喷丸强化对车辆传动齿轮裂纹扩展影响的研究综述

疲劳断裂是重载车辆传动齿轮的主要失效形式之一,齿轮底部疲劳裂纹的扩展将缩短车辆传动系统的服役寿命,严重时会导致车辆发生安全事故。延缓裂纹扩展的主要方法是在传动齿轮的表面引入一定大小的残余压应力。喷丸技术是一种冷加工表面强化处理工艺,该技术利用高速弹丸冲击材料表面,使零件表层产生塑性应变的同时,在表面和内部引入残余压应力,从而使裂纹闭合的能力得到强化,达到延缓裂纹扩展的强化效果。为了更好地揭示喷丸引入的残余压应力对疲劳裂纹扩展的影响,首先综述了传动齿轮表面疲劳裂纹产生的原因以及疲劳裂纹的扩展行为对重载车辆服役的影响。从强度因子、J积分以及裂纹闭合效应出发,介绍了传动齿轮表面疲劳裂纹扩展的理论以及残余压应力与疲劳裂纹扩展速率之间的关系。其次概述了目前国内外常用的新型有益于将残余拉应力转化为残余压应力的微粒子喷丸、激光喷丸、超声喷丸方法,并与传统机械喷丸技术相比较,阐述了新型喷丸表面强化技术的优缺点。此外,从数值模拟和试验结果两方面,论述了喷丸速度、喷丸角度、弹丸直径、弹丸材质和覆盖率5个工艺参数对在传动齿轮表面引入残余压应力的改善影响。最后对喷丸强化技术在传动齿轮上的多目标参数优化以及多尺度残余压应力与疲劳性能进行了展望,并结合重载车辆的使用需求,强调需要创新设计一种效率高、价格低、适用性广的喷丸技术,以进一步推动喷丸强化在延缓疲劳裂纹扩展方面的持续发展。     

表面复合强化对疲劳性能的影响

就汽车变速箱内齿轮表面不同渗碳强化工艺,及其渗碳后强力喷丸复合工艺,对接触疲劳,弯曲疲劳和小能量多次冲击疲劳性有的影响,进行了试验研究,结果表明,渗碳后强力喷丸一面复合强化可使疲劳性能得到显著改善;高浓度渗碳提高次表层强度和增加有效层深,是接触疲劳性能提高的原因之一,而强力喷丸对表面层强度的提高和引入残余压应力,中有效地弥补大量残余奥氏体所造成的不利影响,在高应力条件下,复合强化效果受到影响。     

激光冲击+机械喷丸复合强化对铆接件微动疲劳性能的影响

研究机械喷丸、激光冲击+机械喷丸复合强化2种表面强化技术对铝合金铆接构件微动疲劳行为的影响。利用微动磨损实验机、疲劳实验机、X射线衍射仪、激光共聚焦显微镜、场发射扫描电镜等设备,测试表面强化技术对铝合金表面完整性、耐磨性、疲劳性能和微动损伤特征的影响。结果表明：机械喷丸、激光冲击+机械复合强化均可提升铆接件微动疲劳性能,机械喷丸提高12倍,复合强化提升5.4倍。表面强化处理改变疲劳裂纹源位置,原始件裂纹萌生于铆接件圆孔30°左右,喷丸强化后裂纹在圆孔接近90°位置萌生。复合强化的残余压应力层深度为1.00 mm,远大于机械喷丸的0.25 mm。总体上,复合强化效果不理想,这是由于激光冲击技术不便于在小尺寸的铆接孔实施,同时强化过程连接孔变形,影响服役性能。     

喷丸成形技术在民航领域的应用

本文概述了民用航空领域的喷丸成形技术的工作原理、所使用的喷丸设备、常用的喷丸成形方式;阐述了喷丸强化技术的强化机理及应用;介绍了喷丸技术在除漆、清理及跑道维护等方面的应用情况;并根据喷丸技术的最新研究动态,简要叙述了喷丸技术用于实现材料表面纳米化的进展.     

汽车零部件表面强化技术研究现状及展望

在传统渗碳、渗氮及表面淬火工艺的汽车零部件表面强化技术基础上,简单综述了传统工艺在汽车零部件表面强化上应用的工艺优缺点及研究现状,重点阐述了新型表面形变强化、高能束流表面强化、表面冶金强化、表面复合强化及表面纳米强化的汽车零部件表面强化技术,详细介绍了目前广泛使用的新型表面形变强化中的喷丸强化工艺、高能束流表面强化中的激光表面淬火与电子束表面淬火工艺及表面冶金强化中等离子喷涂工艺的技术特点和应用现状,分析了国内外汽车零部件表面复合强化技术和表面纳米强化技术的工艺特点和研究现状,尤其是将表面复合强化技术中的传统工艺与传统工艺、传统工艺与新型工艺、新型工艺与新型工艺的多种复合工艺的相互结合及QPQ盐浴复合处理技术在汽车零部件表面强化上的应用,最后展望了未来汽车零部件表面强化技术的发展方向。     

复合小径喷丸强化对齿轮接触疲劳性能的影响

为研究复合小径喷丸强化对齿轮接触疲劳性能的影响，通过有限元模拟与喷丸强化试验相结合对复合小径喷丸强化效果进行分析，利用齿轮接触疲劳寿命试验验证复合小径喷丸齿轮的寿命提升效果。结果表明：相较于单次小径喷丸，复合小径喷丸能够获得更大的残余压应力，且表面粗糙度更小；随着喷丸强度和喷丸覆盖率的增大，残余压应力值均有所增大，且残余压应力最大值深度基本不变。通过喷丸强化试验，验证了喷丸有限元模型的合理性，且复合小径喷丸强化在齿轮表层引入高残余压应力和提升表面硬度的同时基本不改变粗糙度大小。齿轮接触疲劳寿命试验结果表明复合小径喷丸后齿轮副间的传动效率明显升高，疲劳寿命相当于未喷丸齿轮的2.38倍，寿命提升效果明显。     

渗碳齿轮齿根喷丸强化研究现状与展望

弯曲疲劳是齿轮传动中的主要失效形式,严重影响了齿轮使用性能.喷丸强化工艺是齿轮常用的表面强化方法,对提升齿根抗弯曲疲劳性能效果显著.介绍了两种典型的喷丸强化方法(气动式喷丸和离心式喷丸),分别从应用范围、加工效率、喷射原理、表面完整性等方面对其进行了比较.为揭示喷丸强化机制,概述了喷丸工艺数值模拟与工艺参数优化方法,分析了喷丸对齿根表面完整性影响机制,并阐述了表面完整性参量之间的相互作用关系.同时,阐明了齿轮喷丸后的疲劳断裂机理,包括裂纹萌生与扩展机制.在此基础上,重点论述了受喷齿轮弯曲疲劳性能的影响因素,并提出了改善齿轮疲劳强度的措施.此外,简要探讨了齿轮喷丸后,疲劳强度提升幅度问题,并归纳了受喷齿轮弯曲疲劳建模方法.最后,对齿轮齿根喷丸强化工艺进行总结,并对其发展趋势进行了展望.     

齿轮齿面喷丸强化研究现状与展望

疲劳与磨损是齿轮啮合过程中齿面的主要失效形式,严重影响齿轮的综合使用性能。喷丸强化工艺能够有效提高齿面抗疲劳和耐磨损性能,是一种重要的齿轮齿面强化方法。通过国内外文献分析可知:喷丸强化主要存在应力强化和组织强化两种强化机制。喷丸工艺参数对齿轮表面完整性影响的主要规律包括:残余压应力大小与工件硬度、强度成正比,而工件材料硬度越高,冷作硬化效果越弱;齿面粗糙度随覆盖率适当地增加而减小,随喷丸强度的提高而增大;喷丸强度、覆盖率、弹丸直径等喷丸工艺参数决定了残余奥氏体的转化量等。同时,国内外在喷丸强化工艺对齿轮接触疲劳性能、传动性能、磨削烧伤作用机理方面开展了大量研究,主要结论如下:残余压应力、硬度、晶粒细化程度的增加是齿轮接触疲劳性能提升和磨削烧伤修复的主要原因,喷丸引起的齿面粗糙度升高制约了齿轮使用性能的提升,可通过齿面抛光等精加工工艺来改善。此外,介绍了微粒喷丸、二次喷丸、振动喷丸等新型喷丸强化方法,从表面性能、环保、工程应用、疲劳性能等方面,客观评价了新型喷丸强化方法的优点与不足。最后,对齿轮齿面喷丸强化工艺进行总结,并对其发展趋势进行了展望。     

行业动态

喷丸强化作为提高机械零件疲劳强度的一种简单易行、行之有效的表面强化方法，得到了越来越广泛的应用。在汽车行业中，除传统的汽车板簧采用喷丸强化外，曲轴、连杆、齿轮、转向节臂、气门弹簧等数10种重要结构件亦采用了喷丸强化。     

复合喷丸强化对A-100钢旋转弯曲疲劳寿命的影响

对未喷丸、一次喷丸和复合喷丸的A-100钢试样进行了表面形貌、表面粗糙度、残余应力场及旋转弯曲疲劳寿命的测试,研究表面形貌、表面粗糙度、残余应力场和旋转弯曲疲劳寿命的关系,揭示A-100钢复合喷丸强化机理。结果表明：与一次喷丸相比,在表面形貌方面,复合喷丸可获得更为平整的表面形貌和更低的表面粗糙度值,复合喷丸后,Rz值较一次喷丸降低24%~47%;在残余应力方面,复合喷丸的最大残余压应力值、最大残余应力值深度和最大残余应力场深度基本无变化,而近表层（0~100 μm）的残余压应力值增大。表面形貌的改善及残余压应力场是复合喷丸强化效果的两个主要成因。在一次喷丸的基础上,复合喷丸可进一步提高A-100钢的疲劳寿命,且可以在较低的喷丸强度下获得更优的强化效果。在σ_max=1000 MPa,R=-1条件下,其旋转弯曲疲劳寿命较未喷丸试样可提高50倍以上,较一次喷丸试样可提高5倍以上。     

喷丸强化的基本原理与调控正/切断裂模式的疲劳断裂抗力机制图

20世纪90年代前,汽车上使用的各种圆柱螺旋弹簧(以下称弹簧)承受较低的扭转疲劳载荷,在交变正应力作用下,绝大多数发生的是宏观正断型疲劳断裂,其形貌呈45°斜断口。因为喷丸强化弹簧表层引入的残余应力与外施交变正应力间存在交互作用,所以都利用喷丸强化工艺中的"应力强化机制"提高其疲劳断裂抗力。但21世纪伊始,随着轿车结构的迅速发展,设计者迫切要求弹簧承受的扭转疲劳载荷水平与日俱增,由此导致喷丸强化的弹簧除正断型的疲劳断裂外,时而出现纵向或横向切断型的疲劳断裂,由此引发疲劳断裂抗力发生显著下降,以往很少出现这种难以理解的现象。目前从事喷丸强化工艺技术的弹簧制造行业很少有文献关注这类问题。文中通过逻辑思维对弹簧的受力分析得出的诠释发现:在切断模式下,喷丸引入的残余应力与外施交变切应力之间不存在交互作用,表明"应力强化机制"在改善切断型疲劳断裂抗力中的强化作用已经基本消失。根据作者提出的喷丸强化工艺原理,喷丸同步引入弹簧表层的是由残余应力与循环弹塑性变形改性的组织结构组成的一对"孪生",通过分析作者发现,"孪生"中改性的显微组织结构形成的"组织结构强化机制"取代"应力强化机制"起到了改善切断型疲劳断裂抗力的作用。研究结果还表明,优化的喷丸强化工艺必须同时具备"组织结构强化机制"和"应力强化机制",才能够起到改善正断型和切断型疲劳断裂抗力的作用。     

表面喷丸强化处理对TC11钛合金疲劳性能的影响

目的改善TC11钛合金的抗疲劳性能。方法采用喷丸表面强化工艺对TC11钛合金进行了表面强化处理,研究了喷丸强化处理、喷丸+二次喷丸强化处理对TC11钛合金试样表面粗糙度、残余应力、显微组织及疲劳性能的影响。结果喷丸处理能够在试样表层引入厚度约230?m的残余压应力场,但同时导致试样表面粗糙度值增加。喷丸后进行表面二次喷丸,试样表面残余压应力值和残余压应力峰值提高,但残余压应力峰值的位置和残余压应力层的厚度变化不大。二次喷丸对试样表面起到一定程度的修复作用,使试样表面粗糙度值降低。喷丸后试样表层组织发生明显的塑性变形,晶粒变细,而喷丸+二次喷丸处理可使试样表层组织得到进一步细化。喷丸处理后,试样的疲劳强度由480 MPa提高至540 MPa,提高了12.5%,二次喷丸使试样的疲劳强度提高至570 MPa,在喷丸的基础上继续提高了5.5%。结论喷丸后对试样表面进行二次喷丸对表层残余应力场的影响不大,二次喷丸主要通过降低试样表面粗糙度值和细化试样表层组织,使试样的疲劳强度得到进一步提高。     

表面强化对工业纯钛显微组织的影响

工业纯钛经喷丸,滚压强化后,疲劳强度得到不同程度的提高,逐层TEM亚结构对比分析结果表明,工业纯钛疲劳强度的提高和强化层组织中孪晶的形成有关,工业纯钛疲劳前后组织中主要是位错数量的变化,而强化试样疲劳前后组织的结构既有位错,孪晶数量的变化,又有孪晶－晶界,孪晶－孪晶之间的交互作用,喷丸较滚压强化效果显著的部分原因是表层形成了准孪晶栅栏。     

汽车悬架簧早期疲劳断裂原因的试验研究

采用同一种55CrSi钢但抗拉强度相差7%的两种钢制成的弹簧,虽经过同一台喷丸机床喷丸强化处理,但在疲劳抽检试验时发现,强度稍高的簧达到了规定的疲劳断裂寿命(N=4×105cycles)要求,而强度稍低者的疲劳断裂寿命为N=2.6×105cycles。制造者认为,材料的抗拉强度偏低是导致发生早期疲劳断裂的主要原因。但是通过本文完成的大量试验及其分析表明,由于弹簧在线生产中喷丸强度的偏低、喷丸工艺欠稳定、以及喷丸质量监控的缺乏等所导致的组织结构强化效应的降低,是发生早期纵向切断型(LSF)模式疲劳断裂的主要原因。这一分析结果表明,弹簧的喷丸强化工艺不良,是导致发生早期疲劳断裂的主要原因。由此可见,只有正确地认识和恰当地运用喷丸强化工艺中的"显微组织结构强化机制",才有可能有效地避免弹簧发生早期纵/横向切断型(LSF/TSF)模式的疲劳断裂,从而制造出具有高疲劳断裂抗力的NTF模式疲劳断裂的弹簧。     

EFFECT OF SUBSTRUCTURE AND RESIDUAL STRESS IN STRENGTHENED LAYER ON FATIGUE STRENGTH OF STAINLESS OR LOW CARBON STEEL

In the strengthened layer of stainless steel after shot peening,there are a great amount ofdeformation microtwins which may act as structural strengthening factor and prevent thegradual relaxation of surface residual stress during fatigue,so as to keep its rather high levelof bending fatigue strength.However,in the strengthened surface layer of low carbon steel,dislocation cell structure is so unstalbe during fatigue that its surface residual stress relaxationcannot be retarded.Therefore,the bending fatigue strength of the low carbon steel can not beimprored by shot peening.     

铁路车轴表面强化技术研究与应用

车轴是列车转向架的核心部件之一,引发车轴失效的表面损伤形式主要包括腐蚀、微动磨损和外物致损。表面强化可改善车轴表面完整性,进而抑制裂纹萌生和延缓裂纹扩展,以提高车轴疲劳强度并延长剩余寿命。车轴表面强化技术主要包括滚压、喷丸及表面感应淬火。首先,概述了国内外普速和高速列车车轴表面强化技术的基本原理:滚压和喷丸等物理强化方式使车轴表面塑性变形硬化并引入残余压应力,表面感应淬火通过马氏体相变提高车轴表面强度并引入残余压应力。然后,重点综述了上述3种表面强化技术的研究进展及其在当前车轴制造过程中的应用,其中,深度滚压是车轴表面强化的主要方式,表面感应淬火主要应用于部分高铁车轴上,而喷丸在车轴上的应用尚少。最后,从经济性和安全性的角度对比了车轴表面强化技术的优劣:喷丸强化深度有限,不足以提高车轴剩余寿命;中碳钢车轴表面淬火方案在淬硬层深度和残余应力大小方面均优于合金钢车轴滚压方案。基于损伤容限设计的评价为未来车轴表面强化技术的研究和应用提供了借鉴。     

The influence on gear surface properties using shot peening with a bimodal media size distribution

New technologies developed for automotive engines also have highlighted the transmission torque capacity as restriction factor in the development of enhanced vehicle dynamics performance. Generally, the restriction is defined by the lifetime of the first speed gear. At the end of the gear manufacturing process, shot peening is used to induce compressive residual stresses and further increase fatigue life. This research verified the influence of introducing a bimodal media size distribution into the shot peening process. The proposal is supported by the independent effects of each media class. A higher compressive residual stress can be obtained from larger spheres. And the use of a lower diameter media class improves the surface homogeneity. The bimodal distribution was defined with a probabilistic approach over plasticity and contact stress theories. The experimental validation scope includes a topography analysis and residual stress profile measurements. The results showed mixtures combining up to an increase of 30.9% in the compressive residual stresses without jeopardising the surface quality. The collected data supported the expectation for improving the gear lifetime. It also represented the validation of a new peening process. An improvement in the product properties can be achieved in comparison to the parts produced using conventional shot peening; additionally, a lower process lead time is required in comparison to that for dual peening.