機械加工強化機理與工藝技術(shù)研究進展

劉戰(zhàn)強　賀　蒙　趙　建

山東大學(xué)高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南， 250061

機械加工強化機理與工藝技術(shù)研究進展

劉戰(zhàn)強賀蒙趙建

山東大學(xué)高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南， 250061

綜述了兩種機械加工強化機理：組織強化和應(yīng)力強化。根據(jù)晶體位錯理論分析，組織強化通過改變金屬材料微觀組織，提高位錯密度，使材料流變應(yīng)力增加，強度提高。介紹了用于解釋機械加工位錯強化、晶界強化、應(yīng)變強化、擇優(yōu)取向強化的理論模型及各強化機理在機械加工強化中的作用，分析了應(yīng)力強化中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因。以文獻研究為基礎(chǔ)，總結(jié)了機械加工工藝強化原理和工藝設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了機械加工強化機理和強化工藝的對應(yīng)關(guān)系，指出了機械加工強化工藝的發(fā)展方向。

金屬強化；機械加工；強化機理；加工工藝

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域?qū)Σ牧系氖褂眯阅芎土慵趬勖岢隽烁叩囊?，而且要求材料能夠適應(yīng)更嚴苛的服役環(huán)境。眾所周知，材料的強度、耐熱性、耐腐蝕性、耐摩擦磨損性能等是決定零件使用性能和服役壽命的關(guān)鍵因素。因此，如何提高材料的這些性能，減少材料失效成為先進制造技術(shù)領(lǐng)域的重大課題。

材料的失效形式主要有腐蝕、磨損和斷裂。全世界每年生產(chǎn)的鋼鐵約有10%因表面腐蝕而變?yōu)殍F銹，30%的機電設(shè)備因此而損壞，因磨損造成的能源損失占能耗的1/3。工業(yè)發(fā)達國家因腐蝕破壞造成的經(jīng)濟損失占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的2%～4%，我國每年因腐蝕造成的損失至少達2000億元[1]。

材料強化一般通過合金化、塑性變形和熱處理等方法改善材料組織和應(yīng)力狀態(tài)，以提高材料抵抗變形和疲勞失效的能力。材料變形主要是塑性變形，疲勞失效是由于疲勞裂紋的擴展，因此金屬強化的著眼點是提高塑性變形的抗力和抑制疲勞裂紋擴展。機械加工除可以滿足形狀精度和尺寸精度等加工要求外，還可以提高材料的強度、耐磨性和加工零件的疲勞壽命，具有極高的社會效益和經(jīng)濟效益。

根據(jù)試驗方法的不同，強度的表示方法也不相同，如壓縮實驗中表示為抗壓強度，彎曲試驗中表示為抗彎強度，疲勞試驗中表示為疲勞強度等。同一種強化手段對不同強化指標的影響不同，本文中的強化指標選擇金屬材料的室溫流變強度[2-3]，即材料在一定變形溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率下的屈服強度。

本文首先分析機械加工的不同強化機理，并且給出評價強化效果的理論模型；然后綜述機械強化工藝原理和工藝設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀；最后給出機械強化機理和強化工藝的對應(yīng)關(guān)系，并指出強化工藝的發(fā)展方向。

1　機械加工強化機理

從微觀上講，金屬材料的強度來源于原子間的結(jié)合力。金屬晶體的塑性變形一般通過滑移來實現(xiàn)。剛性滑動假設(shè)認為變形是理想晶體沿著滑移面發(fā)生剛性的相對滑動，可以由下式計算出使理想晶體產(chǎn)生滑移的臨界應(yīng)力σc[4]：

σc=G/30

(1)

式中，G為金屬的剪切彈性模量，MPa。

臨界應(yīng)力的理論計算值比金屬的實際強度要大幾十甚至上萬倍。因此，Orowan、Polanyi和Taylor分別提出了晶體位錯理論[5]。晶體位錯理論指出在晶體中存在位錯的情況下，晶體的塑性變形通過位錯的運動來實現(xiàn)，運動所涉及的范圍僅僅是位錯線附近的幾列原子。位錯理論指出金屬的理論強度和實際強度之間存在巨大差距，為金屬的強化提供了可行性和必要性，是金屬強化研究中用來解釋強化機理的主流理論[1-6]。圖1給出了材料強度和位錯密度之間的關(guān)系。圖1認為：實測的純金屬單晶體在退火狀態(tài)下的臨界切應(yīng)力表示金屬的基礎(chǔ)強度，是材料強度的下限值；金屬的理論強度是材料經(jīng)過強化后所能期望達到的強度的上限值。

圖1　材料強度和位錯密度的關(guān)系[6]

根據(jù)晶體位錯理論，提高金屬材料強度的方法有兩種：一是減小晶體中的位錯密度，使其接近于完整晶體，即制成無缺陷的完整晶體，使金屬實際強度接近于理論強度；二是增大晶體中的位錯密度，給運動中的位錯設(shè)置障礙，并且抑制位錯源的活動。

針對第一種方法，目前已制出無位錯高強度的晶須。但使用這種方法獲得的高強度晶體是不穩(wěn)定的，對于操作效應(yīng)和表面情況非常敏感，而且一旦位錯產(chǎn)生后，強度就大大下降。目前只有少數(shù)晶須作為結(jié)構(gòu)材料得到了實際工程應(yīng)用[7]。

在實際生產(chǎn)中，應(yīng)用較多的是第二種金屬強化方法。根據(jù)強化機制對位錯的作用方式不同，可以將強化機制分為位錯強化、固溶強化、第二相強化、晶界強化、應(yīng)變強化(加工硬化)、輻照強化、擇優(yōu)取向強化等[2,8]。根據(jù)加工設(shè)備和加工方法的不同可以將機械加工強化工藝分為噴丸工藝、激光沖擊強化工藝、滾壓工藝、磨削強化工藝和軋制工藝等。

位錯強化、晶界強化、應(yīng)變強化和擇優(yōu)取向強化可以用于解釋金屬機械加工強化機理。

1.1位錯強化

金屬晶體中位錯的存在使得臨界切應(yīng)力相對于理論值小得多。位錯的交互作用和相互纏繞可以增大金屬材料的位錯密度，使位錯運動變得相當(dāng)困難，從而實現(xiàn)材料的強化，進而使金屬材料的力學(xué)性能如強度和硬度明顯提高[9]。

位錯的增殖機制有Frank-Read源位錯增殖、雙交滑移位錯增殖、空位盤位錯增殖、晶界位錯增殖，以及位錯增殖的極軸機制等[5,10]。位錯交互作用的障礙機制主要有割階、蜷線位錯和位錯鎖等。由于實際金屬中位錯形態(tài)非常復(fù)雜，已建立的位錯交互作用模型只能定性描述實際金屬強化中的位錯行為。

根據(jù)位錯強化機制，流變應(yīng)力即滑移面內(nèi)有足夠數(shù)量的位錯在單位時間內(nèi)掃過一定面積(其線度比位錯間距離大得多)時所需要的應(yīng)力，在數(shù)值上等于所有運動著的位錯在滑移面上運動所要克服的阻力大小。位錯強化作用下，金屬的流變應(yīng)力包含兩部分，即晶格阻力和位錯強化的貢獻，用下式表示[5]：

σf=σ0+σdis

(2)

式中，σf為流變應(yīng)力；σ0為晶格阻力；σdis為位錯強化機制的貢獻。

位錯強化對于金屬材料的強化效果的貢獻可以用下式進行計算[11]：

σdis=M α Gb ρ1/2

(3)

式中，M為泰勒(Taylor)因子；α為與材料相關(guān)的常數(shù)；b為伯格斯(Burgers)矢量的模。

大量研究表明式(3)可以有效估算位錯強化效果[12]。位錯強化還受到溫度的影響[5]，即存在熱激活效應(yīng)，在材料臨界溫度Tc之下，隨著溫度的升高位錯交截(dislocation intersection)作用變?nèi)?，對位錯運動的阻礙變小，流變應(yīng)力降低；當(dāng)溫度高于Tc時，溫度繼續(xù)升高，位錯交截對位錯的阻礙可以忽略不計，此時流變應(yīng)力主要受到位錯的長程阻力影響，流變應(yīng)力保持穩(wěn)定。因此機械加工過程中如位錯強化占主要地位時，需要考慮強化后材料的工作溫度，防止高溫工作時材料強度降低，如圖2所示(忽略剪切模量隨溫度的變化)。

圖2　溫度對位錯強化作用下流變應(yīng)力的影響

1.2晶界強化

多晶金屬材料不同取向晶粒間的晶界對位錯造成阻礙作用[13]，增大金屬變形時的位錯運動阻力；同時晶界成為位錯源，使位錯密度增大，從而提高了材料強度。晶界對材料的強化存在直接作用和間接作用兩個方面[14]。直接強化作用是晶界本身對晶內(nèi)滑移所起的阻礙，晶界處的位錯塞積對駐留滑移帶有明顯的阻礙作用，產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，阻礙晶體變形。間接強化作用是由于晶界處的彈性和塑性變形的應(yīng)變不相容性，使次滑移或多滑移系普遍開動，產(chǎn)生高應(yīng)力集中的晶界影響區(qū)，進一步增加了晶界的強化作用。

晶界強化對于多晶體而言，主要表現(xiàn)為晶粒大小和流變應(yīng)力的關(guān)系，即細晶強化。多晶體中的晶粒，按其取向和環(huán)境不同存在軟硬差異，即使同一晶粒內(nèi)，距離晶界的遠近不同也會存在形變阻力的不同，如圖3所示。在常規(guī)晶粒尺寸范圍內(nèi)，細晶強化效果可以用Hall-Petch方程來描述[15]：

σf=σ0+kd-1/2

(4)

式中，k為材料常數(shù)，是彈性模量、晶界能的函數(shù)，彈性模量、晶界能越大，k越大；d為晶粒直徑。

細晶強化的貢獻σgb表示為

σgb=kd-1/2

(5)

圖3　晶內(nèi)硬度分布

當(dāng)晶粒尺寸達到納米級(1～100nm)時，使用Hall-Petch方程表示材料的晶界強化效果將產(chǎn)生較大偏差，可以使用下式來表達[16]：

(6)

式中，E為宏觀變形體的彈性模量；Ed為單晶體材料的彈性模量；t為晶界厚度。

可以看出，當(dāng)晶粒直徑遠大于晶界厚度時，式(6)就可以簡化為Hall-Petch方程。

晶界強化對于提高材料強度是有益的，但晶界附近通常會產(chǎn)生明顯的塑性應(yīng)變不相容，疲勞裂紋沿晶界萌生，導(dǎo)致材料早期疲勞失效[17]，因此，實際應(yīng)用中要充分考慮晶界強化正反兩方面的影響。

1.3應(yīng)變強化

應(yīng)變強化(通常也稱為加工硬化)使金屬變形過程中通過原有位錯運動產(chǎn)生許多附加位錯，位錯之間發(fā)生相互作用，造成任一給定位錯的運動都受到其他位錯的阻礙，因此提高了強度[18]。隨著金屬應(yīng)變的增大，應(yīng)變強化(加工硬化)呈現(xiàn)出不同的硬化機制，對于單晶體金屬而言加工硬化存在三個階段[19]，如圖4所示。

圖4　單晶體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

第Ⅰ階段為易滑移階段，加工硬化速率很低，受晶體結(jié)構(gòu)、位向和雜質(zhì)的影響較大。文獻[20]給出了此階段變形的流動應(yīng)力：

(7)

第Ⅱ階段為線性硬化階段，加工硬化速率很高，和應(yīng)變量呈線性關(guān)系，此時對于金屬種類或合金成分、晶體位向不敏感。文獻[20-21]指出第Ⅱ階段的流動應(yīng)力和式(7)類似：

σf=σ0+α′Gb ρ1/2

(8)

式中，α′為和材料有關(guān)的常數(shù)。

第Ⅲ階段為動態(tài)恢復(fù)或拋物線硬化階段，加工硬化速率降低，曲線呈拋物線，此階段受變形溫度、應(yīng)變率和層錯能影響明顯。動態(tài)恢復(fù)相對于第Ⅱ階段，應(yīng)力在變形過程中發(fā)生相對減小，第Ⅲ階段在達到應(yīng)力飽和點后結(jié)束[22]。

文獻[23]指出在上述三個典型階段之后部分金屬還存在第Ⅳ階段(即大應(yīng)變硬化階段)和第Ⅴ(動態(tài)再結(jié)晶軟化階段)。

圖4中曲線的斜率表示加工硬化率θ，可用下式表示：

(9)

文獻[22]從位錯角度解釋加工硬化Taylor模型:

(10)

式中，kc為常數(shù)；R為位錯環(huán)半徑。

Taylor模型是二維模型，只解釋了單一位錯的影響；Mott和Seeger模型可以更好地解釋位錯塞積對加工硬化的影響，其中Seeger塞積模型可以解釋第Ⅰ、第Ⅱ兩個硬化階段。Seeger塞積模型通過位錯環(huán)假設(shè)給出了第Ⅰ階段加工硬化率θⅠ：

(11)

式中，L為位錯環(huán)運動距離；ds為滑移面間距。

Seeger塞積模型假定第Ⅱ階段主要影響因素為溫度，并且加工硬化是線性的，得到第Ⅱ階段加工硬化率θⅡ：

θⅡ=kcG(ndb)1/2

(12)

式中，nd為障礙之前的位錯塞積數(shù)目。

Friedel、Basinski、Mott、Hirsch等分別從位錯的塞積、滑動、形態(tài)等方面建立了第Ⅱ階段的加工硬化率模型[22]。

文獻認為第Ⅲ階段加工硬化率低于第Ⅱ階段是由于交錯滑移的存在，交錯滑移可以克服位錯阻礙，并且第Ⅲ階段受溫度的影響更明顯[22]。圖5為綜合5個加工硬化階段的加工硬化率隨應(yīng)力變化的示意圖。

圖5　加工硬化率隨應(yīng)力變化趨勢

與單晶體比較，多晶體金屬的加工硬化速率受晶粒大小和晶體結(jié)構(gòu)的影響，通過取向因子m表達多晶體和單晶體加工硬化率的關(guān)系[19]：

θp=m2θs

(13)

式中，θp、θs分別為多晶體和單晶體的加工硬化率。

加工硬化的硬化機制根據(jù)合金成份和加工工藝的不同而不同[19, 24]，主要有位錯滑移硬化機制(位錯塞積群理論、林位錯硬化理論、割階硬化理論)、孿生硬化機制等。對于不同的位錯滑移硬化機制，流變應(yīng)力的強化效果可用下式[19, 25]表示：

(14)

式中，σwh為加工硬化對金屬強化的貢獻；l*為位錯密度和相關(guān)材料常數(shù)的函數(shù)。

多數(shù)金屬及合金的加工硬化可用Ludwik或Hollomon方程來表示[26]：

σwh=ksεn

(15)

式中，ks為強度因子；n為加工硬化指數(shù)。

加工硬化后的材料在再結(jié)晶溫度下會發(fā)生再結(jié)晶退火[19]，再結(jié)晶溫度與機械加工變形量和材料的純度有關(guān)，變形量越大，再結(jié)晶溫度越低。機械加工變形的材料經(jīng)再結(jié)晶以后強度顯著降低，塑性、韌性提高，可回到機械加工前的狀態(tài)。因此經(jīng)加工硬化處理之后零件的工作溫度要低于再結(jié)晶溫度，防止材料性能下降。

1.4擇優(yōu)取向強化

金屬可以利用晶粒擇優(yōu)取向而得到較高的強度，塑性金屬冷變形產(chǎn)生的晶粒擇優(yōu)取向也被稱為形變織構(gòu)，包括纖維織構(gòu)和板織構(gòu)兩部分。形變織構(gòu)強化可以使金屬組織趨向均勻化，晶粒排列趨向線結(jié)構(gòu)或面結(jié)構(gòu)排列。形變織構(gòu)的預(yù)報模型主要有全約束和半約束Taylor模型[27]、LAMEL模型和改進LAMEL(ALAMEL)模型、GIA模型和晶體塑性有限元分析(CPFEM)模型，研究結(jié)果表明ALAMEL模型的預(yù)報精度優(yōu)于Taylor模型[28]。

形變織構(gòu)的強化效果受合金成份、結(jié)構(gòu)(合金元素)、形變溫度、處理工藝等因素的影響。其中在金屬機械加工中，形變溫度的降低有利于形變織構(gòu)的加強，過高的形變溫度會誘使再結(jié)晶晶粒長大，造成金屬晶粒粗大，金屬組織不均勻，從而降低強度。關(guān)于形變織構(gòu)的研究集中于變形后的織構(gòu)方向預(yù)報、織構(gòu)影響因素等方面，對于擇優(yōu)取向強化的強度計算模型還未見有文獻報道。

1.5應(yīng)力強化

在不考慮強化層組織強化條件下，當(dāng)無殘余壓應(yīng)力存在時[29]，疲勞裂紋通常萌生于零件表面；而當(dāng)有殘余壓應(yīng)力存在時，疲勞裂紋的萌生位置則移向次表面，且產(chǎn)生疲勞裂紋所需的外加交變應(yīng)力提高，即提高了疲勞強度[29-30]。

已加工零件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因有三種：相變、熱塑性變形作用[31]和彈塑性變形作用。相變和熱塑性形變作用是由于切削熱的存在；相變產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是由于切削熱引起的材料表層金屬發(fā)生相變，使得零件表層密度發(fā)生變化，表層收縮或膨脹，由此產(chǎn)生對基體的壓應(yīng)力或拉應(yīng)力；熱塑性變形是由于切削熱引起的材料表層與基體的溫度不同，切削之后零件溫度降低至室溫，表層溫度高收縮量大，基體收縮量小，因此在表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。彈塑性變形作用引起的殘余應(yīng)力是由切削力引起的，切削力的作用使表面產(chǎn)生塑性變形，基體產(chǎn)生彈性變形，切削后材料基體趨于恢復(fù)，但是受到表面層牽制，在表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

一般認為，組織強化主要起延緩或阻止疲勞裂紋萌生的作用，應(yīng)力強化主要起延緩或阻止疲勞裂紋擴展的作用。當(dāng)材料的強度和硬度較低時，組織強化對于提高強度起主導(dǎo)作用，而應(yīng)力強化的作用較??；隨著材料強度和硬度的增高，應(yīng)力強化的作用逐漸增強，組織強化的作用逐漸減弱。對于強度和硬度都較高的材料來說，對提高強度起主導(dǎo)作用的是應(yīng)力強化，而組織強化作用較小，甚至可以忽略。

2　機械加工強化工藝及其裝備技術(shù)

金屬機械加工強化工藝包括噴丸強化、激光沖擊強化、滾壓強化、切削/磨削強化等；此外還有針對金屬板材和線材的軋制工藝等。各種工藝的強化特點及應(yīng)用場合有著明顯的不同。

2.1噴丸強化

噴丸強化(shot peening, SP)在完全控制的狀態(tài)下，將大量高速運動的彈丸噴射到材料表面，使材料表層和次表層產(chǎn)生晶粒細化和塑性變形，從而呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu)(組織強化)和殘余壓應(yīng)力分布(應(yīng)力強化)，提高材料的強度和疲勞壽命[32]。圖6是噴丸工藝的示意圖。

圖6　噴丸工藝

噴丸強化是應(yīng)用最廣的機械加工表面強化工藝，加工效率高，設(shè)備簡單，成本低，能夠明顯提高零件疲勞壽命及表面硬度，降低粗糙度。噴丸加工還能改善金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕能力，適合加工在交變應(yīng)力和應(yīng)力腐蝕條件下服役的金屬零件。

噴丸工藝會在材料表面形成一層明顯的強化層，表面強化層組織由大量的變形孿晶以及高密度位錯組成。噴丸加工后的表面強化層晶粒發(fā)生變形和細化，晶粒內(nèi)部存在大量亞晶界，并且強烈的塑性變形導(dǎo)致表面產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力。因此噴丸強化是多種強化機理共同作用的結(jié)果，其中晶界強化、位錯強化以及殘余壓應(yīng)力引起的應(yīng)力強化是噴丸強化主要作用機制[33-34]。

噴丸工藝根據(jù)噴丸的干濕狀態(tài)可以分為干式噴丸法和濕式噴丸法，根據(jù)噴丸角度和噴丸槍的不同可以將噴丸工藝分為象限噴丸、分流式噴丸、偏轉(zhuǎn)槍式噴丸以及旋轉(zhuǎn)槍式噴丸。噴丸工藝參數(shù)包括彈丸直徑、彈丸硬度、彈丸運動速度、流量、噴射角度、噴射時間以及噴嘴至零件表面的距離等。噴丸強化效果的度量參量應(yīng)用最廣的是弧高度值(又稱埃曼強度，almen intensity，AI)，其測量方法及量具均有相應(yīng)標準。噴丸強化的表面覆蓋率也是衡量強化質(zhì)量的重要指標。也有學(xué)者提出使用量綱一沖擊彈痕直徑來表示噴丸強化的效果[35]。

噴丸強化設(shè)備主要以機械離心式和氣動式設(shè)備為主。近年來，除了發(fā)展傳統(tǒng)噴丸機之外，用于復(fù)雜零件處理的振動噴丸強化設(shè)備和用于飛行器大型零件處理的滾筒噴丸強化設(shè)備得到了快速發(fā)展。還涌現(xiàn)了一批新型噴丸加工技術(shù)。其中超聲噴丸技術(shù)以及高壓水(或氣穴無彈丸)噴丸技術(shù)的應(yīng)用比較廣泛。超聲噴丸技術(shù)利用超聲波使彈丸產(chǎn)生機械振動，從而驅(qū)動彈丸對材料進行噴丸處理，其基本原理如圖7所示。

圖7　超聲噴丸基本原理

高壓水噴丸或氣穴無彈丸噴丸技術(shù)利用高壓水射流所產(chǎn)生的氣穴效應(yīng)打擊金屬材料表面，使表層材料產(chǎn)生塑性變形，并形成殘余壓應(yīng)力層[36]。其基本原理如圖8所示，最初的氣穴產(chǎn)生于高速區(qū)，并隨著噴射速度的降低而逐漸變大并形成氣泡，氣泡撞擊到材料表面時發(fā)生破裂，產(chǎn)生沖擊波使表層材料發(fā)生塑性變形，從而達到材料強化的目的。

圖8　高壓水噴丸基本原理[36]

噴丸的主要問題是均勻性，特別是零件邊界的均勻性，否則易導(dǎo)致強化不均勻，在強化弱的邊界易造成損傷。噴丸加工一般對拉伸面起作用而對壓縮面不起作用，而且噴丸加工無法處理到零件的整個表面(特別是對復(fù)雜零件)，彈丸在加工過程中易損壞，被破壞的彈丸對零件表面質(zhì)量造成破壞[37]，從而影響材料表面強化效果，嚴重時影響到零件加工表面質(zhì)量。

2.2激光沖擊強化

激光沖擊強化(laser shock peening, LSP)工藝有時被認為是噴丸強化的一種新工藝形式，但由于其強化設(shè)備和工藝的特殊性本文將其另歸一類討論。激光沖擊強化工作原理如圖9所示，它利用高功率密度(GW/cm2量級) 、短脈沖(ns量級)的強激光穿過透明約束層(水、K9玻璃、水玻璃等)作用于覆蓋在金屬材料表面能量吸收層上(黑漆、鋁箔、膠帶等)，吸收層吸收能量而汽化，汽化后的蒸汽急劇吸收激光能量并形成等離子體而爆炸，被限制在約束層和金屬表面之間的爆炸物壓力急劇升高，形成向零件內(nèi)部傳播的強應(yīng)力波，壓力高達GPa量級，遠大于材料的動態(tài)屈服強度σH，從而使材料產(chǎn)生強烈塑性變形，導(dǎo)致零件表層組織中的位錯密度急劇增加，表層晶粒細化，表面粗糙度降低，并且產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力，提高了材料表面硬度、流變強度和疲勞壽命[38-39]。因此激光沖擊強化的主要強化機理是位錯強化、應(yīng)力強化和晶界強化。

圖9　激光沖擊強化原理

激光沖擊強化工藝參數(shù)包括涂層/約束層的厚度、激光波長、激光功率密度以及沖擊方式等[40]，其中激光功率密度對強化效果影響最為明顯。激光功率密度的大小受到約束層和被加工零件材料的影響，必須保證激光誘導(dǎo)的沖擊波壓力p大于材料的動態(tài)屈服強度σH。一般情況下沖擊波壓力p在σH與2σH之間時，塑性變形隨壓力增加呈線性增加；沖擊波壓力p為2σH時，塑性變形達到飽和；沖擊波壓力p大于2.5σH時，表面釋放波聚焦并從沖擊邊界放大，使殘余應(yīng)力場發(fā)生改變，沖擊波壓力p的最佳范圍為2σH≤p≤2.5σH。涂層和約束層的厚度也存在類似規(guī)律，其具體厚度受被加工金屬材料熱力學(xué)性能參數(shù)、環(huán)境溫度以及激光束參數(shù)的影響。

激光沖擊強化工藝已應(yīng)用于航空工業(yè)中零件表面改性處理以及板料(如機翼等)的整體塑性成形，處理之后的零件表面質(zhì)量、硬度以及殘余壓應(yīng)力均有著明顯的提高，可顯著提高材料表面強度和零件疲勞壽命。激光器是影響激光沖擊強化工藝應(yīng)用的主要因素。激光沖擊強化裝置按照激光器的工作介質(zhì)分為三種類型[41]：Nd3+：Glass(釹玻璃)，Nd3+：YAG晶體，以及Nd3+：YAG陶瓷。其中Nd3+：Glass(釹玻璃)激光器是應(yīng)用最廣和發(fā)展最為成熟的激光器。釹玻璃易制成大體積制品，儲能好，還易制成多種形狀(如棒狀、片狀、板條)，但其導(dǎo)熱率低。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore national laboratory，LLNL)與美國金屬改進公司(metal improvement company，MIC)聯(lián)合成功開發(fā)了高能高重復(fù)頻率的釹玻璃激光沖擊強化設(shè)備LLNL-MIC。Nd3+：YAG晶體熱導(dǎo)率高，傳熱性能好，便于散熱，但是儲能效果較差且晶體生長困難，較難獲得大尺寸晶體。Nd3+：YAG陶瓷具有以上兩種材料的綜合優(yōu)點，已研制出相關(guān)商用激光沖擊強化設(shè)備。

激光沖擊強化工藝具有高能、高壓、高效、超高應(yīng)變率4個顯著優(yōu)點，其加工效果較機械噴丸強化更明顯，殘余壓應(yīng)力層厚度更大(能到達噴丸強化的4倍)。其缺點是設(shè)備昂貴，加工環(huán)境需要特殊防護。

2.3滾壓強化

滾壓(roller burnishing, RB)工藝通過滾壓工具對材料表面施加一定壓力，在常溫下利用材料表面層金屬的彈塑性變形，改變表層金屬的組織結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、機械特性、形狀和尺寸，其原理如圖10所示，其中數(shù)字1、2和3分別表示壓入?yún)^(qū)域、塑性變形區(qū)域和彈性恢復(fù)區(qū)域，A和B分別為壓下量、彈性恢復(fù)量。滾壓強化能夠同時達到光整和強化的目的。多數(shù)情況下，它可代替材料的表面處理(如表面淬火，鍍鉻等)及精加工工序(如研磨、珩磨、拋光等)，是一種無切屑精密強化加工技術(shù)。滾壓加工材料表面層時，受壓面積上同時產(chǎn)生塑性變形及彈性變形。當(dāng)滾壓力超過屈服點時，金屬晶粒發(fā)生滑移、位錯和破碎，表層材料產(chǎn)生塑性變形；而最表層以下的金屬受到彈性張力，當(dāng)滾壓工具離開后，彈性變形的恢復(fù)因受到表層塑性變形的牽制，而無法實現(xiàn)。結(jié)果，加工表面最表層處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而外層處于拉應(yīng)力狀態(tài)，同時滾壓后表層產(chǎn)生冷作硬化和晶粒細化，零件疲勞強度大幅提高[42]。

圖10　滾壓強化原理[1]

滾壓加工的強化機理主要是晶界強化、應(yīng)變強化以及應(yīng)力強化。滾壓強化效果受零件-滾壓工具接觸區(qū)域的幾何關(guān)系影響，接觸部分的彈性模量也會影響強化效果。增加滾壓力以及滾壓工具直徑能夠提高殘余壓應(yīng)力，但是由于接觸區(qū)域的準確面積和應(yīng)力狀態(tài)不好確定，滾壓力和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系很難計算；而且當(dāng)滾壓力提高到一定程度之后，會造成零件表面剝落，破壞零件表面質(zhì)量。

近年來出現(xiàn)了一些新型的滾壓強化工藝，如低塑性滾壓[43](low plasticity burnishing, LPB)、深冷滾壓[44](deep cold rolling, DCR)、超聲表面滾壓[45](ultrasonic surface rolling processing, USRP)、放電滾壓(B-EDM)[46]和溫滾壓[47]等。其中低塑形滾壓和深冷滾壓作用原理基本相同，如圖11所示。兩種工藝都是采用液壓滾壓工具，通過高壓液壓油或冷卻液施加壓力于滾珠、滾壓材料表面來實現(xiàn)。兩者的區(qū)別就是低塑性滾壓的滾壓力或滾壓深度小，產(chǎn)生的加工硬化效應(yīng)小，它的主要作用是產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力(能達到噴丸強化的4倍)來提高零件的疲勞壽命。而深冷滾壓能夠產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力和加工硬化，并且由于滾壓深度大，同時還能夠起到表面光整的作用。

圖11　LPB及DCR加工原理

超聲表面滾壓加工通過滾壓頭沿表面法線方向給材料施加一定幅度的超聲機械振動，并在一定靜壓力和進給速度條件下，滾壓頭將壓力和超聲沖擊振動傳遞給處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的被加工材料表面，利用金屬在常溫狀態(tài)下的冷塑性特點，使材料產(chǎn)生彈塑性變形[1]，工作原理如圖12所示。加工后，材料表面產(chǎn)生一定的彈性恢復(fù)，材料產(chǎn)生塑性流動，降低表面粗糙度，并且提高表面綜合性能。與此同時，在超聲波沖擊和靜壓力滾壓聯(lián)合作用下，金屬表面所產(chǎn)生的劇烈而均勻的塑性變形導(dǎo)致零件一定深度表面層原始狀態(tài)晶粒被打碎細化。由于超聲沖擊處理形成的表面強化層和基體組織之間沒有明顯的斷層，表面強化層通過滾壓頭的超聲振動形成，所以往復(fù)加工多次不會造成材料表面剝落等損壞。往復(fù)加工可以使材料表面受力均勻，同時增大變形量和變形深度，提升零件表面殘余壓應(yīng)力層厚度，達到進一步細化和均勻化晶粒的目的，可以獲得納米化的表層結(jié)構(gòu)。

圖12　USRP加工示意[1]

放電滾壓(B-EDM)是電火花加工(EDM)和滾珠滾壓(BBM)結(jié)合的復(fù)合工藝，研究表明，放電滾壓相對電火花加工能夠有效提高表面粗糙度，消除電火花加工產(chǎn)生的微孔和裂紋，而且能夠提高被加工面的耐腐蝕性。圖13為放電滾壓加工裝置示意圖，此裝置使用主軸可旋轉(zhuǎn)的數(shù)控EDM機床改造而來。

圖13　放電滾壓加工示意

電介質(zhì)使用油泵循環(huán)，加工產(chǎn)生的切屑通過工具電極中部的通孔被電介質(zhì)帶走，工具電極由向內(nèi)凹的環(huán)形電極和對稱安裝的ZrO2滾珠組成，圖14為工具電極示意圖。工具電極能夠在實現(xiàn)電火花加工的同時，通過ZrO2滾珠直接擠壓被加工表面，實現(xiàn)滾壓加工。因此，放電滾壓能夠消除電火花加工產(chǎn)生的粗糙表面，獲得良好的表面質(zhì)量。

圖14　電火花加工-滾珠滾壓復(fù)合工具電極

滾壓工藝適合加工的材料包括4大類：①低合金鋼和中碳鋼，其研究和應(yīng)用最為廣泛，如 34CrNiMo6、40Cr、45鋼等。鋼材的強度和硬度適中，滾壓處理之后材料能夠得到明顯的性能改善；②輕合金，如Mg-Ca合金、AZ31鎂合金、AA5083和AA6110-T6鋁合金等，經(jīng)過滾壓處理的輕合金材料可以獲得更高的流變強度和使用壽命；③難加工材料，如TC4鈦合金、IN718鎳基高溫合金等，鈦合金和鎳基高溫合金的強化處理難度大，其應(yīng)用場合對疲勞壽命的要求高，經(jīng)過滾壓處理可以成倍地提高這些難加工材料的疲勞壽命；④需要特殊處理以提高其使用性能(如耐腐蝕性等)的材料，如醫(yī)用Co-Cr-Mo合金等，經(jīng)過滾壓處理之后材料在腐蝕環(huán)境中的使用壽命能夠明顯提高。滾壓加工時主軸轉(zhuǎn)速范圍一般是50～1500 r/min, 進給量范圍一般是0.04～0.2 mm/r, 滾壓力范圍一般是50～500 N。因此滾壓工藝可使用通用機床完成，經(jīng)過簡單改造的普通車床、數(shù)控車床或銑床能滿足滾壓加工要求。

按外力傳遞到滾壓工具的方式可將滾壓工具分為機械式、滾壓式和彈簧式三類。滾壓工具主要有兩部分組成：滾壓元件(滾壓體)和支承部分。按照滾壓體形狀可以將滾壓工具分為滾輪式、滾柱式、滾珠式等。低塑形滾壓和深冷滾壓的滾壓工具基本類似，屬于液體靜壓工具，使用液壓油或者冷卻液支撐滾珠，壓緊零件表面以實現(xiàn)滾壓加工。LPB工具是Lambda Technologies公司的發(fā)明專利，德國Ecoroll公司可提供商用的LPB滾壓工具。超聲表面滾壓工具和傳統(tǒng)滾壓工具的主要不同就是其滾壓頭和超聲振動設(shè)備(有企業(yè)稱為“豪克能”設(shè)備)相連，國內(nèi)高校(天津大學(xué)[1]等)和企業(yè)均能夠設(shè)計制造這種工具。

2.4其他強化技術(shù)

磨削強化(grinding hardening, GH)利用磨削熱替代高、中頻感應(yīng)淬火熱源對鋼件表層進行強化處理，將磨削加工與表面強化合為一體。采用磨削強化處理零件時額外消耗的大量能量最終幾乎都轉(zhuǎn)化成了熱能，其中約有60% ～ 95%(普通切削時僅為10%)的熱能進入零件，引起材料表層內(nèi)產(chǎn)生顯微硬度變化、相變、塑性變形、顯微裂紋及殘余應(yīng)力等[48-49]。研究表明，磨削強化技術(shù)可以代替感應(yīng)淬火和激光淬火等熱處理工藝對淬硬鋼進行表面強化處理，實現(xiàn)使用機床機械加工處理代替熱處理。鋼材的磨削強化可利用磨削過程中產(chǎn)生的熱量使材料表層快速升溫發(fā)生奧氏體化，并依靠砂輪磨?；蚪Y(jié)合劑的滑擦、耕犁與切削等機械作用使奧氏體晶粒產(chǎn)生形變，最后通過基體的高熱導(dǎo)率快速冷卻而實現(xiàn)馬氏體相變，從而產(chǎn)生表面淬火效果。磨削強化機理主要是材料熱處理引起的相變強化，與前述的其他機械加工強化機理存在明顯區(qū)別。磨削強化設(shè)備使用磨床，無需另購專用設(shè)備。

軋制(rolling)工藝強化主要適用于金屬板材和線材的加工，根據(jù)軋制溫度的不同可以將軋制分為三類：一是高溫下的熱軋；二是常溫下的冷軋；三是軋制溫度介于兩者之間的溫軋。軋制處理之后材料組織“破碎”，合金內(nèi)部組織變得均勻，并且能夠產(chǎn)生加工硬化，晶粒轉(zhuǎn)動形成形變織構(gòu)強化(擇優(yōu)取向強化)。

綜上所述，將機械加工強化機理和強化工藝的對應(yīng)關(guān)系繪制成表1。

表1　強化工藝和強化機理對應(yīng)關(guān)系

注：*表示此工藝除受到表中的強化機理作用外，主要強化機理還包括熱處理相變強化，如淬火等；表示強化工藝對應(yīng)的直接強化機理，不排除存在其他強化機理。

3　結(jié)束語

金屬機械加工強化的強化機理主要包括基于位錯理論的組織強化以及通過殘余壓應(yīng)力抑制疲勞裂紋擴展的應(yīng)力強化。組織強化提高了材料的流變強度，應(yīng)力強化能夠抑制疲勞裂紋擴展從而提高零件的疲勞壽命。金屬機械加工的強化工藝包括噴丸、滾壓等，通過傳統(tǒng)強化工藝和激光加工、超聲加工等的結(jié)合，發(fā)展了新的強化技術(shù)。另外以機械加工代替表面熱處理的磨削強化也是可淬硬金屬材料表面強化處理的重要工藝。超聲、激光、水射流等先進制造工藝和傳統(tǒng)強化工藝的復(fù)合是金屬機械加工強化工藝的重要發(fā)展方向。

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(編輯郭偉)

Mechanical Machining Strengthening Mechanism and Material Processing Technology——a Review

Liu ZhanqiangHe MengZhao Jian

Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture,Ministry of Education,Shandong University,Ji’nan,250061

Mechanical machining processes involved micro-structure strengthening mechanism and stress strengthening mechanism were reviewed herein. Material microstructure evolution caused by mechanical machining could improve material performance due to the flow stress increases of the machined workpiece based on the dislocation theory. Theoretical models were applied to explain the mechanism of dislocation strengthening, grain boundary strengthening, strain strengthening and preferred orientation strengthening. The effects of these strengthening mechanism on mechanical machining processes were then introduced and the formations of residual stress in stress strengthening process were presented. The principles of mechanical machining processes and the development status of processing equipment were summarized. The relationship between strengthening mechanism and strengthening process was discussed. In the end, the development perspectives of strengthening process were pointed out.

metal strengthening; mechanical machining; strengthening mechanism; machining process

2014-01-17

國家自然科學(xué)基金資助項目(51425503，51375272，U1201245)；國家科技重大專項(2014ZX04012014)

TG113.25；TG668DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.03.021

劉戰(zhàn)強，男，1969年生。山東大學(xué)機械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向為切削加工理論與刀具技術(shù)。賀蒙，男，1990年生。山東大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。趙建，男，1989年生。山東大學(xué)機械工程學(xué)院博士研究生。