機(jī)械加工強(qiáng)化機(jī)理與工藝技術(shù)研究進(jìn)展

王浩明 劉念

【摘 要】 隨著科技水平的不斷發(fā)展，人們逐漸對(duì)各種材料及設(shè)備的強(qiáng)度提出了更高的要求，由材料強(qiáng)度問(wèn)題導(dǎo)致的材料腐蝕、磨損及開(kāi)裂問(wèn)題對(duì)全球經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失，近些年來(lái)機(jī)械加工強(qiáng)化機(jī)理與相關(guān)的工藝研究已受到越來(lái)越多人的重視，成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的重要課題。基于此，本文從位錯(cuò)強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化以及應(yīng)變強(qiáng)化等方面闡述了機(jī)械加工的強(qiáng)化理論與機(jī)理模型，在此基礎(chǔ)上提出了機(jī)械加工的強(qiáng)化工藝與技術(shù)，希望能對(duì)機(jī)械加工強(qiáng)化機(jī)理與工藝的研究起到一定的借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】 機(jī)械加工 強(qiáng)化機(jī)理 工藝技術(shù)

一、機(jī)械加工中強(qiáng)化機(jī)理的研究

材料的強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上是指原子與原子之間的相互作用力，原子間結(jié)合力越小則材料越容易發(fā)生滑移，進(jìn)而產(chǎn)生塑性變形導(dǎo)致材料發(fā)生強(qiáng)度破壞。很多學(xué)者在對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度的研究過(guò)程中假定金屬的塑性變形是一種剛性滑動(dòng)，然而按照這種假定導(dǎo)算出的滑動(dòng)臨界應(yīng)力卻與金屬實(shí)際強(qiáng)度偏差數(shù)百倍。基于此，國(guó)外學(xué)者提出了影響金屬?gòu)?qiáng)度的晶體位錯(cuò)理論，一定程度上為機(jī)械加工的強(qiáng)化機(jī)理提供了新的研究方向，本文主要從位錯(cuò)強(qiáng)化、應(yīng)變強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化三個(gè)方面闡述機(jī)械加工的強(qiáng)化機(jī)理。

1.1 位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)理

晶體位錯(cuò)理論認(rèn)為金屬實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于金屬理論強(qiáng)度的一個(gè)重要原因是金屬晶體中存在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的情況，導(dǎo)致金屬的塑性變形一定程度上是由晶體的位錯(cuò)滑移決定的，變形臨界應(yīng)力產(chǎn)生了極大下降。因此機(jī)械加工的強(qiáng)化機(jī)理可以增大晶體產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難度為出發(fā)點(diǎn)，提高金屬材料的實(shí)際強(qiáng)度。位錯(cuò)強(qiáng)化主要是通過(guò)位錯(cuò)增殖機(jī)制與位錯(cuò)障礙機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，兩種機(jī)制的主要強(qiáng)化手段都是加強(qiáng)金屬材料的流變應(yīng)力，流變應(yīng)力一定程度上表示了晶體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力大小，由位錯(cuò)強(qiáng)化與晶格阻力兩部分組成。研究表明，溫度可對(duì)金屬的位錯(cuò)強(qiáng)化產(chǎn)生十分重要的影響，當(dāng)金屬材料處于低于臨界溫度的環(huán)境中時(shí)，溫度越高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到的阻力越小，流變應(yīng)力降低；當(dāng)金屬材料處于高于臨界溫度的環(huán)境中時(shí)，溫度對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力影響可忽略不計(jì)。

1.2 晶界強(qiáng)化機(jī)理

晶界位錯(cuò)理論認(rèn)為晶界會(huì)對(duì)晶體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要作用，晶界實(shí)質(zhì)上是指多晶體金屬材料中晶粒之間不同取向的界限，一定意義上來(lái)說(shuō)晶界是一種位錯(cuò)源，可限制晶體中發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增大位錯(cuò)密度，從而阻礙金屬發(fā)生塑性變形保證金屬的實(shí)際強(qiáng)度。晶界對(duì)金屬材料的強(qiáng)化作用包括直接強(qiáng)化與間接強(qiáng)化兩個(gè)方面，強(qiáng)化效果一般由晶粒尺寸與流變應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系決定，即細(xì)粒強(qiáng)化效果，研究表明，細(xì)粒強(qiáng)化效果主要由金屬材料的彈性模量、晶界能以及晶粒直徑等因素決定。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，相關(guān)人員也應(yīng)認(rèn)識(shí)到晶界會(huì)使金屬材料過(guò)早產(chǎn)生應(yīng)力疲勞，應(yīng)合理考慮晶界強(qiáng)化機(jī)理的利與弊。

1.3 應(yīng)變強(qiáng)化機(jī)理

應(yīng)變強(qiáng)化機(jī)理通過(guò)增加金屬塑性變形中的附加位錯(cuò)提高材料強(qiáng)度，附加位錯(cuò)會(huì)對(duì)原有的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的限制，是晶體位錯(cuò)發(fā)生相互纏繞與相互作用。應(yīng)變強(qiáng)化在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)使金屬材料產(chǎn)生三個(gè)硬化階段：易滑移階段、線性硬化階段與動(dòng)態(tài)恢復(fù)階段。易滑移階段應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)金屬材料的強(qiáng)化作用不明顯，金屬?gòu)?qiáng)度主要受到晶體結(jié)構(gòu)與晶體內(nèi)雜質(zhì)的影響；線性硬化階段應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)金屬材料的強(qiáng)化作用最為明顯，加工硬化速率很高，流動(dòng)應(yīng)力極大增強(qiáng)，應(yīng)變量與強(qiáng)化作用呈現(xiàn)一次函數(shù)關(guān)系；動(dòng)態(tài)恢復(fù)階段應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)材料的強(qiáng)化作用逐漸降低，于應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力后結(jié)束。

二、機(jī)械加工強(qiáng)化工藝技術(shù)研究

2.1 噴丸強(qiáng)化技術(shù)

噴丸強(qiáng)化技術(shù)主要是對(duì)應(yīng)變強(qiáng)化與組織強(qiáng)化的利用，主要手段是將高速運(yùn)動(dòng)的彈丸通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備噴射于金屬材料表面，進(jìn)而使金屬的晶體結(jié)構(gòu)趨向于理想狀態(tài)，以達(dá)到增強(qiáng)材料強(qiáng)度的目的。噴丸強(qiáng)化技術(shù)由于設(shè)備簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)逐漸成為目前全球應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械加工強(qiáng)化技術(shù)，噴丸強(qiáng)化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可分為干式噴丸與濕式噴丸，兩種噴丸工藝的技術(shù)設(shè)備都以離心式機(jī)械為主，噴丸通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生離心力驅(qū)動(dòng)彈丸噴射到材料表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料強(qiáng)度的提高。

2.2 滾壓強(qiáng)化技術(shù)

滾壓強(qiáng)化技術(shù)主要是通過(guò)限制晶體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)提高材料強(qiáng)度，以限制金屬晶體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)向金屬表面施加一定的滾壓壓力著重增強(qiáng)金屬晶體的位錯(cuò)密度，例如加強(qiáng)晶體原子間的相互纏繞或相互作用，增大晶體產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難度，進(jìn)而提高金屬材料的使用性能和實(shí)際強(qiáng)度，是對(duì)晶界強(qiáng)化機(jī)理與應(yīng)變強(qiáng)化機(jī)理的運(yùn)用。滾壓強(qiáng)化技術(shù)的工藝實(shí)現(xiàn)一般是通過(guò)液壓滾壓工具，利用液壓設(shè)備向滾珠施加壓力，再由滾珠將壓力傳遞至材料表面，材料表面壓力的增加實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料強(qiáng)度的增強(qiáng)。

結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)材料的使用性能提出了更高的要求，機(jī)械加工的強(qiáng)化機(jī)理與工藝也逐漸受到越來(lái)越多人的重視。目前機(jī)械加工的強(qiáng)化機(jī)理主要包括位錯(cuò)強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化以及應(yīng)變強(qiáng)化等，通過(guò)對(duì)強(qiáng)化機(jī)理的運(yùn)用也出現(xiàn)了眾多有效的強(qiáng)化工藝與技術(shù)，例如噴哇強(qiáng)化技術(shù)、滾壓強(qiáng)化技術(shù)等等，為材料強(qiáng)度的研究注入了新的活力。

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