噴丸強(qiáng)化的機(jī)理

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的前提下，各種零部件的使用壽命主要取決于它的疲勞強(qiáng)度。而零部件疲勞斷裂（高周或低周疲勞）的疲勞源絕大多數(shù)情況下萌生于表面。因此，金屬材料或零件的疲勞斷裂抗力（Fatigue fracture resistance）首先取決于表面狀態(tài)。表面噴丸強(qiáng)化就是目前行之有效、應(yīng)用廣泛的表面處理方法。

噴丸后零件表面狀態(tài)對(duì)強(qiáng)化的作用應(yīng)該從以下三方面考量：

第①，宏觀的表面紋理和粗糙度（Surface roughness）。表征表面粗糙度的參量Ra值越大，則材料/零件的疲勞斷裂抗力越低；在Ra值較大的情況下，其紋理方向性越強(qiáng)、紋理方向與受力方向夾角越大，則材料/零件的疲勞斷裂抗力亦越低。

第②，表面的微觀組織結(jié)構(gòu)（Microstructure）。在噴射丸粒的密集撞擊作用下，表面的微觀組織結(jié)構(gòu)必然發(fā)生劇烈變化，使之與材料內(nèi)部不同。這里包括晶格滑移、點(diǎn)陣畸變、位錯(cuò)增生、位錯(cuò)包的形成，甚至還可能包括相變（例如殘余奧氏體因形變而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體），還可能引起表層的合金元素貧化（Delution of alloying element）或外部元素的滲入（Penetration of external）等等。在X射線(xiàn)衍射分析中，晶體滑移、點(diǎn)陣畸變、位錯(cuò)增生均會(huì)引起衍射峰的寬化和彌射化，表征這一現(xiàn)象的參數(shù)是衍射峰半高寬B。研究表明，微觀組織結(jié)構(gòu)的變化對(duì)材料或零件的疲勞斷裂抗力有著顯著的影響。

第③，表面塑性變形（Plastic deformed structure）導(dǎo)致表層晶格發(fā)生統(tǒng)計(jì)的傾向性彈性應(yīng)變，從而產(chǎn)生宏觀內(nèi)應(yīng)力，即殘余應(yīng)力（Residual stress）。在X射線(xiàn)衍射分析中，殘余應(yīng)力會(huì)引起衍射峰的偏移。研究表明，在大部分情況下，適當(dāng)?shù)臍堄鄩簯?yīng)力是提高零件疲勞強(qiáng)度的主要因素，而它的大小和沿層深分布狀況，對(duì)材料或零件的疲勞斷裂抗力有決定性的影響。

因此，對(duì)噴丸強(qiáng)化的材料和零部件進(jìn)行X射線(xiàn)衍射分析，測(cè)定殘余應(yīng)力及其沿層深的分布，同時(shí)讀取半高寬B的變化，是檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)和分析噴丸強(qiáng)化工藝效果不可或缺的手段、

1.X射線(xiàn)殘余應(yīng)力分析的原理與方法

測(cè)量原理基于X射線(xiàn)衍射理論。

當(dāng)一束具有一定波長(zhǎng)λ的X射線(xiàn)照射到多晶體上時(shí)，會(huì)在一定的角度2θ上接收到反射的X射線(xiàn)強(qiáng)度極大值（即所謂衍射峰），這便是X射線(xiàn)衍射現(xiàn)象（如圖3所示）。X射線(xiàn)的波長(zhǎng)λ、衍射鏡面間距d和衍射角2λ之間遵從注明的布拉格定律：

2d  Sinθ = n λ（n = 1,2,3...）

在已知X射線(xiàn)波長(zhǎng)λ的條件下，布拉格定律把宏觀上可以測(cè)量的衍射角2θ與微觀的晶面間距d建立起確定的關(guān)系。

X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)定基本的思路是把與宏觀應(yīng)力σ對(duì)應(yīng)的宏觀應(yīng)變?chǔ)趴闯墒窍鄳?yīng)范圍內(nèi)晶格應(yīng)變的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)；而晶格應(yīng)變即晶面間距d的相對(duì)變化Δd/d，可以根據(jù)布拉格定律，通過(guò)衍射實(shí)驗(yàn)求出。這是俄國(guó)學(xué)者阿克先諾夫（Akcehob）于1929年提出的。又經(jīng)歷了三四十年，德國(guó)學(xué)者E·馬赫勞赫（E.Macherauch）提出sin2ψ法，才把這一思路變成成熟的、可操作的測(cè)試方法。

對(duì)于晶粒細(xì)小，無(wú)織構(gòu)的多晶材料，在一束X射線(xiàn)照射范圍里會(huì)有許許多多晶粒，它們的結(jié)晶學(xué)方向是充分紊亂的，所選的的（hkl）晶面處于空間任何方向的機(jī)會(huì)均等；但是在材料中存在應(yīng)力σ的情況下，處于不同方向的（hkl）晶面，其晶面間距d會(huì)有所變化；如果在不同方向上作得的衍射角2θ也會(huì)隨之而變。令衍射晶面法線(xiàn)與試樣表面法線(xiàn)之夾角為ψ，根據(jù)彈性理論和布拉格定律，可以推導(dǎo)出：

σ = K·M

M = ?2θ/?sin2ψ

式中K為應(yīng)力常數(shù)，

K = -E/2(1+μ) · cot θ0 · π/180

式中σ為應(yīng)力值，K為應(yīng)力常數(shù)，2θ為對(duì)應(yīng)于各ψ角的衍射角測(cè)量值，M即2θ對(duì)sin2ψ

的變化斜率（如圖4所示），由布拉格定律可知它反映的就是晶面間距d隨衍射晶面方位角ψ的變化趨勢(shì)和急緩程度。在圖4中2θ隨sin2ψ增大而增大，說(shuō)明d隨之減小，顯然是壓應(yīng)力。

這樣看來(lái)，X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)定的實(shí)質(zhì)任務(wù)就是選定若干個(gè)ψ角，測(cè)定它所對(duì)應(yīng)的衍射角2θ，然后計(jì)算2θ對(duì)sin2ψ的斜率M，再乘以應(yīng)力常數(shù)K即應(yīng)力值σ。

2.X-350A型X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)定儀的功能特點(diǎn)

3.X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)定方法分為同傾法和側(cè)傾法，側(cè)傾法比同傾法具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性；從另一角度分類(lèi)又分為固定ψ0 法和固定ψ法，后者又因原理準(zhǔn)確實(shí)用效果好而優(yōu)于前者。更具魅力的是將此二優(yōu)結(jié)合起來(lái)，即在側(cè)傾的條件下實(shí)施固定ψ法便會(huì)產(chǎn)生喜人的新特點(diǎn)——吸收因子恒等于1。這就是說(shuō)，不論衍射峰是否漫散，它的背底都不會(huì)傾斜，峰形基本對(duì)稱(chēng)，而且在無(wú)織構(gòu)的情況下峰形及強(qiáng)度不隨ψ角的改變而變化（如圖5所示）。顯然這個(gè)特點(diǎn)對(duì)提高測(cè)量精度是十分有利的。所以行家們一致認(rèn)為側(cè)傾固定ψ法是理想的測(cè)量方法。

X-350A型X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)定儀（圖6），以θ-θ掃描ψ測(cè)角儀為主要特征，完美地實(shí)現(xiàn)側(cè)傾固定ψ法，其功能特點(diǎn)如下：

（1）X-350A型儀器的測(cè)角儀以其獨(dú)特的構(gòu)思和巧妙的設(shè)計(jì)，使得在2θ平面上的X光管和探測(cè)器同時(shí)等速相對(duì)而行，嚴(yán)格滿(mǎn)足固定ψ法的幾何要素；另外又使2θ平面與ψ平面相互獨(dú)立并始終處于相互垂直狀態(tài)，這樣便準(zhǔn)確無(wú)誤地實(shí)現(xiàn)了側(cè)傾固定ψ法，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔靈活輕便的特點(diǎn)。

（2）2θ掃描范圍：120°—170°，測(cè)定應(yīng)力既可利用高衍射角又可利用低衍射角。這樣，除適用于鐵素體型鋼和鑄鐵材料之外，還為奧氏體不銹鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金以及高溫合金、硬質(zhì)合金等材料的應(yīng)力測(cè)定帶來(lái)方便并可提高測(cè)量精度、側(cè)傾固定ψ法另一特點(diǎn)是對(duì)于各種形狀的零部件有更好的適應(yīng)性。

（3）該儀器測(cè)角儀的衍射幾何為聚焦發(fā)。如圖7所示。在X射線(xiàn)管和X射線(xiàn)探測(cè)器以θ-θ方式沿測(cè)角儀圓掃描過(guò)程中，X光源點(diǎn)、試樣上被照射點(diǎn)和探測(cè)器接受點(diǎn)，三者隨時(shí)同處在一個(gè)聚焦圓上，當(dāng)然，隨著掃描過(guò)程，聚焦圓的大小是逐步變化的。聚焦法的優(yōu)點(diǎn)是從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)射出來(lái)的X射線(xiàn)，照射到被測(cè)工件的一定區(qū)域，反射線(xiàn)會(huì)準(zhǔn)確地聚焦到探測(cè)器的窗口，衍射線(xiàn)能量集中，測(cè)試精度高。

（4）測(cè)定殘余奧氏體含量方便、快捷、準(zhǔn)確。該儀器2θ掃描范圍120°—170°，故而在一次掃描中可以得到αFe（211）、γFe（220）兩個(gè)完整的衍射峰，無(wú)需另外安裝延長(zhǎng)掃描范圍的附件，亦無(wú)須在測(cè)試過(guò)程中人為移動(dòng)探測(cè)器的位置或X射線(xiàn)入設(shè)方向。而且可以針對(duì)同一測(cè)試點(diǎn)取不同的φ角、ψ角進(jìn)行測(cè)定，以便探測(cè)織構(gòu)的影響。必要時(shí)，可以做到殘奧含量和殘余應(yīng)力同時(shí)測(cè)定，亦即一次測(cè)量得到殘奧含量和殘余應(yīng)力兩項(xiàng)數(shù)據(jù)。這些都是該儀器獨(dú)有的功能，對(duì)于各種實(shí)體工件具有可貴的實(shí)用價(jià)值。

（5）支架與測(cè)角儀之間裝備了針對(duì)同一測(cè)試點(diǎn)阻焊φ角的連接機(jī)構(gòu)，因此可測(cè)定主應(yīng)力的大小及其方向，并可測(cè)定剪切應(yīng)力。

（6）采用十字激光和點(diǎn)狀激光相配合構(gòu)成的激光定位器，使得確定測(cè)試點(diǎn)的位置、校準(zhǔn)照射距離和垂直度，準(zhǔn)確快捷而方便，能夠明確指示測(cè)點(diǎn)位置和待測(cè)應(yīng)力的方向。