GM连杆喷丸强化的技术探讨

GM连杆图纸规定： 锻件精压后喷丸强化， 以得到阿尔曼强度O．3～O．38A 弧高
度。
对美制GM涟杆实物的观尜和初步测试， 其喷丸质量均匀、光亮，丸坑显示均匀分
布的球冠形状， 机子运转2O多小时(这时表面残余压应力会有一定程度的释放)后， 表
面残余应力仍有一25～ 一28Kg／mill 。
所谓喷丸阿尔曼强度0．3～O．38A弧高度， 按美国SAE有关喷丸标准和我国机械
工程学会指导性技术文件 机械零件的喷丸强化工艺 (1985年3月15日发布) 喷丸
i2度是用A型Almen试片的弧高度来衡量的， 弧高度允许公差一般取规定值的3O
(单向正值)， 对0．3～O．38A即为0．3 一O。38“ A。如发现喷丸强度低于要求
时， 可进行补喷， 如高于允许极限时， 一般按 台格品处理。喷丸后的零件不得采用其
它机械方法校形。
喷丸强度不是越大越好， 而是有一个娃佳范围，在一定的喷丸强度范围内， 其表面
残余压应力和疲劳强度是随喷丸强度的增高丽增大的， 面过度的喷丸强度反而使残余压
应力下降， 表面质量恶化， 而影响疲劳寿命。尤其对于回火索氏体(我厂几种机型连杆
皆为回火索氏体)和粒状贝氏体(它们是铁索体基体上弥散地分布着第二相的组织)，
喷丸“包和度”较小，在高强度(如0．6A)下喷丸，表面已造成严重损伤。所以一般
以不超过0．4A为宜。GM连杆图纸中规定的喷丸强度范围为I A1men强度0．3～O．3R
弧高度，是很适宜的。我厂其它机型连杆喷丸强度亦可参考此数据。
有人观察到， 过度的喷丸将导致工件表面应变绂的形成， 并继而发展成沿应变线的
开裂、剥落。应变线是在金相显微镜下见到的一种白亮线， 它是局部剪切应变区， 是在
赜丸的特定条件下 高速弹丸撞击材料表面所发生的应力波与反射应力波交互作用的结
果， 是在较高应变率下材料变形后出现的一层耐腐蚀的带状物。
一
、强化喷丸与清理喷丸的区别 、
强化喷丸和清理喷丸在目的和手法上有很大不同 清理喷丸只是为了去除铸锻件表
面上的残砂、氧化皮及铁矫， 面强化喷丸则是为了产生残余压应力， 强化表面层， 以便
提高零件的疲劳强度。工艺上也有很大不同t用于清理的丸粒， 有时是要求带有尖角的
砾粒， 以提高清除表面残砂及锈蚀的效率，但用于强化的弹丸技术要求比较严格。弹丸
必须具备一定的冲击撞性， 其几何形状应接近于球形， 切忌带棱角。在喷丸机内循环使

用的弹丸总量中，符合名义尺寸的弹丸， 按重量计算， 不得少于80％， 破碎弹丸应及时
过筛去掉， 铸锕丸的化学成分应为：Oo85～1．2O％C，O．6O～ 1．20％Hn，≤O·o5％P，
≤O．o5％8，>O．40％si余量为Fe。硬度；HRc40~50。金相组织：热处理后弹丸应
具有回火马氏体组织， 碳化物呈微细颗粒弥散分布， 不得有碳化物网、其它相转变产
物、表面脱碳、夹杂、气孔及淬火裂纹等存在。
对美国钢丸的初步检验得出， 其金相组织为回火马氏体， 硬度HRc40~50,丸粒
呈球形， 粒度 0．9～O．8ram，符合SAE标准$230牌号。首钢特锕公司与辽宁铁岭生产
的国产铸钢丸，都是在 【进国外技术后研制生产的， 质量基本达到上述要求，可以采
用。
二、喷丸强度的测量方法
指导性技术文件《机械零件的喷丸强化工艺 藏美国标准SAEJ443、SAEJ442a
指出t将测量喷丸强度的专用试片用4个螺钉紧固在专用夹具上，然后将试片'兜具安装
在喷丸机内零件运动机构上，具体位置和方向虚与待喷零件喷丸关键部位所处的位置和
方向相同或条件相似， 喷丸后将试片取下， 由于弹丸的冲击， 试片表面层发生塑性流
变， 导致试片向喷射面呈球面状弯曲如图l， 切入球面的特定基准面至球面点之间

铂电撒皮捧商废
的距离，称为弧高度。具体钡4量是在弧高度量具上测量末唼面的弧高度值。试片的弧高
度是喷丸工艺参数(包括弹丸直径、弹丸速度、流量、喷丸时两、角度等)韵西数。在
其它条件固定时，起初弧高度是随喷丸时间(或喷丸次数) 的增加而增高，但随后逐渐
变缓，最后达到“鲍和”，此后弧高度与喷丸时间成线性关系。整个过程形成一l条曲
线， 即“孤高度一时间” 曲线(图2)， 曲线与外推直线的开始旃离点，称之为饱和点
(如图2的A、B点)，其纵座标值称为饱和弧高度，即喷丸强度。
标准弧高度试片， 分为N、A、C-种，A试片是最常用的试片， 适合于测量0．15A
～0．9之间的喷丸强度， 正符台GM连杆喷丸强度的测量。
三、喷丸强化提高零件疲劳强度的原理
喷丸强化是金属表面强化工艺之一， 它是利用铁丸或钢丸高速撞击零件’的工作表面
以达到强化的加工过程。由于疲劳裂纹常起源予机件的表面， 然后向纵深发展导致断

裂， 面喷丸强化恰能改变材料表层的组织结构和应力状态， 从而提高其疲劳性能。国外
已普温采用， 国内航空航天部对飞机零部件、一汽、二汽等对汽车零部件已开始采用，
达到良好效果。
喷丸强化提高疲劳强度的原因主要有两条：
(1)金属袭层组织结构的变化； 亚晶粒(嵌疆块)细化、晶格蹄变， 位错密度增
高，这三个因素都使金属表层材料的屈服强度增高，这就意味着晶体在外载作用下滑移
更加困难， 即愈不易在强化层内形成疲劳源，从而提高了零件的疲劳性能。在有徽裂纹
存在的情况下， 强化层的这种组织结构也会起到降低裂纹扩展速率的作用。此外， 喷丸
必能促使残余奥氏体分解， 转变成马氏体， 对强化表层亦是有利的。
(2)表层形成残余压应力 喷丸所引起的表层塑性压缩应变量， 通常可高达
100 ，大量的塑性流动使表层形成较高的残余压应力or， 通常认为残余应力是作为平
均虚力迭加到机件外加的交变应力上，从而降低了外载所引起的拉应力水平，延长了疲
劳裂纹成核的寿命。若外加交变应力为aa， 疲劳断裂循环数为2 Nf，残余应力引起的
均应力为口m， 则有
oa=(af 一ore)(2Nf)一‘? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ( 1)
式中，of 一疲劳强度系数，
／ 一-l 20 f 、
b-与材料有关的常数(b=?一log (— — ) )
但喷丸残余压应力并不是一个叵定值， 而是沿深度变化的， 于是也就无法给出一个
恒定的平均应力，不可能根据(1)式来计算喷丸残枭压应力对断裂循环数的影响。在
纯弯曲疲劳条件下， 则可根据被测定的残余压应力层深度t和试样直径或板厚B来估算
残余压应力对疲劳极限或硝高于疲劳极限的应力之贡献， 即
B
o 。，r ： 。。
式中，oe一一无残余应力时的弯曲疲劳极限(或稍高于该极限的应力)

oe，r--有残余应力时的弯曲疲劳极限(或稍高于该极限的应力)
各种材料的试验结果表明， 用(2)式的右算结果与实际试验结果基本一致。
统计了部分国产结构钢试样(40CrNiMoA，30MCrnSiA，18C2NiW A,50 Cr
VA)喷丸后与未喷丸比较，其疲劳极限都有不同程度的提高，提高幅度在1O％一3O％
之间。
喷丸强化还能够有效地改善有表面浅裂纹( Oo5ram)零件的疲劳强度， 因喷丸
引起的残余压应力使裂纹顶端形成压缩应力场， 这样，外载在裂纹顶端引起的拉伸应力
场只有与压缩应力场相抵消并超过材料本身的裂纹扩展界限应力强度因子幅度时，裂纹
才得以扩展。在喷丸强化层内组织结构变化的深度小于裂纹深度的条件下， 残余应力的
这一作用成了决定性因素。
另外， 表面形貌的变化对机件疲劳强度也有影响。零件喷丸后， 在其表面造成许多
丸坑， 当丸粒合格时(在使用中破碎弹丸已经分选器除去)，绝太当数丸坑为球冠状。
当破碎弹丸过多对，造成许多形状尖锐的丸坑，成了人造类裂纹，严重影响零件的疲劳
强度， 所以应切忌使用破碎弹丸或其它带尖棱角的弹丸。