6），以【yǐ】θ-θ扫描ψ测角仪【yí】为主要【wéi zhǔ yào】特征【tè zhēng】，完美地实现侧倾固定ψ法，其功能特点如下：

（1）X-350A型仪器【xíng yí qì】的【de】测角仪以其【yí yǐ qí】独特的【de】构思和巧妙的【de】设计，使得在2θ平面上的【de】X光管和探测器同时等【tóng shí děng】速相对而行，严格满足固定【zú gù dìng】ψ法【fǎ】的【de】几何要素；另外又使2θ平面与ψ平面相互独立并始终【bìng shǐ zhōng】处于相【chù yú xiàng】互垂直状态【zhuàng tài】，这样便【zhè yàng biàn】准确无误地实现了侧倾固定【qīng gù dìng】ψ法【fǎ】，同时保持结构简洁灵活轻便【huó qīng biàn】的【de】特点。

（2）2θ扫描范围：120°—170°，测定应【cè dìng yīng】力既可利用高衍射角【shè jiǎo】又可利用低衍【yòng dī yǎn】射角【shè jiǎo】。这样，除适用于铁素体型钢和铸铁【hé zhù tiě】材料之外【wài】，还为奥氏体不锈钢【xiù gāng】、铝合金、钛合金【tài hé jīn】、铜合金【tóng hé jīn】以及高温合金【wēn hé jīn】、硬质合金等材料的应力测定【lì cè dìng】带来方【dài lái fāng】便并可提高测量精度、侧倾固定ψ法另一【fǎ lìng yī】特点是对于各种形状的零部件有更好的适应性【yīng xìng】。

（3）该仪器测角仪的衍射几何为聚焦发。如图7所示。在【zài】X射线【shè xiàn】管和【hé】X射线【shè xiàn】探测器以θ-θ方式沿【fāng shì yán】测角仪圆扫描过程中【guò chéng zhōng】，X光源点、试样上被照射点和探【diǎn hé tàn】测器接受点，三者随时同处在一个【zài yī gè】聚焦圆上，当然，随着扫描过程，聚焦圆的大小【de dà xiǎo】是逐步【shì zhú bù】变化的。聚焦法的优点【de yōu diǎn】是从一个点光【gè diǎn guāng】源发射出来的【chū lái de】X射线【shè xiàn】，照射到被测工件的一定区域，反射线【fǎn shè xiàn】会准确地聚焦【dì jù jiāo】到探测器的窗【qì de chuāng】口，衍射线【shè xiàn】能量集【néng liàng jí】中【zhōng】，测试精度高。

（4）测定【cè dìng】残余奥氏【yú ào shì】体含量方便【fāng biàn】、快捷、准确。该仪器2θ扫描范围120°—170°，故而在【gù ér zài】一次扫描中可以得到αFe（211）、γFe（220）两个完【liǎng gè wán】整的衍射峰，无需另外安装延长扫描范围的附件，亦无须【yì wú xū】在测试【zài cè shì】过程中人为移动探测【dòng tàn cè】器的位【qì de wèi】置或X射线入【shè xiàn rù】设方向。而且可以针对同一测试点取不同的【bú tóng de】φ角、ψ角进行测定【cè dìng】，以便探【yǐ biàn tàn】测织构的影响【de yǐng xiǎng】。必要时，可以做到残奥含量【ào hán liàng】和残余应力同时测定【cè dìng】，亦即一【yì jí yī】次测量得到残奥含量【ào hán liàng】和残余应力两【yīng lì liǎng】项数据。这些都【zhè xiē dōu】是该仪【shì gāi yí】器独有【qì dú yǒu】的功能，对于各种实体工件具【gōng jiàn jù】有可贵的实用价值。

（5）支架与测角仪【cè jiǎo yí】之间装【zhī jiān zhuāng】备了针对同一【duì tóng yī】测试点阻焊φ角的连接机构，因此可【yīn cǐ kě】测定主【cè dìng zhǔ】应力的【yīng lì de】大小及其方向，并可测定剪切应力。

（6）采用十字激光【zì jī guāng】和点状激光相配合构成的激光定位器，使得确定测试点的位【diǎn de wèi】置、校准照【xiào zhǔn zhào】射距离【shè jù lí】和垂直【hé chuí zhí】度，准确快【zhǔn què kuài】捷而方【jié ér fāng】便，能够明确指示测点位置和待测应力【cè yīng lì】的方向。