喷丸强化的机理

在结构设计合理的前提下，各种零部件的使用寿命主要取决于它的疲劳强度。而零部件疲劳断裂（高周或低周疲劳）的疲劳源绝大多数情况下萌生于表面。因此，金属材料或零件的疲劳断裂抗力（Fatigue fracture resistance）首先取决于表面状态。表面喷丸强化就是目前行之有效、应用广泛的表面处理方法。

喷丸后零件表面状态对强化的作用应该从以下三方面考量：

第①，宏观的表面纹理和粗糙度（Surface roughness）。表征表面粗糙度的参量Ra值越大，则材料/零件的疲劳断裂抗力越低；在Ra值较大的情况下，其纹理方向性越强、纹理方向与受力方向夹角越大，则材料/零件的疲劳断裂抗力亦越低。

第②，表面的微观组织结构（Microstructure）。在喷射丸粒的密集撞击作用下，表面的微观组织结构必然发生剧烈变化，使之与材料内部不同。这里包括晶格滑移、点阵畸变、位错增生、位错包的形成，甚至还可能包括相变（例如残余奥氏体因形变而转变为马氏体），还可能引起表层的合金元素贫化（Delution of alloying element）或外部元素的渗入（Penetration of external）等等。在X射线衍射分析中，晶体滑移、点阵畸变、位错增生均会引起衍射峰的宽化和弥射化，表征这一现象的参数是衍射峰半高宽B。研究表明，微观组织结构的变化对材料或零件的疲劳断裂抗力有着显着的影响。

第③，表面塑性变形（Plastic deformed structure）导致表层晶格发生统计的倾向性弹性应变，从而产生宏观内应力，即残余应力（Residual stress）。在X射线衍射分析中，残余应力会引起衍射峰的偏移。研究表明，在大部分情况下，适当的残余压应力是提高零件疲劳强度的主要因素，而它的大小和沿层深分布状况，对材料或零件的疲劳断裂抗力有决定性的影响。

因此，对喷丸强化的材料和零部件进行X射线衍射分析，测定残余应力及其沿层深的分布，同时读取半高宽B的变化，是检验、评价和分析喷丸强化工艺效果不可或缺的手段、

1.X射线残余应力分析的原理与方法

测量原理基于X射线衍射理论。

当一束具有一定波长λ的X射线照射到多晶体上时，会在一定的角度2θ上接收到反射的X射线强度极大值（即所谓衍射峰），这便是X射线衍射现象（如图3所示）。X射线的波长λ、衍射镜面间距d和衍射角2λ之间遵从注明的布拉格定律：

2d  Sinθ = n λ（n = 1,2,3...）

在已知X射线波长λ的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2θ与微观的晶面间距d建立起确定的关系。

X射线应力测定基本的思路是把与宏观应力σ对应的宏观应变ε看成是相应范围内晶格应变的统计效应；而晶格应变即晶面间距d的相对变化Δd/d，可以根据布拉格定律，通过衍射实验求出。这是俄国学者阿克先诺夫（Akcehob）于1929年提出的。又经历了三四十年，德国学者E·马赫劳赫（E.Macherauch）提出sin2ψ法，才把这一思路变成成熟的、可操作的测试方法。

对于晶粒细小，无织构的多晶材料，在一束X射线照射范围里会有许许多多晶粒，它们的结晶学方向是充分紊乱的，所选的的（hkl）晶面处于空间任何方向的机会均等；但是在材料中存在应力σ的情况下，处于不同方向的（hkl）晶面，其晶面间距d会有所变化；如果在不同方向上作得的衍射角2θ也会随之而变。令衍射晶面法线与试样表面法线之夹角为ψ，根据弹性理论和布拉格定律，可以推导出：

σ = K·M

M = ∂2θ/∂sin2ψ

式中K为应力常数，

K = -E/2(1+μ) · cot θ0 · π/180

式中σ为应力值，K为应力常数，2θ为对应于各ψ角的衍射角测量值，M即2θ对sin2ψ

的变化斜率（如图4所示），由布拉格定律可知它反映的就是晶面间距d随衍射晶面方位角ψ的变化趋势和急缓程度。在图4中2θ随sin2ψ增大而增大，说明d随之减小，显然是压应力。

这样看来，X射线应力测定的实质任务就是选定若干个ψ角，测定它所对应的衍射角2θ，然后计算2θ对sin2ψ的斜率M，再乘以应力常数K即应力值σ。

2.X-350A型X射线应力测定仪的功能特点

3.X射线应力测定方法分为同倾法和侧倾法，侧倾法比同倾法具有无可比拟的优越性；从另一角度分类又分为固定ψ0 法和固定ψ法，后者又因原理准确实用效果好而优于前者。更具魅力的是将此二优结合起来，即在侧倾的条件下实施固定ψ法便会产生喜人的新特点——吸收因子恒等于1。这就是说，不论衍射峰是否漫散，它的背底都不会倾斜，峰形基本对称，而且在无织构的情况下峰形及强度不随ψ角的改变而变化（如图5所示）。显然这个特点对提高测量精度是十分有利的。所以行家们一致认为侧倾固定ψ法是理想的测量方法。

X-350A型X射线应力测定仪（图6），以θ-θ扫描ψ测角仪为主要特征，完美地实现侧倾固定ψ法，其功能特点如下：

（1）X-350A型仪器的测角仪以其独特的构思和巧妙的设计，使得在2θ平面上的X光管和探测器同时等速相对而行，严格满足固定ψ法的几何要素；另外又使2θ平面与ψ平面相互独立并始终处于相互垂直状态，这样便准确无误地实现了侧倾固定ψ法，同时保持结构简洁灵活轻便的特点。

（2）2θ扫描范围：120°—170°，测定应力既可利用高衍射角又可利用低衍射角。这样，除适用于铁素体型钢和铸铁材料之外，还为奥氏体不锈钢、铝合金、钛合金、铜合金以及高温合金、硬质合金等材料的应力测定带来方便并可提高测量精度、侧倾固定ψ法另一特点是对于各种形状的零部件有更好的适应性。

（3）该仪器测角仪的衍射几何为聚焦发。如图7所示。在X射线管和X射线探测器以θ-θ方式沿测角仪圆扫描过程中，X光源点、试样上被照射点和探测器接受点，三者随时同处在一个聚焦圆上，当然，随着扫描过程，聚焦圆的大小是逐步变化的。聚焦法的优点是从一个点光源发射出来的X射线，照射到被测工件的一定区域，反射线会准确地聚焦到探测器的窗口，衍射线能量集中，测试精度高。

（4）测定残余奥氏体含量方便、快捷、准确。该仪器2θ扫描范围120°—170°，故而在一次扫描中可以得到αFe（211）、γFe（220）两个完整的衍射峰，无需另外安装延长扫描范围的附件，亦无须在测试过程中人为移动探测器的位置或X射线入设方向。而且可以针对同一测试点取不同的φ角、ψ角进行测定，以便探测织构的影响。必要时，可以做到残奥含量和残余应力同时测定，亦即一次测量得到残奥含量和残余应力两项数据。这些都是该仪器独有的功能，对于各种实体工件具有可贵的实用价值。

（5）支架与测角仪之间装备了针对同一测试点阻焊φ角的连接机构，因此可测定主应力的大小及其方向，并可测定剪切应力。

（6）采用十字激光和点状激光相配合构成的激光定位器，使得确定测试点的位置、校准照射距离和垂直度，准确快捷而方便，能够明确指示测点位置和待测应力的方向。