浅谈一下喷丸表面的塑性延伸以及强度特性

2020-06-28141

延展性

在拉伸和压缩状态下测试的材料的延展性之间存在很大差异。作为工程师,我们通常对拉伸很熟悉,因为它易于测试和实现。但是,在压缩下测试扩展值并不容易。众所周知,大多数工程失败发生在拉伸状态而不是压缩状态。某些材料(例如灰口铸铁)在拉伸状态下非常脆,因此在压缩应变状态下使用。这主要是因为如图3所示,压缩状态下的延展性几乎是拉伸状态下的延展性的20倍。在拉伸状态下,失效发生在t点(应变约为0.0035,即0.35%)。这与压缩点C处的破坏(应变约为-0.07或7%)相反。相应的破坏强度分别约为+ 150和-900 MPa。应当注意,压缩状态下的延展性比拉伸状态下的延展性高一个数量级,这在所有金属材料中都是常见的。喷丸处理材料的表面与压缩延展性有关,而不与拉伸延展性有关。可延展性的数量级差异非常有助于解释可延展性的悖论。压缩和延伸的一个更熟悉的示例是,当达到布氏硬度时,凹坑不会在灰口铸铁和其他脆性材料上开裂。

压缩测试通常是将圆柱试样放置在压实圆柱体之间,如图4所示。压缩应力σC施加到圆柱试样的两端。样品端面与测试设备平台之间的摩擦力会限制样品横向移动,然后产生膨胀。后,裂纹将出现在膨胀的外表面上,如图4所示。由于侧面连续表面的约束,与喷丸处理一样,这种状态将得到抑制。该约束增加了所施加应力系统中的流体动力压缩分量。图5中的模型显示,当圆柱试样受到-C的压缩应力时,它受到表面材料的圆环的约束。约束环将在圆柱试样上施加压缩应力-r。

因此,我们得到了一个应力系统,可以表示为(-C + R,0,0)+(-R,-R,-R),其中(-R,-R,-R)是流体动力压缩零件。流体动力压缩是金属材料可以轧制到较大伸长率,而圆柱形试样可以挤出到较大伸长率状态的原因。喷丸处理后的表面的伸长率远大于压缩后的圆柱试样的伸长率。作者不知道在喷丸表面进行任何标准的延展性测试。

浅谈一下喷丸表面的塑性延伸以及强度特性

强度特征

喷丸处理过程中高延展性引起的冷作硬化将大大改善材料的强度特性。因此,例如,在拉伸试验中,屈服强度可以是正常拉伸试验中记录的极限拉伸强度的几倍。因此,这也意味着表面上的残余应力可能超过标称极限抗拉强度。

设计中的一个重要问题是可以在零件上施加相应的应力以防止失效。如果材料是柔性的,则失效通常由屈服强度定义。如果材料是脆性的,则失效通常由断裂强度确定。柔性材料和脆性材料在拉伸应力方面的差异如图6所示。施加拉伸应力后,柔性材料的屈服强度远低于断裂强度。随着施加的拉应力的增加,材料将首先达到屈服应力状态,因此发生屈服现象。随着大量冷加工硬化的应用,材料从屈服强度状态上升到断裂强度状态,然后发生断裂现象。对于脆性材料,断裂强度非常接近屈服强度。随着施加的压缩应力的增加,材料的屈服强度(导致冷加工硬化的发生)迅速增加至断裂强度。由于裂缝的扩展,不会发生进一步的冷作硬化。

材料结构的变化可以用来解释喷丸后材料强度和性能提高的现象。 50多年前,位错理论解释了为什么共晶材料的屈服强度远低于完美晶体材料的屈服强度的原因。同时,位错理论还解释了在观察到的应力水平下材料沿滑移面的传输。用一个粗略而生动的例子进行类比是城市交通网络中的汽车驾驶现象。如果道路上只有几辆车,那么交通非常顺畅。但是,请想象一下,如果每个“克隆”对象都经过几米的距离,它很快就会在每个路口变得非常拥挤。因此,为了使车辆继续行驶,所需的“强度”将迅速增加。当喷丸击中零件表面时,每平方厘米的位错数等于单次喷丸产生的位错数乘以100万次,即超过1万亿!换句话说,位错在微秒内“克隆”了数百万次。

喷丸表面的冷作硬化结构与书本中的晶体材料有很大不同。喷丸处理的材料的结构可以描述为“被高位错密度的子晶粒包围的高位错密度区域”。随着冷作硬化程度的增加,亚晶粒的尺寸将逐渐减小。后,当迫使位错移动的应力小于裂纹产生的应力时,材料达到断裂强度。


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