喷丸抗疲劳机理的理论研究

关于裂纹扩展的机制存在两种观点，第一种认为裂纹扩展取决于裂纹间断区域累积损伤的难易，因此凡是使裂纹尖端易于损伤的因素均可使疲劳裂纹扩展速率增加，反之使疲劳裂纹扩展速率减小。第二种认为疲劳裂纹的扩展是因为裂纹尖端区域在循环载荷下滑移分离的结果，因此通过某种方式减少滑移将有效减小裂纹扩展速率，反之使裂纹扩展速率增加。因此，喷丸抗疲劳机理通常就是对抗这两种机制。

喷丸后构件表层的变化对疲劳裂纹扩展抗力的影响；经受喷丸循环塑性变形后的构件表层，随材料性质的不同将发生组织强化和应力强化这两种变化，它们对疲劳裂纹扩展起着至关重要的作用。

1、显微组织结构的变化，既组织强化，这些变化主要表现为晶粒细化、位错密度增高，孪晶等。研究发现，工业存钛喷丸强化层中存在孪晶栅栏和条状变形代，TA17钛合金喷丸表层中主要是孪晶和高密度位错，喷丸后纯铜表层为胞状位错， 不锈钢和黄铜表层为栅栏孪晶，表层晶粒的细化构件表层的密度增高，从而有效地提高了滑移形变抗力和裂纹扩展抗力，抑制滑移带的形成和开裂并且迫使裂纹改向，同时细化后的晶粒减少了表面缺陷和裂纹萌生。

2、形成残余应力场，即应力强化。构件外表层引入残余压应力，而次表层为与之相平衡的残余拉应力。经喷丸后的构件就是依靠着组织强化和应力强化这两个转变来改变和提高构件的疲劳断裂和抗应力腐蚀断裂能力。对于在600-900度下工作的高温构件，起强化作用的主要是组织强化；在室温下服役的高强度钢制零件，则是应力强化起主要作用；对于高温回火钢或质地较软的有色金属合金，上述两种强化因素均起着重要的强化作用。

除此之外，喷丸会使构件表面粗糙度发生变化，而表成粗糙度的变化以被证明对于零件的疲劳、磨损和腐蚀等性能有着重要的影响。但是上海交通大学胡永详对45#钢的研究结果表面冲击处理前后试样的表面粗糙度无明显变化，而Ocana等人研究发现冲击对6061-T6铝合金表面粗糙度无明显影响，他推测造成此结果的原因是因为45#钢屈服强度和弹性模量远大于6061-T6铝合金，因而表成塑性变形较小。由国内外专家的不同观点可见，喷丸处理后表面粗糙度的变化与材料性质有很大关系。