01、喷丸强化概述

1.1 喷丸强化的基本原理

喷丸是目前普遍采用的冷加工表面强化工艺。其工作原理如图1-1所示，高速运动的弹丸流连续不断地冲击工件表面，从而在工件的表面或者次表面上形成残余压应力层，从而显著提高材料的物理性能。

现阶段普遍认为残余压应力是提高工程材料抗疲劳性能的主要强化机制，而且残余压应力值大小、压应力层深度及其分布对工件疲劳寿命影响显著。研究发现丸粒冲击会在工件表层及形成压应力，并随深度变化逐渐转化为基体应力水平的残余应力分布，如下图1-2所示。

残余应力分布特征曲线主要由以下5个特征参数表示：表面残余应力值、残余压应力层深度、残余压应力峰值及其出现位置、最大残余拉应力。从残余应力分布曲线可以明显看出，残余压应力峰值通常位于次表面。喷丸引入的残余压应力通过削弱外加交变正应力中最大值，使材料实际承受的平均应力值下降，从而达到提高疲劳性能的效果。

1.2 喷丸强化的工艺参数

喷丸强化工艺参数，例如喷丸强度、弹丸材质、表面覆盖率等要素的选取对工件表面形貌及其残余应力场的分布影响显著，从而对零件的疲劳寿命也有显著影响。故如何设计出针对零件疲劳寿命较好的喷丸工艺方案一直是企业所追寻的目标。

喷丸强度是指弹丸流冲击零件表面的动能。目前普遍采用SAE标准中介绍的阿尔门试片法表征喷丸强度。固定在基座的试片因喷丸冲击产生塑性形变，表面会形成弯曲或凸起，其曲线长或弧高度常用来表示喷丸强度。

弹丸材质：喷丸采用的弹丸一般为圆球状，要求丸粒不能有尖角，主要是为了防止尖角对材料表面造成损伤。同时弹丸必须大小适宜，硬度适中，以便拥有足够的动能冲击工件表面，产生所需要的残余压应力。

喷射速度：喷射速度一般与喷丸设备的工作气压密切相关，喷嘴的构造形式可以显著影响喷丸气压。一般情况下，喷射气压越大，丸粒的速度也越大。

表面覆盖率：喷丸覆盖率一般是指丸粒在工件表面形成弹痕的面积与总面积的百分比。

表面覆盖率的检测方法多种多样，例如照相放大法或者采用投影分析仪检测，但这些方法对生产现场设备要求较高，没有大规模采用。而传统的工业喷丸覆盖率检测一般依靠操作者采用放大镜目测的办法。

02、喷丸表层残余应力场对疲劳寿命的影响

受喷工件表面及次表面中存在的残余压应力层，可部分抵消交变外载荷所产生的拉应力，即喷丸残余压应力被公认为是提高工件表面抗疲劳性能的主要强化因素。因此，研究喷丸强化对工件表面残余压应力的影响及其对裂纹扩展的抑制作用机理，将对以后的工业生产起到一定的指导作用。如何获得最优的喷丸工艺参数来产生最好的残余压应力效果一直是企业所深入研究的课题。

03、喷丸残余应力对疲劳寿命影响的实验研究

从上世纪末开始，国内外许多学者陆续进行了喷丸残余应力对工件疲劳寿命的实验研究。

Tanaka，K等(2002)利用S-N曲线来推导轴承钢的疲劳寿命，研究发现对于喷丸处理的试样，由于存在较高的表面压缩应力，疲劳断裂并没有从表面发生，而是处于试样内部的拉伸残余应力区域。Park，K(2006)研究了喷丸强化对SAE5515的腐蚀疲劳裂纹增长的影响，实验发现：喷丸强化材料的疲劳裂纹增长率低于非喷丸材料的增长率，这是由于表面的压缩残余应力增加了疲劳裂纹扩展的阻力。Benedetti，M等(2009)研究了不同喷丸强化处理对带缺口7075铝合金试样疲劳性能的影响，试验发现缺口附近会出现明显的应力松弛。Junior，GS等(2010)研究喷丸对AIS14340钢的疲劳强度的影响，发现拉伸残佘应力加速疲劳裂纹传播;靠近表面的压缩残余应力可以延迟裂纹萌生和扩展过程，增加疲劳寿命。

Du Dongxing等(2013)探讨了喷丸对TC18钛合金疲劳性能的影响规律和作用机制，喷丸使TC18钛合金疲劳寿命提高6倍，主要归功于喷丸层内仍保留数值较大的残余压应力。RuJi-gang等(2013)研究喷丸强化对7A12铝合金高周疲劳性能的影响，试验发现喷丸强化引起的疲劳寿命的提高主要是由于残余压应力延缓了裂纹的萌生及扩展。Huang，S等(2013)研究受多次激光喷丸的6061-T6铝合金的裂纹扩展行为，实验表明激光诱导的残余压应力能够大幅降低紧凑拉伸试件的裂纹扩展速率。

Moridi，A等(2015)研究6系铝合金经过喷丸后的疲劳寿命，经过实验发现喷丸使疲劳寿命得到约26%的提高，这种改进归因于喷丸层与基材界面的完整性以及较高的残余压应力层深度。Zhang，Yan等(2015)为研究激光喷丸强化对7075铝合金疲劳寿命的影响，研究表明：喷丸试样裂纹扩展的速度比未喷丸试样慢得多，疲劳寿命总体提高约3—7倍。Du，Dongxing等(2016)研究TC21高强度钛合金表面喷丸后的抗疲劳性能，实验发现由于残余压应力的深度分布，疲劳寿命增益显著，改善的表面初性可以有效地延迟疲劳裂纹的扩展。

表面喷丸强化技术是国内外普遍认可的提高结构件抗疲劳性能的主要手段之一。喷丸对工件疲劳寿命的影响主要分为两个方面，一方面喷丸强化过程中产生的弹丸流撞击工件表面，造成试样表面凹凸不平，对工件疲劳寿命产生弱化作用，这称之为喷丸的负面效应;另一方面喷丸强化后所形成的残余压应力存在于工件表层，残余压应力场会部分抵消外加交变载荷，降低平均应力水平，提高工件的抗疲劳性能，这称之为喷丸的正面效应。因此需要结合正反两种因素，综合探究喷丸对工件疲劳寿命的影响。