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金属材料的喷丸强化与表面完整性论文集

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更新: 2016-03-01
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公司基本资料信息
 

磨损、腐蚀、断裂是工程金属零部件的三大主要失效模式。三者之中又以断裂失效带来的危害最大,而断裂失效中所占比例最大者又是疲劳断裂。其比例数的高低与机器制造行业门类有关,有的行业约占80%~90%以上(如航空工业),一般的机器制造业也不会低于50%。疲劳断裂不仅在经济上带来巨大的损失,更可畏的是还会危及到人员的生命安全。随着科学技术与机器制造业的飞速发展,金属零部件发生疲劳断裂失效事件仍然屡见不鲜。人们的研究成果也只能使零部件的疲劳断裂抗力(Fatigue fracture resistance)一代代地提高,但却永远不可能期待杜绝疲劳断裂事件的发生。因此,研究和预防金属零部件服役中的疲劳断裂,是全部机器制造业乃至人类生产活动面临的一个永恒主题。

19世纪50年代由Wohler完成了系统的疲劳试验并提出了疲劳S-N曲线,在疲劳研究发展史上完成了第一个里程碑的贡献时起,时至今日,历史上出现了从各种角度出发对疲劳断裂进行的试验研究,诸如1)从不同类型的晶体结构出发;2)从金属材料的合金化角度出发;3)从金属材料化学元素的纯净化角度出发;4)从金属材料热处理后的显微组织结构出发;5)从金属材料的晶粒(亚晶粒)尺寸出发;6)从金属材料的表层残余应力状态出发;7)从材料表面粗糙度出发等,不一而举。然而,工作在机器制造业(如航空工业、汽车、机车以及弹簧、齿轮、紧固件等机械基础件工业等)的材料工作者,该由什么角度出发试验研究金属零部件的疲劳断裂,并且能在改变实际金属零部件的疲劳断裂抗力方面获得立竿见影的效果?这就是50年前摆在我们这些年轻材料科学工作者面前亟待解决的课题。

历经若干年的试验研究后,制定出一种“去层电抛光”新工艺,成功地解决了喷气发动机涡轮叶片第一榫槽根部经常发生的疲劳开裂,效果显著。该工艺投产后使用不久又出现了新问题。发动机每翻修一次,叶片榫槽去层减薄一次,几次修理后由于榫槽根部厚度变薄引起尺寸超差而报废。工业生产的发展和需求是科学技术发展的最大推动力。形势迫使放弃旧工艺而另辟蹊径,寻求一种只让叶片榫槽表层获得强化而不改变其尺寸的新工艺。几年的试验研究表明,“喷丸形变强化工艺”(Shot peening strengthening technology-SP)确实能提高榫槽高温(550℃)下的疲劳强度。新的喷丸强化工艺在空军修理厂投产之后,使用了10余年直到该机种完全从空军全部退役为止。历经4年埋头于实验室的试验研究、发动机长期试车以及装机飞行使用等的考验表明,SP能有效地防止叶片榫槽在规定使用期内的疲劳开裂。一经投入生产与实际使用,就获得了立竿见影的效果。此时豁然开朗,我们终于找到了改善零部件疲劳断裂抗力应走的路。半个世纪来,在解决航空、航天、兵器、汽车、机车、机械基础件等机器制造业中零部件发生的表面起裂引发的断裂(其中包括疲劳、应力腐蚀、氢脆断裂等),依靠和采用的主要方法就是SP。

鉴于SP在预防零部件疲劳断裂所表现出的显著强化效果,国务院国防工办(现总装备部)为了在国防工业系统推广喷丸强化工艺的应用,于1976年11月在上海召开了国防工业系统(原二、三、四、五、六、七机部)喷丸强化工艺技术交流会。会议闭幕后当即由国防工办科教局作出了在国防工业系统大力发展和推广喷丸强化工艺应用的三项决定*。这就把SP技术的应用由航空工业推广到整个国防工业系统。而改革开放后,由于汽车、汽轮机、风电等的迅速发展,SP技术的应用又进一步扩大发展到民用工业。

本书在总结归纳40余年与合作者共同完成的试验研究结果、SP在零部件上的应用成果、国内外公开发表的近200篇论文以及失效分析报告的基础上,选择了其中具有一定代表性的20余篇结集出版。大体上按论述问题性质和范围的不同,共分为三个部分。

第一部分:SP技术不再是以往简单的理解和认为的那样单纯地向零部件表层引入了残余压应力,由此导致其疲劳断裂抗力的提高。多年的研究结果指出,SP主要是通过改变金属材料/零部件的表面完整性,由此达到提高表面起裂引发断裂的断裂抗力的目的。介绍了金属材料/零部件表面完整性的内涵,论述了表面完整性与喷丸形变强化间的关系。介绍了依靠社会的共同合作,初步建立了我国的“喷丸强化工程”,该工程的建立与今后的不断完善,对我国机器制造业的发展必将起到重要的推动作用。

第二部分:介绍了几篇有关喷丸同样能够改善表面起裂引发断裂的断裂抗力的试验研究。近年来在探索和研究汽车悬架簧频繁发生切断型短寿命断裂时发现,只有充分利用SP中的显微组织结构强化机制(而不是应力强化机制),才能有效地改善高应力弹簧的疲劳断裂抗力。由此发现,所有的疲劳试验方法中,只有采用扭转疲劳试验方法,才能完全避开残余应力强化因素的干扰,而单独研究显微组织结构强化机制对材料/零件疲劳断裂抗力的影响。论述了只有充分、全面地顾及到喷丸的综合强化效应,被处理的材料/零件才能获得优化的强化效果。

第三部分:介绍了几篇与喷丸强化处理有关的表面起裂引发断裂失效分析的案例。

虽然试验研究工作是由整个团队或数个团队共同合作完成的,但总结分析归纳出一些规律性和作出某些结论时,却只能由个人完成。本论文集的多数论文是由作者在集大家智慧的基础上撰写的。由于水平有限,其中的片面性甚至谬误在所难免,在此恳请同行专家学者提出宝贵意见,不吝赐教。

2011年4月江苏省大丰市大奇集团有限公司董事会秘书长来京参加会议之际,转达了公司王奇总裁的一个口信,公司愿意出资全力资助出版一部有关喷丸强化工艺技术的论文集,以圆我一个梦。我虽未曾有过此梦,但思来想去当把它看作不仅是对我个人的一种鼓励与支持,而更重要的是大奇公司为推动发展SP技术作出的奉献于整个社会的一项公益事业。我对公司总裁的这一举措深表敬意和感激。希望这本书的出版,能有助于推动喷丸形变强化工艺专业基础理论的研究、发展,以及该工艺在我国机器制造业中的扩大应用,作者也就深感欣慰了。

师昌绪院士对我国的喷丸形变强化工艺技术的研究应用与发展极为关注,师先生本人也是在航空发动机涡轮叶片上应用喷丸工艺技术的先驱,今天在百忙之中又为本书撰写序,先生对此工艺技术如此重视和支持,学生深表诚挚的谢意。

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