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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。 2 M' p. u& M7 C7 R# b
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:
9 i$ B( g( ^$ ^; C6 H( ~$ K 表层内形成残余压应力场;
) A1 Z6 ?' c/ K4 f. j O* ]/ b0 ? 表层材料的亚结构(亚晶粒)尺寸和点阵畸变的变化;
! N& B- b5 |/ S! e4 n `1 N+ K 塑变诱导相变; 9 n! C/ K4 l! O
塑变层内材料密度的变化。
/ `! q' l ^% w# d; C& v, u 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。 3 `) C% P# J6 k2 J- U
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。
2 s0 K! W. w7 s( i0 ~/ E 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。
3 [0 N) Q* q. w7 ] 喷丸强化后不同材料的强度比值
! M9 X3 z* Z7 {2 G 材料牌号喷丸前Rm/MPa喷丸后Rm/MPa比值
8 b* y' Z5 j# y' s: o/ U6 |" S! C 40Cr 1060 1140 1.08
( T- s7 _; O: M9 d8 e* H ML35 895 1105 1.23
8 p. A! a B) @! x. P4 ? SWRCH 22A 980 1135 1.16 % N' \& C( X6 h! l2 c0 `, D5 ?! ~5 q$ ?
SCM435 1075 1150 1.07 ' d2 w, Y# C3 g( h
10# 305 410 1.34 # S7 `& G+ o L
喷丸强化设备主要有两种结构形式,气动式与机械离心式。 ; F/ z' P3 b0 Y6 ^# D
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。
* P; y0 }: _# S5 R h/ [) F 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。 1 O+ g; B9 S: _
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。 ( `+ \9 [1 f+ }8 m7 `1 J
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。 6 Q# b- \$ d& }$ S+ E
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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