喷丸强化的机理

在结构【zài jié gòu】设计合理的前提下，各种零部件的使用寿命主要【mìng zhǔ yào】取决于【qǔ jué yú】它的疲【tā de pí】劳强度。而零部【ér líng bù】件疲劳断裂【láo duàn liè】（高周或【gāo zhōu huò】低周疲劳）的疲劳【de pí láo】源绝大多数情况下萌生于表面。因此，金属材料或零件的疲劳【de pí láo】断裂【duàn liè】抗力【kàng lì】（Fatigue fracture resistance）首先取【shǒu xiān qǔ】决于表面状态。表面喷丸强化就是目【jiù shì mù】前行之有效、应用广泛的表面处理【miàn chù lǐ】方法。

喷丸后零件表【líng jiàn biǎo】面状态【miàn zhuàng tài】对强化的作用【de zuò yòng】应该从以下三方面考量：

第①，宏观的表面纹理和粗糙度（Surface roughness）。表征表【biǎo zhēng biǎo】面粗糙度的参【dù de cān】量【liàng】Ra值越大，则材料【zé cái liào】/零件的疲劳断【pí láo duàn】裂抗力越低；在Ra值较大的情况【de qíng kuàng】下，其纹理【qí wén lǐ】方向性【fāng xiàng xìng】越强、纹理方【wén lǐ fāng】向与受【xiàng yǔ shòu】力方向夹角越大，则材料【zé cái liào】/零件的疲劳断【pí láo duàn】裂抗力亦越低。

第②，表面的【biǎo miàn de】微观组【wēi guān zǔ】织结构【zhī jié gòu】（Microstructure）。在【zài】喷射丸粒的密集撞【mì jí zhuàng】击作用下【xià】，表面的【biǎo miàn de】微观组【wēi guān zǔ】织结构【zhī jié gòu】必然发生剧烈变【biàn】化，使之与材料内【cái liào nèi】部不同。这里包括晶格滑移【huá yí】、点阵畸【diǎn zhèn jī】变【biàn】、位错增生、位错包的形成，甚至还可能包【kě néng bāo】括相变【biàn】（例如残余奥氏体因形变【biàn】而转变【biàn】为马氏体），还可能引起表层的合金元素【jīn yuán sù】贫化（Delution of alloying element）或外部【huò wài bù】元素的渗入【shèn rù】（Penetration of external）等等【děng děng】。在【zài】X射线衍射分析【shè fèn xī】中【zhōng】，晶体滑【jīng tǐ huá】移、点阵畸【diǎn zhèn jī】变【biàn】、位错增生均会引起衍射峰的宽化和弥射化，表征这一现象【yī xiàn xiàng】的参数是衍射【shì yǎn shè】峰半高宽B。研究表明，微观组【wēi guān zǔ】织结构【zhī jié gòu】的变化【de biàn huà】对材料或零件的疲劳【de pí láo】断裂抗【duàn liè kàng】力有着显着的影响【yǐng xiǎng】。

第【dì】③，表面塑【biǎo miàn sù】性变形【xìng biàn xíng】（Plastic deformed structure）导致表【dǎo zhì biǎo】层晶格【céng jīng gé】发生统【fā shēng tǒng】计的倾向性弹性应变，从而产生宏观内应力，即残余应力（Residual stress）。在X射线衍射分析中，残余应力会引起衍射峰的偏【fēng de piān】移。研究表明，在大部【zài dà bù】分情况【fèn qíng kuàng】下，适当的残余压应力是提高零件疲劳强度的【qiáng dù de】主要因素【sù】，而它的大小和沿层深【yán céng shēn】分布状【fèn bù zhuàng】况【kuàng】，对材料或零件的疲劳断裂抗力有决定性的影响【yǐng xiǎng】。

因此【yīn cǐ】，对喷丸【duì pēn wán】强化的材料和零部件进行X射线衍射分析，测定残余应力【yú yīng lì】及其沿层深的分布【fèn bù】，同时读取半高【qǔ bàn gāo】宽B的变化，是检验【shì jiǎn yàn】、评价和分析喷丸强化【wán qiáng huà】工艺效果不可或缺的手段【shǒu duàn】、

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。

当一束具有一定波长【bō zhǎng】λ的【de】X射线照射到多晶体上【jīng tǐ shàng】时，会在一定的【de】角【jiǎo】度【dù】2θ上接收到反射【dào fǎn shè】的【de】X射线强度极大【dù jí dà】值（即所谓衍射峰），这便是【zhè biàn shì】X射线衍【shè xiàn yǎn】射现象（如图3所示）。X射线的【de】波长【bō zhǎng】λ、衍射镜面间距d和衍射【hé yǎn shè】角【jiǎo】2λ之间遵从注明的【de】布拉格定律：

2d  Sinθ = n λ（n = 1,2,3...）

在已知【zài yǐ zhī】X射线波长【zhǎng】λ的条件下，布拉格【bù lā gé】定律把【dìng lǜ bǎ】宏观上可以测量的衍射角2θ与微观【yǔ wēi guān】的晶面【de jīng miàn】间距d建立起确定的关系。

X射线应力测定基本的【jī běn de】思路是把与宏【bǎ yǔ hóng】观应力σ对应的【de】宏观应【hóng guān yīng】变【biàn】ε看成是相应范【xiàng yīng fàn】围内晶格应变【biàn】的【de】统计效应【xiào yīng】；而晶格应变【biàn】即晶面间距d的【de】相对变【biàn】化Δd/d，可以根【kě yǐ gēn】据布拉格定律，通过衍【tōng guò yǎn】射实验求出。这是俄国学者【guó xué zhě】阿克先诺夫（Akcehob）于1929年提出【nián tí chū】的【de】。又经历了三四十年，德国学【dé guó xué】者【zhě】E·马赫劳赫（E.Macherauch）提出sin2ψ法，才把这一思路变【biàn】成成熟的【shú de】、可操作【kě cāo zuò】的【de】测试方法。

对于晶粒细小，无织构的多晶材料，在一束【zài yī shù】X射线照射范围【shè fàn wéi】里会有许许多【xǔ xǔ duō】多晶粒，它们的结晶学方向是充分紊乱的【luàn de】，所选的【suǒ xuǎn de】的（hkl）晶面处于空间任何方【rèn hé fāng】向的机会均等；但是在【dàn shì zài】材料中存在应【cún zài yīng】力σ的情况下，处于不【chù yú bú】同方向的（hkl）晶面，其晶面间距d会有所变化【biàn huà】；如果在不同方【bú tóng fāng】向上作得的衍射角2θ也会随【yě huì suí】之而变。令衍射【lìng yǎn shè】晶面法线与试样表面【yàng biǎo miàn】法线之【fǎ xiàn zhī】夹角为ψ，根据弹【gēn jù dàn】性理论【xìng lǐ lùn】和布拉格定律，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σ为应力【wéi yīng lì】值，K为应力【wéi yīng lì】常数【cháng shù】，2θ为对【duì】应于各ψ角的衍射角测量值【liàng zhí】，M即2θ对【duì】sin2ψ

的变化【de biàn huà】斜率（如图4所示），由布拉【yóu bù lā】格定律可知它反映的就是晶【jiù shì jīng】面间距d随衍射晶面方位角ψ的变化【de biàn huà】趋势和急缓程度【dù】。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【suí zhī jiǎn】小，显然是压应力【yā yīng lì】。

这样看来，X射线应【shè xiàn yīng】力测定【lì cè dìng】的实质任务就是选定若干个ψ角，测定它【cè dìng tā】所对应【suǒ duì yīng】的衍射角2θ，然后计算2θ对sin2ψ的斜率【de xié lǜ】M，再乘以【zài chéng yǐ】应力常数K即应力值【zhí】σ。

2.X-350A型X射线应力测定【lì cè dìng】仪的功【yí de gōng】能特点

3.X射线应力测定方法分为同倾法和侧倾法，侧倾法比同倾法具有无可比拟的优越性【yuè xìng】；从另一角度分【jiǎo dù fèn】类又分为固定【wéi gù dìng】ψ0 法和固定ψ法，后者又【hòu zhě yòu】因原理准确实【zhǔn què shí】用效果好而优于【yú】前者。更具魅【gèng jù mèi】力的是将此二优结合起来，即在侧【jí zài cè】倾的条【qīng de tiáo】件下实施固定【shī gù dìng】ψ法便会产生喜人的新特点——吸收因子恒等【zǐ héng děng】于【yú】1。这就是说【shuō】，不论衍射峰是【shè fēng shì】否漫散【fǒu màn sàn】，它的背底都不会倾斜，峰形基【fēng xíng jī】本对称，而且在无织构的情况【de qíng kuàng】下峰形及强度【jí qiáng dù】不随【bú suí】ψ角的改变而变【biàn ér biàn】化（如图【rú tú】5所示）。显然这个特点对提高测量精【cè liàng jīng】度是十分有利的。所以行家们一【jiā men yī】致认为侧倾固【cè qīng gù】定ψ法是理想的测量方法【liàng fāng fǎ】。

X-350A型X射线应【shè xiàn yīng】力测定仪【yí】（图【tú】6），以θ-θ扫描ψ测角仪【yí】为主要【wéi zhǔ yào】特征，完美地实现侧倾固定【qīng gù dìng】ψ法，其功能【qí gōng néng】特点如下：

（1）X-350A型仪器的【de】测角仪以其【yí yǐ qí】独特的【de】构思和【gòu sī hé】巧妙的【de】设计，使【shǐ】得在2θ平面上的【de】X光管和【guāng guǎn hé】探测器同时等速相对而行，严格满足固定ψ法的几【fǎ de jǐ】何要素；另外又使【shǐ】2θ平面与【píng miàn yǔ】ψ平面相互独立并始终处于相【chù yú xiàng】互垂直【hù chuí zhí】状态【zhuàng tài】，这样便【zhè yàng biàn】准确无误地实现了侧倾固定ψ法，同时保【tóng shí bǎo】持结构简洁灵活轻便的【de】特点。

（2）2θ扫描范围【wéi】：120°—170°，测定应力既可利用高衍射角又可利用低衍射角。这样，除适用于铁素体型钢【tǐ xíng gāng】和铸铁【hé zhù tiě】材料之外，还为奥【hái wéi ào】氏体不【shì tǐ bú】锈钢、铝合金【lǚ hé jīn】、钛合金、铜合金【tóng hé jīn】以及高温合金【wēn hé jīn】、硬质合金等材【jīn děng cái】料的应力测定带来方便并可提高测【tí gāo cè】量精度、侧倾固定ψ法另一【fǎ lìng yī】特点是【tè diǎn shì】对于各种形状【zhǒng xíng zhuàng】的零部件有更好的适应性。

（3）该仪器测角仪【cè jiǎo yí】的衍射几何为【jǐ hé wéi】聚焦发。如图【rú tú】7所示。在【zài】X射线管和X射线探测器以θ-θ方式沿测角仪【cè jiǎo yí】圆扫描过程中【zhōng】，X光源点【guāng yuán diǎn】、试样上被照射点和探测器接【cè qì jiē】受点【shòu diǎn】，三者随时同处在【zài】一个聚焦圆上，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。聚焦法的优点是从一个点光源发射【yuán fā shè】出来的【chū lái de】X射线，照射到被测工【bèi cè gōng】件的一定区域，反射线会准确【huì zhǔn què】地聚焦到探测器的窗【qì de chuāng】口，衍射线【yǎn 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、快捷、准确【zhǔn què】。该仪器2θ扫描范围120°—170°，故而在一次扫描中可【miáo zhōng kě】以得到αFe（211）、γFe（220）两个完整的衍射峰，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【guò chéng zhōng】人为移动探测器的位【qì de wèi】置或X射线入【shè xiàn rù】设方向。而且可以针对同一测【tóng yī cè】试点取不同的φ角、ψ角进行测定【cè dìng】，以便探测织构的影响。必要时，可以做到残奥【dào cán ào】含量和残余应【cán yú yīng】力同时【lì tóng shí】测定【cè dìng】，亦即一次测量得到残奥【dào cán ào】含量和残余应【cán yú yīng】力两项数据【xiàng shù jù】。这些都是该仪【shì gāi yí】器独有的功能，对于各种实体工件具【gōng jiàn jù】有可贵【yǒu kě guì】的实用【de shí yòng】价值【jià zhí】。

（5）支架与测角仪之间装【zhī jiān zhuāng】备了针对同一测试点阻焊【zǔ hàn】φ角的连【jiǎo de lián】接机构，因此可【yīn cǐ kě】测定主应力的【yīng lì de】大小及其方向【qí fāng xiàng】，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【zhì】、校准照【xiào zhǔn zhào】射距离和垂直度，准确快【zhǔn què kuài】捷而方【jié ér fāng】便，能够明确指示测点位【cè diǎn wèi】置【zhì】和待测应力【cè yīng lì】的方向。