根据统计,紧固件断裂失效模式中,疲劳失效约占总数的 60% ~ 90% ,所以在历史上已广为采用的调质、渗碳、表面处理,通过改变材料的组织来达到改善疲劳性能(包括应力腐蚀性能)的目的。当今,表面喷丸强化工艺,已经采用在螺栓、螺钉的杆部,使用最多、适应性也广,成本也低廉。 喷丸是弹丸流不断撞击紧固件表面材料,由此使表层(深度约 0.05 ~ 0.20mm )材料发生循环塑性变形的过程。经受循环塑性变形的表层随材料的不同将发生以下一种或几种变化:
表层内形成残余压应力场;
表层材料的亚结构(亚晶粒)尺寸和点阵畸变的变化;
塑变诱导相变;
塑变层内材料密度的变化。
喷丸循环塑性变形引入材料表层的残余压应力场,与外施交变应力的拉应力在同一截面叠加后,使材料承受的最大拉应力由表面移至亚表面位置。
表面未喷丸强化试样的疲劳裂纹萌生于外表面,而经过喷丸表面形变强化的疲劳裂纹萌生于次表层。理论分析证实,形变残余应力使疲劳裂纹萌生于材料次表面之后,即可获得比表面疲劳极限高 1.05 ~ 1.35 倍的内部疲劳极限。
表面喷丸强化是提高紧固件抗疲劳断裂的应力腐蚀、氢脆断裂的一种行之有效的表面强化工艺。弹丸有铸钢丸、玻璃丸、陶瓷丸等,被强化紧固件表面粗糙度 0.65 ~ 2 μ m ,可达到的表面粗糙度 0.63 ~ 2.5 μ m ,工件的使用可靠性、耐久性均可获得明显的改善和提高。
喷丸强化后不同材料的强度比值
材料牌号
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喷丸前 Rm/MPa
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喷丸后 Rm/MPa
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比值
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40Cr
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1060
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1140
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1.08
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ML35
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895
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1105
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1.23
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SWRCH 22A
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980
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1135
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1.16
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SCM435
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1075
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1150
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1.07
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10#
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305
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410
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1.34
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喷丸强化设备主要有两种结构形式,气动式与机械离心式。
气动式喷丸机适用品种繁多且每种产量较少的产品,需用玻璃丸或陶瓷丸进行低强度喷丸处理。
机械离心式适用大批量产品,品种较少,采用铸钢丸高喷丸强度进行。
根据至今生产中已经广泛应用的成熟经验,对 Rm ≥ 1000MPa 的高强度紧固件尤其适宜。对头杆结合部位和光杆部份进行适宜的喷丸强化处理,能够有效地改善和提高该部份的疲劳和应力腐蚀断裂抗力。
喷丸强化后表面硬度可以提高 40 ~ 80HV 0.3 ,对于 10.9 、 11T 级高强度螺栓当硬度控制在 330 ~ 350HV 0.3 时,通过喷丸强化后表面硬度可以提高至 370 ~ 410HV 0.3 ,表面的硬度显著提高是受到高的残余压应力,加工硬化综合作用的结果。
最后通过表面化学转化,材料表面的钝化、氧化和磷化技术,进一步提高紧固件耐蚀性,以提高紧固件制造工艺水平,减少环境污染,这将是今后若干时期的发展方向。