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根据统计,紧固件断裂失效模式中,疲劳失效约占总数的60%~90%,所以在历史上已广为采用的调质、渗碳、表面处理,通过改变材料的组织来达到改善疲劳性能(包括应力腐蚀性能)的目的。当今,表面喷丸强化工艺,已经采用在螺栓、螺钉的杆部,使用最多、适应性也广,成本也低廉。
9 C% [; F' P; l+ |6 }- z 喷丸是弹丸流不断撞击紧固件表面材料,由此使表层(深度约0.05~0.20mm)材料发生循环塑性变形的过程。经受循环塑性变形的表层随材料的不同将发生以下一种或几种变化:
6 b9 h4 G' S5 U* g* S( ] 表层内形成残余压应力场; 0 F. N$ n3 K2 D5 v! i8 q" M6 v
表层材料的亚结构(亚晶粒)尺寸和点阵畸变的变化;
( [1 t; |% I& j* b% L 塑变诱导相变;
- P5 S/ ~7 n0 R; D/ a 塑变层内材料密度的变化。 ) u$ A+ f; A# m; L2 }5 i
喷丸循环塑性变形引入材料表层的残余压应力场,与外施交变应力的拉应力在同一截面叠加后,使材料承受的最大拉应力由表面移至亚表面位置。
. ?. t3 D$ u& W4 ~# c# D 表面未喷丸强化试样的疲劳裂纹萌生于外表面,而经过喷丸表面形变强化的疲劳裂纹萌生于次表层。理论分析证实,形变残余应力使疲劳裂纹萌生于材料次表面之后,即可获得比表面疲劳极限高1.05~1.35倍的内部疲劳极限。 ( @" T5 v& J6 h. C2 l, v
表面喷丸强化是提高紧固件抗疲劳断裂的应力腐蚀、氢脆断裂的一种行之有效的表面强化工艺。弹丸有铸钢丸、玻璃丸、陶瓷丸等,被强化紧固件表面粗糙度0.65~2μm,可达到的表面粗糙度0.63~2.5μm,工件的使用可靠性、耐久性均可获得明显的改善和提高。
' H( |4 y+ V3 O2 c( u+ u. r 喷丸强化后不同材料的强度比值
7 q, o* G% i+ T7 K 材料牌号喷丸前Rm/MPa喷丸后Rm/MPa比值
9 Q. ~- Y+ ?/ m; L) y 40Cr 1060 1140 1.08
+ n5 j3 W' } j0 ?) B- ~ ML35 895 1105 1.23
" i k2 u) Q) D0 k' X1 f$ m SWRCH 22A 980 1135 1.16
+ `# Z1 d" e$ b( T; [6 ?- r SCM435 1075 1150 1.07
# s1 A: x' }+ q0 F2 M [( S 10# 305 410 1.34 2 |, A1 F9 l) [3 u- K
喷丸强化设备主要有两种结构形式,气动式与机械离心式。
! L, G4 a8 s$ w! p% `6 P5 S; { 气动式喷丸机适用品种繁多且每种产量较少的产品,需用玻璃丸或陶瓷丸进行低强度喷丸处理。
; H& C5 d) k7 }) Z2 R8 f. o0 n: n 机械离心式适用大批量产品,品种较少,采用铸钢丸高喷丸强度进行。
' m8 |6 s8 d* \! r 根据至今生产中已经广泛应用的成熟经验,对Rm≥1000MPa的高强度紧固件尤其适宜。对头杆结合部位和光杆部份进行适宜的喷丸强化处理,能够有效地改善和提高该部份的疲劳和应力腐蚀断裂抗力。 , T# r! P: e4 a# l* K2 K
喷丸强化后表面硬度可以提高40~80HV 0.3,对于10.9、11T级高强度螺栓当硬度控制在330~350HV 0.3时,通过喷丸强化后表面硬度可以提高至370~410HV 0.3,表面的硬度显著提高是受到高的残余压应力,加工硬化综合作用的结果。
% t& B& L! D& I& l2 Z1 s3 Q. W8 } 最后通过表面化学转化,材料表面的钝化、氧化和磷化技术,进一步提高紧固件耐蚀性,以提高紧固件制造工艺水平,减少环境污染,这将是今后若干时期的发展方向。 |
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