1喷丸强化处理的原理
喷丸处理又称喷丸强化处理，它是利用高速运动的弹丸向材料（零件）表面喷射，使被处理表层产生循环塑性应变层（此塑性变形层深度通常为0.1-0.8mm），由此导致该层的显微组织发生有利的变化并使表层引入残余压应力场。合理地利用表面塑性变形层内的残余压应力场（应力强化）和变形层微观组织的变化（组织强化），可以改善金属材料对疲劳断裂、应力腐蚀及延迟断裂（氢脆）的抗力。
喷丸处理的原理如图1所示。喷丸是以高速弹丸流不断喷射弹簧表面，使弹簧表层发生多次塑性变形，而形成了一定厚度的表面强化层（图1a）。从应力状态来看，强化层内形成了较高的剩余压应力（图1b）。由于材料表面剩余压应力的存在，当弹簧在承受变载荷时，可以抵消一部分变载荷作用下的最大拉应力，从而提高弹簧的疲劳强度。从组织结?构看，强化层内形成了密度极高的位错（图1c），在随后的交变应力、温度或两者同时的作用下，位错逐渐排列规则，形成多边形，即强化层内逐渐形成更加微小的亚晶粒（亚结构）（图1d）。这种表面层冷作硬化的结果，同样也具有增加抗疲劳强度的作用。
图1喷丸处理原理在喷丸强化机制方面，我国学者做了大量、深入的研究工作。王仁智提出了“喷丸过程中，金属表面层形变的本质为循环应变疲劳过程”的观点，这一观点得到了国内外专家的赞同；通过对高温疲劳强度与表面强化之间关系的研究，指出喷丸强化机制中的“应力强化”和“组织强化”是两个最基本的强化因素；并分析了残余应力场对疲劳短裂纹行为的影响，提出了最佳残余压应力场的概念。
2喷丸强化处理的作用和效果
在现代机械设备中，凡是在工作中易发生疲劳和应力腐蚀断裂、氧化和点蚀等现象的机械零件均可以采用喷丸强化来改善其表面的力学性能。喷丸处理主要是起到强化作用进而能改善材料（零件）的各种性能，但是也会带来对表面的一些损伤。根据研究结果和实用经验，喷丸强化处理的作用和效果有以下几个方面。
（1）抗疲劳强度的提高提高零件抗疲劳强度是喷丸强化处理的主要目的，对于经受交变载荷的零件喷丸强化是重要的改进手段。喷丸处理对于提高工件疲劳寿命的效果是很显著的。
在汽车工业中，变速箱齿轮经喷丸强化后，其承载能力（扭矩）可增加30％；曲轴和板簧喷丸强化后，其疲劳寿命可延长数倍。喷丸强化也可以有效地改善焊接件的抗疲劳性能。高温合金GH涡轮盘车削表面经放电加工后抗疲劳强度降低20％～60％，而经喷丸强化后能恢复并超过材料原始抗疲劳强度。在航空发动机、燃气轮机的制造中，许多重要零件（包括钛合金和高温合金零件）均需进行喷丸强化处理。
（2）防止应力腐蚀开裂（简称SCC）应力腐蚀的特征就是在仅有拉应力或者仅有腐蚀存在时都不会发生开裂，而当两者同时起作用时断裂就会发生。防止SCC的对策除了针对环境及材料方面措施以外从应力方面考虑的对策就是如何降低或消除材料表面的拉应力，从残余应力方面来考虑去应力热处理和喷丸都是可行的方法。喷丸处理虽然只有表面的薄层起作用，但因为腐蚀和裂纹生成都是从表面开始的，所以喷丸处理对于防止SCC的发生有显著的效果。
（3）防止延迟断裂延迟断裂是指由于腐蚀而发生的氢在钢的晶界聚集而产生沿晶裂纹并传播扩展直至断裂，断裂的产生原因就是在常温下可以向附近扩散的氢（扩散性氢），也就是钢中原有的氢与因腐蚀而产生的氢向应力集中的晶界聚集，在晶界处发生裂纹并沿晶界传播而产生断裂。试验表明对于易发生延迟断裂的淬火回火处理后的高强度钢与合金渗碳钢，喷丸处理可以提高其延迟断裂强度极限，延迟其裂纹发生而延长寿命。
（4）对表面粗糙度的损伤喷丸时随加工时间的增加，加工面会逐渐被压痕所覆盖，直到原有的表面完全被喷丸后的表面所代替，而喷丸后的表面与原有的加工或磨削表面是有显著差别的，这就引起喷丸所产生的各种各样的效果。
一般喷丸后材料表面粗糙度是增加的，其损害程度与喷丸强度、丸粒大小、投射速度以及丸粒的硬度与被加工材料的硬度等各种因素有关。
因为材料（零件）的疲劳强度随表面粗糙度的增加而有下降的（图2），试验表明材料的硬度越高其疲劳强度下降越明显。?
图2疲劳强度与表面粗糙度的关系（5）对材料表面组织结构的损伤正确合理的喷丸处理对材料表面微观组织的强化是有利的，但是当喷丸处理不良时例如过度喷丸就会给表面组织带来损伤，即表面材料的折叠缺陷与过度的循环应变疲劳造成的微裂纹。
（6）其他效果喷丸加工的效果还有因润滑性的改善而带来耐磨性的提高、热传导率的增加以及不锈钢耐蚀性的提高等，但还有进一步试验研究必要。
3喷丸效果的衡量
关于弹簧喷丸的术语的定义以及技术要求与试验和检验方法在国家标准GB／T.1-《弹簧喷丸》第一部分通则中都有规定，可参照进行。这里简要介绍几个主要的用来控制与衡量弹簧喷丸效果的试验与检验项目。
（1）喷丸强度喷丸强度取决于在单位时间内作用于工件单位面积上的动能，由在饱和点处的阿尔曼试片弧高来评定。喷丸强度是衡量喷丸处理强化效果最重要的参数，在弹簧喷丸的技术要求中是必不可少的控制指标。
阿尔曼试片以及弧高度的测量方法在相关标准中有详细描述。
注意喷丸强度是在喷丸时间已达到饱和的前提下测得的弧高度来表示的，图3是弧高度曲线和确定喷丸强度的关系。
图3弧高度曲线和喷丸强度的关系（2）喷丸覆盖率是指喷丸形成的弹痕面积与总测量面积的比率。一般情况下可用标准图片对比的方法用目视法确定覆盖率的百分比，也可以用覆盖率的检测仪器（现在市场上已有覆盖率的视频检测仪出售）。
（3）残余应力去除外力和热影响以后保留在材料上的内应力。喷丸处理的应力强化效果主要涉及喷丸后弹簧表面残余应力场的深度及其形态。推荐采用X射线应力测试仪，用逐步电解侵蚀剥层法可以测定出喷丸强化层的残余应力场，图4所示是喷丸强度不同时的残余应力分布曲线。
图4喷丸强度不同时的残余应力分布曲线现在有的对疲劳性能要求较高的弹簧产品标准中对喷丸后的表面残余压应力指标有规定（如中国弹簧专业协会编写的CSSA-＜汽车悬架用螺旋弹簧技术标准＞）。一般情况下喷丸强化处理后表面残余应力的控制参数有三个：①表面残余压应力；②次表面最大残余压应力；③表面残余压应力层的深度。
（4）显微硬度喷丸处理表面层的组织强化实际包括微观结构的变化和相应的力学性能的变化。组织强化的度量参数包括显微畸变量、嵌镶块尺寸、位错密度等；力学性能的变化包括显微硬度，甚至包括表面层宏观力学指标，如屈服强度等。实际比较容易测试的是显微硬度（用小负荷，50g以下较好），在工艺验证或研究时进行喷丸表面的硬度梯度试验来获得表面组织强化的效果数据。
（5）表面粗糙度可以在喷丸后测量弹簧的表面粗糙度，一般弹簧产品的技术标准中还没有弹簧表面粗糙度的规定，但是有些有高可靠性要求的高端弹簧已有提出，如中国弹簧专业协会的CSSA-＜汽车悬架用螺旋弹簧技术标准＞中有规定，对设计最大剪应力≥MPa的弹簧要求表面轮廓算术平均偏差Ra值≤50μm0μm、设计最大剪应力≥MPa的Ra≤25μm1。关于粗糙度参数Ra的定义与测量方法请参照国标GB／T.3-《表面粗糙度比较样块第3部分》。
（6）喷丸强化层的显微组织喷丸处理表面层的组织强化包括微观结构的变化和相应的力学性能的变化。组织强化的度量参数包括显微畸变量、嵌镶块尺寸、位错密度等，这些参数在研究喷丸强化工艺时需要通过电子金相技术手段进行分析。在生产现场作为衡量弹簧喷丸效果的试验方法，常规的光学金相试验也是十分重要的。对于喷丸层的组织而言，表面的变形组织，包括深度有限的由喷丸形成的折叠都是正常的，但是因喷丸过度而造成的微裂纹则反而会促使表面疲劳裂纹的早期形成而工件的降低疲劳寿命，这是需要注意的。
4喷丸处理要素和工艺方法
喷丸强化处理的要素有三个，即喷丸介质即丸粒、喷丸设备以及喷丸工艺。
（1）弹丸喷丸效果与弹丸的材料、硬度、尺寸、形状、速度和密度及抛丸持续时间、碰撞角度等有关。弹丸是由金属、玻璃或陶瓷制成的球形或近似球形的硬颗粒。弹丸一般分为四种，即钢丝切丸、铸钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。
钢丝切丸是弹簧喷丸处理中最常用的一种弹丸，一般使用冷拔钢丝经切割、钝化加工制成的丸粒。为避免喷丸对弹簧表面产生损伤，可根据实际情况对丸粒进行抛圆（钝化）处理，根据抛圆程度不同可分为4种类型（图5）：
图5钢丝切弹丸的类型、规格和硬度可根据弹簧的类型与尺寸（如钢丝直径）以及材料强度进行选择，以避免喷丸处理效果不佳或对弹簧产生过喷变形至表面形成有害缺陷。为确保喷丸处理弹丸类型的质量，要对喷丸介质的材质、形状尺寸（过筛率）与硬度进行检验与控制。
（2）喷丸设备喷丸设备是正确实施弹簧喷丸处理的最基本的要素。
常用的喷丸机有气喷式和离心式两种。气喷式喷丸机是利用压缩空气将弹丸喷出，它需要压缩空气，动能消耗大，由于压缩空气中含有水蒸气，机器停用后，弹丸会黏为一团，易使抛丸装置和弹丸锈蚀，因此，气喷式抛丸机在弹簧抛丸中较少应用；离心式抛丸机的优点是动力消耗较少，速度比较稳定。弹簧在抛丸时，要不停地翻动或转动，以使弹簧各处都喷射的均匀一致。离心式抛丸机的原理简图如图6所示。常用的有滚筒式（图6a）、履带式（图6b）、回转滚道式（图6c）、吊挂旋转式等形式。一般螺旋弹簧用滚筒式、履带式和回转滚道式（或称通过式）喷丸机，而吊挂旋转式喷丸机一般应用于扭杆类或重型螺旋弹簧的喷丸处理。
图6抛丸设备原理简图a）滚筒式；b）履带式；c）回转滚道式；1-滚筒；2、6、7-抛丸头；3、5、8-工件；4-履带；9-回转滚道；10-输送带
（３）喷丸工艺喷丸处理一般在常温下进行，可分为普通喷丸、多级喷丸（不同条件的喷丸组合，如二次喷丸）和应力喷丸等，在特殊要求下也可采取加热喷丸工艺。以下分别介绍各种喷丸工艺的特点和要求：
１）普通喷丸：对于疲劳性能要求不高或工作应力较低的弹簧应进行的最常用的一种喷丸处理工艺，通常使用直径在0.2mm以上的丸粒，且喷丸强度低于0.6mmＡ。
２）多级喷丸：由一系列不同工艺条件进行喷丸所组成的喷丸方式称为多级喷丸。对于疲劳性能要求较高或工作应力较高的弹簧应进行多级喷丸。二次喷丸是最常见的多级喷丸工艺之一，它是通过两台设备经过不同丸粒和强度要求进行的喷丸组合工艺，通常第一次喷丸用较大的丸粒和较高喷丸强度，第二次用较细的丸粒和较低喷丸强度，该工艺可在引入更好残余应力的同时，提高表面质量（表面残余压应力及改善表面粗糙度）。
该工艺可在引入更好残余应力的同时，提高表面质量（表面残余压应力及改善表面粗糙度）。
3）应力喷丸：主要针对高疲劳和高应力弹簧进行的喷丸处理工艺。它是通过对弹簧施加一定载荷下进行喷丸处理的工艺，该工艺能够更好地引入残余压应力，从而提高弹簧的疲劳寿命，一般应用在钢板弹簧和悬架螺旋弹簧的生产工艺中。
除以上三种方式外，还有热喷丸、重喷丸及精细喷丸等多种方式。
