超聲波噴丸 (USP)是一種新型的表 面改性方法 ，與傳統 噴丸相 比 ，超聲波噴丸能獲得 更大 的硬化 層 深 度 和壓應力值 ，且工件表面粗糙度精度良好 ，同時其具有容易實現 自動化生產 、成形工序簡單等優 勢 ，因 此 在 航 空 、航 天 、汽 車 等 工 業 領 域 具 有 廣 闊 的 應 用 前 景 ，具 有 十 分 重 要 的 研 究 價 值。

所謂噴丸覆蓋率 ，是指噴丸后試樣表面上彈坑 占據的面積與受噴表面總面積之比，通常以百分數 的形式表示。在工程實際應用中，除圖紙有其他規 定外，所有要求噴丸的表面最少應達到 100%的表 面覆蓋率。目前 ，已經有很多文獻對超聲波噴丸表 面改性方法進行了闡述 ，然而還沒有文獻專門對噴 丸覆蓋率這一影響參數進行較為深入的研究 ;而且 在 工 程 實 際 應 用 中 ，雖 然 已 經 肯 定 了 100% 覆 蓋 率 對于超聲波噴丸強化效果的影響 ，但是當覆蓋率高 于 100% 時 噴 丸 效 果 如 何 卻 還 沒 有 定 性 的 結 論 。

因 此 ，本 文 以 Q345 鋼 為 研 究 對 象 ，選 用 lOO% ，200% 和 300% 等 3種 不 同 的 覆 蓋 率 對 試 樣 進行超聲波噴丸處理 ，通過光學金相顯微鏡、顯微 硬度儀 、XRD殘余應力分 析儀和表面粗糙度測試 儀分析研究噴丸強化層的微觀組織結構、顯微硬度 分布特點 、殘余應力狀態 、表面物理狀態 ，為超聲波 噴丸強化在 Q345鋼等常用金屬材料改性方面的 應用提供參考。

1 試驗條件及方法 

1.1 試驗 條件

本 試 驗 的 材 料 選 用 厚 度 為 2mm 的 Q345 鋼 板 ，其 物 理 性 能 :彈 性 模 量 E 為 206GPa，抗 拉 強 度 Or 為 470MPa，屈 服 強 度 度 為 345MPa，延 伸 率 6為3 2 % ， 密 度 P 為 7 8 5 0 k g · in ~ 。 超 聲 波 噴 丸 裝 置 選 用手持型SY一2000P超聲波噴丸機(如圖1所 示 )。其原理是 通過換能器將超聲波發生器產生 的 頻 率 大 于 20kHz的 振 蕩 電 信 號 轉 換 為 同 頻 率 的 縱波機械振動能量 ，再通過變幅桿將換能器微小振 幅 (一 般 為 4 m )放 大 到 2O ~ 80 m ，然 后 借 助 安 裝 在振動工具頭上 的撞針或噴丸室里的彈丸 沖擊金 屬材料表面，使金屬表層發生塑性變形 ，產生小的 凹坑 ，使得在噴丸過程中，材料經歷彈性變形 、彈塑 性變形和完全塑性變形過程 ，而球形曲面直接增大了上層表面的表面積 。金屬材料表層發生 的塑性 變形具有一定的深度 ，形成的殘余壓應力不僅存在 于金屬表面上 ，而且沿板料厚度方 向呈一定形式分布。

本試驗的測量設備使用可視化工具——測量 顯 微 鏡 觀 察 Q345鋼 試 樣 橫 截 面 的 金 相 組 織 ;顯微硬度測量采用MVC-1000A1型顯微硬度計,所加載荷為200g,加載時間為15s;采用MSF-3M型XRD殘余應力分析儀測定Q345鋼拋光試樣及經不同超聲波噴丸覆蓋率處理后試樣表面的殘余應力分布;采用TR101袖珍式表面粗糙度儀測量試樣的表面粗糙度。

2 試驗結果與討論

1.2試驗方法

試驗前對Q345鋼試樣表面進行機械拋光處理,以獲得光潔平整的表面,然后采用手持型SY2000P超聲波噴丸機對試樣進行雙面噴丸。超聲波噴丸采用3種不同的規范,分別記為A, B和C,其工藝參數見表1。

2.1金相組織觀察

金相組織如圖2所示。圖2(a)為Q345鋼試樣的原始組織,可以看到試樣內部組織晶粒大小基本一致,尺寸約為20 ~50um。經過不同覆蓋率的噴丸處理后可以發現,隨著噴丸覆蓋率的增加,試樣的晶粒尺寸也變的越來越小,當超聲波噴丸的覆蓋率達到300%時,晶粒的最小尺寸為15um左右,而且部分晶粒變得破碎,有些晶粒甚至已經難以辨別,這種晶粒碎化是超聲波噴丸過程中試樣表面反復塑性變形的結果。

當噴丸覆蓋率較低時,試樣表層晶粒細化的效果并不明顯,這是由于在較小的覆蓋率下撞針沖擊試樣表面的次數較少,表層材料發生反復塑性變形的次數不是很多,因此晶粒尺寸沒有發生顯著的變化。隨著噴丸覆蓋率的增加,表層材料受到撞針反復的沖擊作用,發生了劇烈的塑性變形,晶粒細化的效果較為顯著。

2.2 顯微硬度測定

Q345鋼試樣的顯微硬度沿層深的分布如圖3所示。從圖3可以看出,超聲波噴丸后試樣表面顯微硬度隨噴丸覆蓋率的增大而增大,未噴丸試樣的顯微硬度值基本趨于一致。同一種噴丸覆蓋率下,試樣從表面到0.2mm處塑性變形層的顯微硬度明顯下降,之后的顯微硬度值漸漸趨于平緩,即曲線下降趨勢隨深度的增大而減小,最后趨于平緩。

此外,由圖3可知,超聲波噴丸強化后的顯微硬度值均比未噴丸試樣的大,這是由于晶粒細化和加工硬化提高了硬度。隨著覆蓋率的提高,材料顯微硬度的增高符合Hall-Petch理論,即材料硬度隨亞晶粒尺寸的減小而增高。此外,由位錯理論可知,噴丸材料表面在塑性變形過程中發生位錯運動,引起大量位錯交割和增殖,并且增加空位、間隙原子、層錯等結構缺陷,從而阻礙位錯的進一步運動,引起加工硬化。

2.3 殘余應力測定

本文使用 射線衍射儀對Q345鋼在不同噴丸覆蓋率下產生的表面殘余壓應力進行測量,每個試樣選擇3個不同位置進行測量,最終的測量結果見表2,試驗結果顯示未噴丸和噴丸試樣表面層都存在殘余壓應力場,隨著超聲波噴丸覆蓋率的增加,表面殘余壓應力的值也不斷增大。試樣表層殘余應力的產生既與機械應力所造成的塑性變形有關,也與熱應力所造成的塑性變形有關,超聲波噴丸產生的殘余壓應力來源于材料塑性變形的不均勻性和未塑性變形部分的彈性回復作用，超聲波噴丸過程中,撞針以一定的速度反復撞擊材料表面,使表層金屬只在一定深度的局部范圍內產生塑性變形，由于表層和內層間的不均勻塑性變形使得受噴部位形成殘余壓應力 ，內部則 為拉應面萌生，在交變應力的作用下，裂紋源只有到表面層最薄弱的地方尋找幾率 ，一般只能產生在壓應力 場發生變化的地方，如產生殘余拉應力 、有夾雜物 、 有缺陷的地方 ;裂紋成核后雖然有外力繼續作用 ， 但裂紋的擴展受到了壓應力場的阻抑 ，難以快速擴 展 ，要 想 擴 展 必 須 達 到幫　0a≥ 0- 0r，即 交 變 的 外 力0r 要 大 于 材 料 本 身 的 抗 力 與 殘 余 應 力 之 差 。

由 此 可 見 ，Q 34 5 鋼 經 超 聲 波 噴 丸 強 化 后 獲 得 的 表 面殘余壓應力和表面層應力場有助于改善該材料的抗疲勞斷裂能力。

2.4 表面粗糙度測定

本文對3 種不同超聲波噴丸覆蓋率下的 Q 345 鋼試樣進行表面粗糙度測定 ，并與未噴丸試樣的結 果進行對比。每個試樣選擇 3個不同位置進行檢測 ，結果列于表 3。

從 表 3 可 以 看 出 ，與 未 噴 丸 試 樣 相 比 ，Q 345 鋼 試樣經超聲波噴丸強化處理后表面粗糙度 明顯增加，且隨著噴丸覆蓋率的增大，粗糙度不斷降低。?而 疲 勞 性 能 與 表 面 粗 糙 度 有 密 切 關 系 ，當 Q345鋼試 樣 經 超 聲 波 噴 丸 處 理 后 ，表 面 粗 糙 度 最 高 可 達 到 4 .4um 。 研 究 表 明 ，表 面 粗 糙 度 的 增 高 會 引 起 明 顯 的 載 荷 應 力 集 中 ，降 低 噴 丸 引 入 的 最 大 殘 余力。

表面殘余壓應力可有效抑制疲勞裂紋源在表壓應力值，削弱殘余壓應力的作用 。因此，對Q345鋼試樣表面進行超聲波噴丸處理時，應盡量 避免噴丸引入的表面粗糙度值過高 ，而提高覆蓋率 就是一種非常簡單有效的方法。

3 結束語

綜 上 所 述 ，Q 345 鋼 表 面 性 能 隨 噴 丸 覆 蓋 率 的增加而變得更加優 良，展現出良好的應用前景 ，而 超聲波噴丸覆蓋率對其他金屬表面性能的影響仍 需要深人 了解 。如何充分利用不 同的超聲波噴丸 覆蓋率對金屬表面進行強化處理從而得到優 良性 能的金屬材料 ，是金屬材料研 究工作者最終 的 目 標 。為了讓這種工藝手段具有更廣闊的應用前景 ， 有必要更加深入地 了解和認知這種工藝方法 ，不斷 優化各項參數 ，努力尋找更優 的超聲波噴丸方法。