激光喷丸 残余应力

喷丸是一种常用的表面处理方法，通过高速喷射流体或颗粒物料来清除零件表面的杂质和氧化物，并改善其表面质量。

然而，喷丸过程会产生残余应力，这可能对零件的性能和可靠性产生影响。

喷丸过程中产生的残余应力主要有以下几个方面的原因：1.喷丸介质的冲击作用：当喷丸介质以高速撞击零件表面时，会引起局部塑性变形和应力集中，从而在表面和近表面形成压缩应力区域。

2.温度梯度引起的热应力：喷丸过程中，由于撞击物料与零件表面的摩擦产生热量，导致局部温度升高和温度梯度的形成。

不同部位的温度变化会引起热应力，导致残余应力的产生。

3.喷丸介质的化学反应：某些喷丸介质（如钢球、铝颗粒）与零件表面的化学反应可能导致局部膨胀或收缩，从而产生残余应力。

4.喷丸过程的工艺参数：喷丸过程中的操作参数，如喷丸速度、喷丸角度、介质流量等，会对残余应力产生影响。

不同的参数组合可能导致不同的残余应力状态。

5.在实际应用中，残余应力对零件性能和可靠性的影响因多种因素而异。

一方面，适当的残余压缩应力可以提高零件的抗疲劳性能和耐腐蚀性能。

另一方面，如果残余应力超过材料的承载能力或者存在较大的应力集中区域，可能导致材料的开裂、变形或失效。

为了控制和管理喷丸后零件的残余应力，可以采取以下措施：1.优化喷丸工艺参数：根据具体情况，调整喷丸速度、喷丸角度、介质流量等工艺参数，以最小化残余应力的产生。

2.选择适当的喷丸介质：根据零件的材料特性和要求，选择适合的喷丸介质，避免可能引起不利残余应力的介质。

3.控制喷丸过程中的温度变化：通过适当的冷却措施或调整喷丸速度，减少温度梯度和热应力的产生。

4.进行残余应力测试：使用合适的测量方法（如X射线衍射、光栅法等），对喷丸后的零件进行残余应力测试，及时评估和监测残余应力的状态。

5.合理设计和工艺规范：在设计和制造过程中，考虑到喷丸处理可能引起的残余应力，合理设计零件形状、厚度和结构，并根据实际情况制定相应的工艺规范。

科技视界Science & Technology Vision63 ◼引言喷丸强化技术是利用大量高速运动的弹丸撞击金属材料的表面，使其表面发生弹塑性变形，进而产生残余应力场，从而提高材料的疲劳特性，这是一种十分有效且适用范围广泛的表面处理技术[1]。

大量的弹丸以特定的速度和角度撞击零件的表面，零件表面在充分吸收弹丸的能量之后，发生一系列的弹性和塑性变形。

弹丸撞击材料表面时，材料表面的金属围绕弹坑向四周延展，当延展超过材料的屈服极限时，便发生塑性变形，在材料表层产生残余压应力[2-3]。

当大量的弹丸重复、长时间地撞击零件的表面，零件的表面不断发生弹塑性变形，从而在零件的表面形成残余应力场合形变层。

形变层内发生晶粒细化、出现亚晶、显微畸变增大和位错增殖等 组织结构的变化，使组织得到强化[4]。

如图1所示。

采煤机行走轮机构是采煤机牵引部的执行机构，它起到支承采煤机的总重的作用和运输机的销排啮合使采煤机行走的作用。

行走轮一旦出现故障将致使采煤机停止工作，18Cr2Ni4WA 钢是制造采煤机行走轮的材料，其疲劳强度和疲劳寿命对采煤机行走轮的使用寿命和采煤效率影响很大[5]。

 ◼1 行走轮试样制备和试验方法本文采用的材料是采煤机行走轮常用的合金钢材料作者简介：卢运鹏，硕士，助理研究员，主要从事采煤机设计开发。

喷丸工艺对采煤机行走轮材料残余应力 和硬度分布的影响 "卢运鹏1,2（1.中煤科工集团上海有限公司，上海 200030；2.天地上海采掘装备科技有限公司，上海 201400）摘要：文章以采煤机行走轮材料18Cr2Ni4WA 钢为样本，研究了喷丸工艺参数对采煤机行走轮材料残余应力和硬度分布的影响规律，喷丸强化能够极大地提高行走轮材料的残余压应力，促使残余奥氏体向马氏体发生转变，增加材料的显微硬度，为喷丸工艺可以延长采煤机行走轮的使用寿命提供了实验依据。

关键词：喷丸工艺；行走轮；残余应力；硬度图1 喷丸强化机制64科技视界Science & Technology Vision18Cr2Ni4WA ，材料做成50 mm ×25 mm ×15 mm 的长方体试样，在喷丸处理前进行渗碳淬火处理，其前期处理后的效果如下：硬化层深度2.1～2.5 mm ；表面硬度56～62 HR 。

喷丸强化残余应力对疲劳性能和变形控制影响研究进展摘要：喷丸强化是一种机械表面强化技术，使用喷丸强化技术能够让机械零件的表层出现形变硬化，减少疲劳应力引发的微小裂纹以及裂纹的扩大，可以引入较高的残余压应力，这样能够将机械零件的抵抗疲劳断裂和抗应力腐蚀开裂的能力提高。

同时，喷丸强化残余应力在机械零件的变形控制方面有较大的影响，合理的残余应力可以提升变形控制能力，降低零件制作的变形率。

因此，本文对喷丸强化残余应力对疲劳性能和变形控制的影响进行分析，希望为相关人员提供参考。

关键词：疲劳性能；变性控制；影响；喷丸引言喷丸是一门普遍应用且成效突出的金属零构件表面冷加工方法,其具有多种功能分别为表面清理、成形、校形、机械强化，能够增加飞机、舰艇、车辆设备中齿轮、轴承、弹簧、涡轮盘等各类机械零件的使用期间的防锈能力。

通过喷丸强化处理使工件表面进行形变硬化,并引入更多的残余压应力使得表面组织结构更加细化,从而降低疲劳应力影响下表面微裂纹的产生，并及时有效控制微小裂纹的扩大,以便于增强机械零部件的耐疲劳断裂能力和耐残余应力侵蚀破裂的能力。

喷丸工艺主要是通过小弹丸的喷射撞击工件表面,使在一定温度下形成韧性和塑性变形,从而产生理想的微观结构和残余应力分布,以增加其硬度和表面的耐应力侵蚀能力。

通常塑性变形的层厚在0.1~0.8mm左右,具体取决于所选工艺参数。

在喷丸强化过程中,喷丸强度越大,获得的残余压应力越大且残余压应力层越深,同时带来的宏观变形也就越大。

一、喷丸强化的工艺原理及用途（一）喷丸强化的工艺原理喷丸强化是一种金属材料冷处理过程,使用无数小圆形的钢丸不断捶击金属材料零部件表层。

每粒钢丸在敲打的金属材料零部件上,就犹如用一只小型的棒子捶击金属表面一般,在工件表层出现小压痕或塌陷。

而由于造成的塌陷,在金属材料表层上必定会发生热拉伸。

表层下缩小的晶粒力使表层恢复到原有形态,由此构成一种在较高压缩力影响下的半球,并由此与大量凹陷叠加组成均匀分布的残余高压应力层。

摘要激光喷丸强化技术是一种有效的金属疲劳解决方案，是具有很多优越性的全新的金属表面强化技术。

与常规喷丸类似，也是通过在金属表面引入残余压应力而增强金属零件的抗疲劳性能。

不同的是，激光喷丸是利用高能脉冲激光在零件表面诱导产生冲击波，冲击波作用于金属表面产生机械“冷作”作用产生塑性变形引入残余压应力，而残余压应力增强了零件材料对表面相关破坏的抵抗能力。

本文对304不锈钢试样分别进行激光喷丸与机械喷丸处理，对处理结果分析表明通过激光喷丸处理，表层晶粒得到了细化，但没有产生明显的马氏体相变，随着喷丸能量密度增大，应力腐蚀敏感性减小；而通过机械喷丸处理的试样，晶粒细化的同时诱发了明显的马氏体相变，随着喷丸压力升高，应力腐蚀敏感性呈现先减小后增大的变化趋势。

关键词：激光喷丸强化技术，机械喷丸技术，马氏体相变，应力腐蚀目录1绪论 (3)1.1激光喷丸强化技术的研究背景 (3)1.2激光喷丸强化技术的研究现状 (4)2 传统喷丸强化技术 (6)2.1机械喷丸强化技术 (6)2.2超声喷丸强化技术 (7)3激光喷丸强化技术 (8)3.1激光强化技术技术原理 (8)3.2激光强化技术实验研究 (9)3.3激光强化技术实验结论 (11)4激光喷丸强化技术适用范围 (12)参考文献 (13)1绪论1.1激光喷丸强化技术的研究背景在实际的工程应用中，尤其是在机械工程和航空航天等领域应用的机械产品和装备中，其关键零部件通常受到热、力等交变载荷的作用，常常发生磨损、断裂和疲劳破坏，导致产品在有效寿命期内过早报废。

疲劳破坏作为一个逐渐发展的过程，通常包括裂纹形成、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展三个阶段。

完整的疲劳过程分析，既要研究裂纹的萌生，也要研究裂纹的扩展，但对于某些在制造或使用过程中已不可避免地引入了裂纹或类裂纹缺陷的构件，则主要考虑如何采用延寿工艺控制其裂纹扩展，提高疲劳寿命。

为有效提高结构件的抗疲劳失效的能力，目前国内外学者主要开展了两个方面的工作：一方面，致力于提升零部件表面性能的先进制造方法研究，如热处理、深冷处理、电磁热处理、复合材料胶补、激光改性等方法已逐渐应用于零件表面改性和延寿；另一方面，针对疲劳裂纹断裂机制和寿命预测模型开展了探索研究，目标是建立科学的设计理念和安全准则。

TB6钛合金激光喷丸与机械喷丸残余应力场有限元模拟胡正云;李满福;谢兰生【摘要】利用有限元软件建立了TB6钛合金激光喷丸以及机械喷丸的三维数值分析模型,研究了不同工艺参数对残余应力场的影响;对比了两种喷丸工艺所形成的应力波和各自的衰减规律;研究了两种喷丸工艺的复合强化工艺对残余应力场的影响.结果表明:激光喷丸形成的平面波造成较深的应力影响层,深度可达1.5mm;机械喷丸形成的球面波产生较大的残余应力,最大残余压应力可以达到屈服强度的1.1倍.塑性应变越大残余应力越大,塑性应变层与残余应力影响层深度相近;在两者复合强化工艺中,残余应力影响层深度与激光喷丸的相近,最大残余压应力可达屈服强度的1.2倍.%Two 3D finite element models for laser shock peening(LSP) and shot peening(SP) were established.To indicate the effects of the process parameters,and the composite processing,and the stress wave decay laws,the tests were carried out.The results show that the plane wave induced by LSP forms deeper stress affected layer with the depth reaching 1.5 mm ; the spherical waves induced by SP form a larger residual stress with the maximum reaching 1.1 times of the yield strength.The greater plastic strain causes the greater of residual stress,the depth of strain and the depth of residual stress affected layer were similar.In the composite process,the depth of residual stress affected layer was close to that of LSP,and the maximum residual stress reaches 1.2 times of the yield strength.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2013(033)004【总页数】6页(P37-42)【关键词】激光喷丸;机械喷丸;有限元模拟;应力波;残余应力场【作者】胡正云;李满福;谢兰生【作者单位】南京航空航天大学机电学院,南京210016;中国直升机设计研究院,江西景德镇333001;南京航空航天大学机电学院,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+3;V252.1激光喷丸，又称激光冲击强化(Laser Shock Peening，LSP)是一项新的表面处理技术。

激光喷丸残余应力
激光喷丸是一种被广泛应用于表面处理和改善材料性能的技术。

激光喷丸可通过向材料表面喷射高能量激光束来改变其表面形貌和
化学组成，从而提高其表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性和疲劳寿命等性能。

此外，激光喷丸还能够产生残余应力，从而进一步增强材料的强度和耐久性。

残余应力是指材料表面或内部存在的一种内部应力，它与材料的力学性质有关。

激光喷丸可以通过改变材料表面形貌和化学组成来引入残余应力，从而提高材料的力学强度和硬度。

残余应力可以分为压应力和拉应力两种形式，具体取决于喷丸参数和材料类型。

激光喷丸产生的残余应力可以对材料的性能产生重要影响。

例如，在金属表面喷射激光时，产生的残余应力可以增加金属的强度、硬度和耐磨性，使其更加耐久。

另外，残余应力还可以减少材料的疲劳寿命和蠕变速率，提高其使用寿命。

总的来说，激光喷丸是一种非常有效的材料表面处理技术，能够通过产生残余应力来提高材料的强度、硬度和耐久性。

因此，激光喷丸技术在工业、航空航天、汽车和医疗等领域得到了广泛应用。

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