第二十八期 覆盖率:发展,测量,控制及意义
发布时间:2019/6/13 9:22:28

引 言                                                                                                                                                                                           

       喷丸的主要目的是在材料表面产生一层压缩应力的“表皮”,从而提高部件的使用性能。一个重要的结论是,材料表面的加工硬化是靠高速撞击的丸料产生的。这种加工硬化通常会提高零件的服役寿命。另一方面,过度的加工硬化会降低表面材料的延展性,导致微裂纹的形成和服役寿命的降低。当粒子撞击表面时,它们产生的凹痕占零件表面积的比例,术语“覆盖率”定义为冲击弹丸粒子撞击喷丸表面所产生的凹坑的比例。因此,“99%覆盖率”等表达式表示99%的表面积至少撞击了一次,而1%的表面积根本没有受到任何影响。本章的核心问题包括:“覆盖率如何发展?”如何测量和控制覆盖率?覆盖率如何变化?”最佳覆盖范围是什么?以及“覆盖率与所需的表面残余应力的关系如何?”

覆盖率的发展

       覆盖率发展,我们通常是基于丸料产生的随机压痕作为简单模型来解释。该模型假设相同的弹丸粒子以恒定的速率(单位时间内单位面积的冲击量)撞击表面,产生相同的圆形凹痕,并且凹痕是随机分布的。图1显示了逐渐发展的覆盖率示意图。在喷丸的第一秒钟,产生了8个圆形压痕区域,16个在2秒内,32个在4秒内,64个在8秒内,相当于每秒8个压痕的恒定速率。每个压痕的中心都位于外侧方格内,压痕的坐标是用计算机生成的随机数分配的。内侧方格给出了影响范围的真实指示。应当注意的是,随着覆盖范围的扩大,多重影响的发生越来越频繁。

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                                                           8个撞击点                                   16个撞击点

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                                                           32个撞击点                               64个撞击点

图1 覆盖率递增模型


       可使用图像分析来测量“受影响”的总面积,在这个特定示例中,1、2、4和8s的值分别为15.67%、34.85%、46.87%和77.10%。这些值与覆盖曲线一起绘制在图2中,覆盖曲线与以相同比例受影响的无限大面积有关。覆盖曲线基于Avrami方程:

覆盖率= 100 [ 1-exp(-A.R.t)]                                       (1)

       其中A是每次冲击的面积,R是产生凹坑的速率,t是冲击时间

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图2 由图1预测覆盖率趋势图


       可以看出,这四个实验点并不精确地位于覆盖曲线上。这是因为点代表有限样本,而曲线代表无限样本。这种差异既微妙又重要。通过类比,考虑掷一个完全规则的六面骰子,掷六次,我们可能只得到一个“六”,也可能在六次过程中从0到6杂乱出现,另一方面,如果我们掷骰子的次数是无限的,那么对于一个规则的骰子,频率的平均值将精确到骰子的每个面,即投掷次数越多,相同数字出现的频率将非常接近。

       随着覆盖率的增长,重复影响的数量也随之增加。如图3所示。这些曲线也是使用“Avrami模型”推导出来的,在这个模型中,在无限大的区域内随机创建相同的圆形凹坑,但喷丸流量不变,在90%的覆盖率下,“重合点”(最常见):一个特定点受到影响的次数是2次,然后是1、3、4、5等。99%时,重合点数为4,99.9%时,重合点数为7。在99.9%的覆盖率下,大部分区域将受到超过20次的影响。该模型预测,无论进行了多长时间的喷丸,100%的覆盖率都不会达到,这是因为我们假设一个无限大的表面积正在被喷丸。在有限喷丸面积内,覆盖率可以达到100%,但时间永远无法保证。即使使用非常高的喷丸强度,我们也只能说对于有限区域来说整个喷丸区域有很高的可能达到100%覆盖率。

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图3 不同数量丸料对总覆盖率的贡献


       在此有个争论点,我们的通常认为撞击后覆盖率是不断增加的(宏观意义上),但其平均值明显低于100%。这里存在一个最佳覆盖值的概念,低于此值表示欠喷丸,高于此值表示过度喷丸。这个最佳值在很大程度上取决于被喷丸的材料。应记住,喷丸的主要目的是产生一种压缩性“皮肤”,以优化材料使用性能,而不是徒劳地追求100%的覆盖率。这种盲目追求将使得零件被过度的喷丸处理,同时有可能超过材料的延展性,并降低原先喷丸的好处。

覆盖率的控制和测量

       控制覆盖率的第一个问题是能够准确地测量它。图4显示了一个放大约10倍的轻微喷丸试样。由于存在大量未喷丸表面,因此可以对试样进行合理准确的测量。利用图像分析程序可以很容易地对这些样品进行定量测量。然而,随着覆盖率接近100%,测量变得困难并最终无法进行。同时由于原始表面未打磨也加剧了测量问题,制造商不会仅仅为了帮助测量覆盖范围而对其零件进行打磨,因此,喷丸表面的不均匀性是最重要的问题,因为不均匀的表面难以对焦。重叠的凹坑边缘模糊,微小的未喷丸区域都将影响到测量值。

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图4 使用S170弹丸对铝样品进行喷丸处理,覆盖率为34.8%,放大10倍,并使用具有毫米刻度的公制尺进行观察。


       显然无限小的未喷丸区域不可能测量。对于非常小的未喷丸区域,当前的技术也无法进行测量。例如,考虑一个10mm*10mm区域,该区域将在10倍放大倍率下拍照进行检查。图像在10倍放大率下的“屏幕上”尺寸将为100mm*100mm。假设相机具有录制1兆像素图像的能力。相当于1000×1000像素的正方形图像。因此,样本表面的每平方毫米对应于100×100像素。如果我们现在考虑由S110或S170弹丸形成的压痕,压痕直径将在0.1mm区域。那么,这就相当于一个直径为0.1mm的圆,它被刻在一个正方形上,这个正方形的图像只有10像素*10像素。图5显示了这种情况的一种表示。

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图5 0.1mm直径的喷丸区域像素化图片,其中包括重叠喷丸区和未喷丸区域


       如果(这是一个非常大的“如果”)相机能够完美地区分被喷丸和未喷丸的区域,那么喷丸区将显示为较暗的像素(单色),从而形成“锯齿状的圆”。如图5所示,三个重叠撞击之间形成的“未喷丸区域”在任何方向上都小于一个像素,因此无法检测到。图中所示的单个“未喷丸区域”的面积约为0.1*0.1mm总面积的0.1%。因此,我们无法确定覆盖率是否高于99.9%。事实上,在整个区域上有10个这样小的未喷丸的区域,我们甚至无法确定是否达到了99%的覆盖率。

       定量图像分析覆盖率测量方法的精度取决于原始图像的质量。为了说明可能出现的问题,特意使用了低质量图像,如图6(a)所示。如图6(b)所示,对应的二值图像无法区分未喷丸区域的反射率和压痕底部。因此,“黑点”出现在大多数凹坑区域的中心。对图像的精确分析只能基于测量每个已识别喷丸的封闭区域(忽略凹坑之间的斑点)。因此,拥有一个高质量的图像才能更好、更容易的进行测量工作!

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                                                                     (a)                                (b)

图6 采用S170丸料、10倍放大率对铝件进行喷丸的光学图像(a)和二值图像(b)


       可靠的测量需要建立在含有大量未喷丸区域的表面的基础上。因此,考虑覆盖率控制时,也应该基于对覆盖率远低于99%的表面进行的测量。下面的案例研究旨在说明如何实施这种控制。

覆盖率控制案例研究

       一个零件要用四个相同的压痕进行喷丸,目的是精确地达到99.9%的覆盖率。唯一可用于控制的变量为丸料的流量。准备抛光的材料片,其材料性能尺寸都应相同才可使用。

第一步可以是将抛光的材料片安装到喷丸设备中,方法与固定Almen试片的方法类似。喷丸时,材料片进行一次性喷丸,给定一个丸料流量。喷丸后,对材料片的几个区域进行拍照和图像分析,以便进行覆盖率测试。平均覆盖率为74.6%。我们可以将该值代入Avrami覆盖方程(1),得出:

74.6 = 100(1-exp(-A.R.1)]                                   (2)

       其中,第二个“1”表示测试中四个压痕中的第一个;A:每个压痕的面积假定为常量,R与丸料流量成正比。

       我们可以很容易地解出方程(2),其中A.R的值为1.3548。然后,可以将该值与2、3和4一起填入到方程(2)中,以表示随后的过程。这样我们就得到了2次、3次、4次通过的总覆盖率为93.344%、98.283%和99.55%,即2次、3次和4次通过(以1.3548的A.R率)。因此,四次通过后的覆盖率低于所需的99.9%。然后,我们将所需的99.9%代入方程中,找到A.R的值,所需的A.R值为1.7269。将该值与1.3548进行比较表明,我们需要将丸料流量增加约27.5%,以便通过四个压痕精确地实现99.9%的覆盖率。实际计算如图7所示,其中“x”用于初始的A.R组合,而“y”用于调整后的A.R比率。

       如果所需的覆盖率是99.99%,而不是99.9%,那么弹丸流量比率必须增长70.0%(采用与之前相同的程序得出)。对于99.999%的覆盖率,程序预测所需的弹丸流量比率增加112.4%。应该注意的是,如此高的覆盖率值很可能会超过材料优化所需的值。注意,在每次传递过程中,”A” 都被假定为常量。可以使用比(1)更复杂的方程,该方程将可能减小凹坑A的尺寸。

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图7 “Mathcad”工作表用于预测所需弹丸流量的变化量


覆盖率与表面残余应力

       零件的喷丸会在整个表面形成一个二维的、非常有益的、压缩应力的表面层。喷丸如此持续有效的一个主要原因是它是一个“渐变”的过程。这就是说,如果在任何临界应力区域的覆盖范围不降到非常低的时候,那么压缩残余应力的保护表皮是完整。因此,我们是可以通过对零件进行喷丸来提高材料性能,未受影响的小区域并不意味着表面存在“弱点”,这是因为不是凹坑产生了压缩应力区,而是凹坑下方和周围的变形区产生了压缩应力区。图8显示了一个单一的冲击区域、其相邻的变形区域以及压缩应力材料同心“包络”的表示。压缩应力水平从撞击区中心越远下降。

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图8冲击区、变形区及周围压应力包络线示意图


       图8的目的只是为了说明冲击区和变形区的尺寸都是有限的,而包络影响区是无限的(没有特定的边界)。冲击区的有限尺寸由弹丸尺寸、喷丸能量、材料强度等决定。周围变形区的有限尺寸由冲击中心的距离决定,超过屈服强度-因此塑性变形有一个尖锐的“截止线”。另一方面,压缩残余应力值随着距离冲击区域中心的距离逐渐下降,即最大压缩应力值将位于冲击区域下方。为了说明重叠的应力轮廓,图9用同心等应力圆表示了远离冲击区域的应力大小下降,包括几个冲击区域。由于“应力叠加原理”,重叠的应力轮廓将合并,形成表面残余压应力的连续性。如果喷丸前表面含有拉伸残余应力,喷丸后则由喷丸产生的压缩残余应力代替。

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图9多个喷丸区的重叠压缩等应力圆


       另一个重要因素是压力水平不能突然改变。因此,在已获得均匀、实质性覆盖的喷丸部件中,物理上不可能有拉伸表面残余应力区域,甚至是非常低的压缩残余应力区域。

讨论和结论

       上述论据得出三个主要结论:

       1. 无需尝试对已喷丸部件进行很高的覆盖率。

       2. 有效的覆盖率控制可以通过在早期测量覆盖率,调用适当的覆盖率公式,然后控制给定喷丸状态下的丸料流量。

       3. 有限和无限覆盖样本之间是有很大区别的。

       对于高覆盖率的精确测量是不可能的。很难有效识别,更不用说确保,100%覆盖整个已喷丸部件的表面。在不同的使用条件下,应为不同的材料测试最佳覆盖率,这一点很重要。这是因为喷丸的目的是产生一个压缩应力表面“皮肤”,优化材料性能。过度的喷丸会导致喷丸表面延展性的耗尽而退化。另一方面,在进行喷丸处理时,表面不会达到最佳硬度(通过加工硬化)并且随后压缩应力“表皮”的厚度会减小。可以合理地假设,对于许多材料,最佳覆盖率将小于90%。

       定量覆盖控制可以成为精密喷丸的有效手段。一个基本的优点是覆盖/喷丸时间曲线具有如此简单的形状,相应的Avrami方程只有一个变量——假设有固定的凹坑直径。与阿尔门饱和曲线的复杂形状相比,阿尔门饱和曲线需要三到四个参数才能进行精确分析。因此,对于恒定的喷丸条件,仅需一次测量即可预测覆盖/喷丸时间曲线的进度。固定凹坑直径的使用是一种简化,真正的喷丸区域包含不同范围直径的凹坑。但这并不能证明从喷丸的中间阶段就可以预测最终覆盖率的观点是正确的。等直径的概念可以等同于一系列凹坑尺寸的平均直径。

       结果表明,基于小而精确的丸流比率变化的控制是非常有效的。与大多数可接受的控制程序一样,必须有参考标准。例如,定量化学分析依赖于一系列已知成分的标准样品。然后,测量值相对于最近可用标准的测量值进行表示。

案例研究中概述的覆盖控制程序的参考标准应包括:

       1. 一套不同材料的标准数码照片,经处理后覆盖范围不同。然后可以调整图像分析程序,使其与标准相匹配。

       2. 一套标准的经喷丸处理的样品,同样由不同的材料经不同的、确定的覆盖范围进行喷丸处理。然后可以调节成像/分析技术。

       覆盖测量的精度将通过使用试片、抛光过的部件材料或至少细磨过的部件材料来提高。图像分析程序应允许一次测量大量凹坑区域。这是为了消除有限样本大小和无限大样本预测值之间的差异。

       覆盖整个表面的均匀性很重要。如果在喷丸的中间阶段进行测量,也可以更有效地监测这一点。

       最后,覆盖率和喷丸强度(通过阿尔门饱和曲线测量)是不同的。它们反映了喷丸控制的不同方面。对喷丸部件覆盖范围的准确了解将涉及到压缩残余应力这层保护皮的完整性。此外,覆盖范围的测量是指材料本身。另一方面,喷丸强度指的是适用于铝带的喷丸“强弱性”——使用的标准材料必须符合规范和相应条件。


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