表面形变范文10篇

表面形变范文篇1

关键词：表面形变；强化技术；滚压；内挤压；喷丸

引言

材料表面处理技术简称材料表面技术，是材料科学的一个重要分支，是在不改变基体材料的成分和性能（或虽有改变而不影响其使用）的条件下，通过某些物理手段（包括机械手段）或化学手段来赋予材料表面特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。材料表面技术在工业中的应用，大幅度提高了产品（尤其是金属零件）的性能、质量和寿命，并产生了巨大的经济效益，因而深受各国政府和科技界的重视。

1表面形变强化原理

通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达0.5～1.5mm），从而使表面层硬度、强度提高。

2表面形变强化工艺分类

表面形变强化主要有喷（抛）丸、滚压和孔挤压等三种工艺。

2.1喷丸强化工艺

喷丸是国内外广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐蚀点（孔蚀）能力，它具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方法。

2.1.1喷丸强化的发展状况

1908年,美国制造出激冷钢丸,金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速发展,而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。1929年,在美国由Zimmerli等人首先将喷丸强化技术应用于弹簧的表面强化,取得了良好的效果[1]。20世纪40年代，人们就发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层，可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。到了20世纪60年代，该工艺逐步应用于机械零件的强化处理上。20世纪70年代以来，该工艺已广泛应用于汽车工业，并获得了较大的经济技术效益，如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮均采用了喷丸强化工艺，大幅度提高了抗疲劳强度。

进入20世纪80年代后，喷丸处理技术在大多数工业部门，如飞机制造、铁道机车车辆、化工、石油开发及塑料模具、工程机械、农业部门等推广应用，到了20世纪90年代其应用范围进一步扩大，如电镀前进行喷丸处理可防止镀层裂纹的发生[2]。

最近几年，随着工业技术的迅猛发展和需求，人们对这一操作简单，效果显著的表面处理技术给予了极大的关注，开发了多种新工艺，下面将介绍包括机械喷丸在内的多种新喷丸工艺的原理和特点逐一介绍。

2.1.2喷丸强化工艺的工作原理

喷丸处理是一种严格控制的冷加工表面强化处理工艺，其工作原理是：利用球形弹丸高速撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成残余压缩应力层。形成压缩应力层的目的是预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳破坏裂纹部位的抗应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。

2.1.2.1机械喷丸

大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件表面喷射，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格扭曲和高密度错位，足够长的时间后，以冷加工的形式使工件表面金属材料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸表面结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此在工件表面和近表面形成残余的压应力，从而显著地提高了材料的物理和化学性能。

传统的喷丸强化因其具有提高金属零构件抗疲劳断裂能力而得到广泛应用，但也存在不少问题而影响其发展广度和深度：（1）受零构件的凹槽部位和丸粒不能有效撞击难以达到部位的限制，产生喷丸死角，造成喷丸强度不足；（2）受喷丸强化表面粗糙度的限制；（3）受环境污染的限制。因此，为满足更高的要求，人们有提出了各种不同的新工艺以满足要求。

2.1.2.2激光喷丸

激光喷丸强化是一项新技术。20世纪70年代初，美国贝尔实验室就开始研究高密度激光束诱导的冲击波来改善材料的疲劳强度。

激光喷丸的机理是：短脉冲的强激光透过透明的约束层（水帘）作用于覆盖在金属板材表面的吸收层上，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波，由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈服强度极限时，板料表面发生了塑性变形，同时由于表面的塑性变形使表层下发生的弹性变形难以恢复，因此在表层产生残余压应力。

与传统的机械喷丸强化相比，激光喷丸强化具有以下鲜明的特点和优势：（1）光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸，而传统机械喷丸受到弹丸直径等因素的限制则无法进行；（2）激光脉冲参数和作用区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累计的形式多次喷丸，因而残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控；（3）激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸的残余应力大，其深度比机械喷丸形成的要深；(4)激光喷丸使得零件表面塑性变形形成的冲击坑深度仅为几个；（5）适用范围广、对炭钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金及镍基高温合金等材料均适用[3]。

2.1.2.3高压水射流喷丸强化工艺

高压水射流喷丸强化工艺是近30年来迅猛发展起来的一项新技术，在20世纪80年代末，Zafred首先提出了利用高压水射流进行金属表面喷丸强化的思想。

高压水射流喷丸强化机理：就是将携带巨大能量的高压水射流以某种特定的方式高速喷射到金属零构件表面上，使零构件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变（冷作硬化层），呈现理想的组织结构（组织强化）和残余应力分布（应力强化），从而达到提高零构件周期疲劳强度的目的。

与传统喷丸强化工艺相比，高压水射流喷丸强化技术具有以下特点：（1）容易对存在狭窄部位、深凹槽部位的零件表面及微小零件表面等进行强化；（2）受喷表面粗糙度值增加很小，减少了应力集中，提高了强化效果；（3）无固体弹丸废弃物，符合绿色材料选择原则，不因弹丸破损而降低表面可靠性；（4）低噪声、无尘、无毒、无味、安全、卫生有利于环境保护和操作者的健康。高压水射流喷丸强化技术先进、优势明显，具有广阔的应用前景[4]。

2.1.2.4微粒冲击

最近日本研究者提出了一种微粒冲击技术，这种方法可大大简化因为想同时提高金属零部件表面硬度、耐疲劳强度、耐磨性能并且降低表面粗糙度，而先后进行喷丸强化、表面研磨和抛光处理的做法。

与传统喷丸强化相比，微粒冲击方法采用的弹丸直径小，冲击速度快，硬度提高，处理后工件表面硬度增加的幅度大，表面的粗糙度小，而且通过残余应力分析，微粒冲击样品的最大残余应力则在表面以下100处，其存在深度大于微粒冲击，因此与喷丸相比，微粒冲击工件的表层硬度与普通喷丸处理的工件表面硬度相当，但微粒冲击明显降低了工件表面粗糙度，可使得耐磨特性得到了显著的提高，因此可延长被加工工件的使用寿命。

2.1.2.5超声/高能喷丸

中国科学院沈阳金属研究所对传统喷丸技术进行了改经，开发了喷丸（高频）和高能喷丸（低频）技术，实现了多种金属材料的表面纳米化，依对304不锈钢的研究表明，随着高能喷丸处理时间的增加，金属中马氏体的含量增加，到一定时间后达到饱和，金属材料表面纳米化可显著提高材料的表面硬度，还可以明显降低氮化温度、缩短氮化时间[5]。

2.1.3喷丸强化发展趋势

伴随这现代工业的快速发展,对机械产品零件表面的性能要求越来越高,改善材料表面性能,延长零件使用寿命,节约资源,提高生产力,减少环境污染已成为表面工程技术新的挑战。作为表面工程技术分支的表面喷丸强化技术面对这些机遇和挑战,将在加强理论研究的基础上发展新技术、新方法、新工艺、新设备和设备控制技术。

其主要研究方向[6]是:理论研究,也就是研究各种单一喷丸和复合喷丸的强化机理、喷丸提高零构件疲劳和接触疲劳强度的机制、喷丸过程力的作用形式及对表面（变形层厚度、粗糙度等）的影响、喷丸参数（弹丸材质、硬度、直径等）对喷丸强度的影响、喷丸使残余奥氏体转变为马氏体后材料的稳定性及耐磨性等；研究喷丸工艺和其他强化工艺方法的有机结合;加大开发新型、高效、低耗的喷丸设备和弹丸属性对喷丸强化效果的影响；着力解决传统喷丸强化工艺由于喷表面粗糙度、绿色喷丸等方面存在的问题。

2.2滚压强化工艺

滚压强化工艺是一种无切削加工工艺，表面滚压可以显著地提高零件的疲劳强度，并且降低缺口敏感性。

2.2.1滚压强化原理

利用特制的滚压工具,对零件表面施加一定压力,使零件表面层的金属发生塑性变形,从而提高表面粗糙度和硬度,这种方法叫做滚压,又称无屑加工。表面滚压特别适用于形状简单的大零件，尤其是尺寸突然变化的结构应力集中处，如火车轴的轴径等，表面滚压处理后，其疲劳寿命都有了显著提高。滚轮滚压加工可加工圆柱形或锥形的外表面和内表面曲线旋转体的外表面、平面、端面、凹槽、台阶轴的过渡圆角。滚压用的滚轮数目有1、2、3。单一滚轮滚压只能用于具有足够的工件；若刚度工件较小，则需用2个或者3个滚轮在相对的方向上同时进行滚压，以免工件弯曲变形，如图（a）、（b）所示[7]。

2.2.2滚压强化的发展趋势

定量定性。为获得特定的材料表面晶粒度、变形层厚度，应采用多大的滚压力、滚压速度以及滚压次数，目前没有这方面有指导意义的详细的试验数据或公式。

形式的多样性。目前的滚压技术一般只适用于回转体类和平面类零件，所以应完善滚压技术使得能适应零件形式的多样性，提高其使用范围。

大塑性变形。一般传统的滚压技术很难实现大变形，即使施加了比正常情况下高出几倍的压力,达3000N甚至更高,也未能消除车削留下的刀痕。

高强度。目前国内企业采用曲轴滚压工艺强化技术较低，一般只能提高强度30％～50％，当需要大幅度提高强度时，还需有更好滚压强化工艺[11]。

2.2.3滚压强化的发展状况

滚压强化技术是1929年由德国人提出的，1933年在美国铁路上开始应用滚压方法，1938年前苏联应用于机车车轴轴颈。1950年美国、前苏联在军用、民用飞机上大量应用孔挤压技术，如提高干涉配合铆接、干涉配合螺接；1970年国内航空部门开始将冷挤压工艺应用到飞机制造及维修中[8]。

目前主要的滚压加工工具有硬质合金滚轮式滚压工具、滚柱式滚压工具、硬质合金YZ型深孔滚压工具、圆锥滚柱深孔滚压工具、滚珠式滚压工具，通过滚压可以提高表面粗糙度2～4级，耐磨性比磨削后提高1.5～3倍，可以修正和提高形状误差和表面粗糙度，而且滚压过程操作方便，效率高、净洁无污染，其具有应用范围宽，滚压后的零件使用寿命长等特点，适用于对粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面。

这种方法主要应用在大型轴类、套筒类零件内、外旋转表面的加工、滚压螺钉、螺栓等零件的螺纹以及滚压小模数齿轮和滚花等，并取得了显著成果，很好的提高了经济效益，如天津大学内燃机研究所唐琦等人通过对370Q型汽油机、376Q型柴油机进行的曲轴负荷分析、强度估算及弯曲疲劳强度实验表明，与未滚压曲轴相比教，经圆角滚压的曲轴疲劳强度增加了92.3％，安全系数由1.18提高到2.28并大幅度提高曲轴疲劳强度；还有如柳州南方汽车缸套厂在对缸套进行滚压试验后发现同一材料、硬度和壁厚的气缸套，由原来的直槽改制成为沉割槽，其破断力在原来基础上提高了35%以上，技术指标显著增加，获得明显效果，如表1[9]所示。

表1气缸套滚压前后主要技术指标对比表

气缸套规格前后对比平均破断力气缸套规格前后对比平均破断力

6105QB直槽131.18

6105QC直槽176.14

滚压槽176滚压槽243.39

提高(%)35.69提高(%)28.18

通过大量试验研究和工厂实践表明，影响到滚压质量的因素主要有以下几种：工件材料的性质：硬度、塑性、金相组织，硬度越低，塑性越高，则滚压效果越好；预加工的表面状况：表面粗糙度、显微组织、几何形状精度；滚压工具的结构：特殊的加工类型需要相应的滚压工具才能更好的保证加工质量；滚压用量：滚压深度、进给量、滚压速度、滚压次数[10]。

2.3内挤压强化工艺

孔挤压是一种使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显。

2.3.1内挤压强化原理

孔挤压是利用棒、衬套、模具等特殊的工具，对零件孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形成的硬化层。塑性变形层内组织结构发生变化，引起形变强化，并产生残余压应力，降低了孔壁粗糙度，对提高材料疲劳强度和应力腐蚀能力很有效。

2.3.2内挤压强化的发展状况

由于孔挤压强化效率高、效果好、方法简单，使用于高强度钢，合金结构钢、铝合金、钛合金以及高温合金等零件。主要被挤压孔的形状是圆孔、椭圆孔、长圆孔、台阶孔埋头窝孔和开口孔。

目前主要应用于以下几种类型[12]：

挤压棒挤压强化。孔壁上涂干膜润滑剂，施加力的方式阿为拉挤或推挤，适用于大型零部件装配和维修；

衬套挤压强化。孔内装有衬套，挤压棒用拉挤或推挤方式通过衬套孔，适用于各类零部件的装配和修理；

压印模挤压强化。在圆孔或长圆孔周围用压印模挤压出同心沟槽。适用于大型零部件及蒙皮关键承力部位的孔压印；

旋转挤压强化。使用有一定过盈量，经向镶有圆柱体的挤压头，旋转通过被挤压的孔，适用于起落架大直径管件和孔。

由于内挤压特殊的高效而简单的强化工艺，使得内挤压强化工艺得到了一系列广泛的应用，并也取得了良好的效果，一下是几种常见材料挤压的强化效果见表二[13]，可知孔挤压后可大幅度提高疲劳极限。

表二各种材料孔挤压强化效果

材料孔直径/mm应力循环次数/次疲劳极限/MPa

未挤压挤压

300M钢301×106280320

AF410钢201×106430610

30CrMnSiNiZA钢61×106523680

40CrNiMoA钢61×106320470

30CrNiMoV钢61×106260300

Ti6A14V钛合金201×106157206

LC9铝合金61×10760110

LC4铝合金61×10775121

也由于内挤压的特殊工艺性，这就要求挤压时一定要均匀、缓慢、连续的挤压孔，不允许有冲击和暂停现象。

3结论

表面形变强化效果显著，成本低廉，是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，也是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一。

参考文献:

[1]董星，段雄.喷丸强化机械及技术的发展[J].矿山机械，2004，32（7）：66-68.

[2]刘春阳.方兴未艾的喷丸强化处理新技术[J].世界产品与技术，1997，（2）：10-11.

[3]章兴权.金属零件表面改性的喷丸强化技术[J].电加工与模具，2005，（2）：30-32.

[4]董星、段雄.高压水射流喷丸强化技术[J].表面技术，2005，34（1）：48-49.

[5]栾伟玲、涂善东.喷丸表面改性技术研究进展[J].中国机械工程，2005，16（15）：1405-1409.

[6]陈宏钧.车削表面的滚压加工[J].机械工人（冷加工），2001，（7）：54-57.

[7]孙希泰.材料表面强化技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[8]覃正光.滚压技术在气缸套加工中的应用[J].内燃机配件，1995，（2）：25.

[9秦书勤.超精内孔滚压技术及其应用[J].航天工艺，2000（6）：48.

表面形变范文篇2

关键词：表面形变；强化技术；滚压；内挤压；喷丸

引言

材料表面处理技术简称材料表面技术，是材料科学的一个重要分支，是在不改变基体材料的成分和性能（或虽有改变而不影响其使用）的条件下，通过某些物理手段（包括机械手段）或化学手段来赋予材料表面特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。材料表面技术在工业中的应用，大幅度提高了产品（尤其是金属零件）的性能、质量和寿命，并产生了巨大的经济效益，因而深受各国政府和科技界的重视。

1表面形变强化原理

通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达0.5～1.5mm），从而使表面层硬度、强度提高。

2表面形变强化工艺分类

表面形变强化主要有喷（抛）丸、滚压和孔挤压等三种工艺。

2.1喷丸强化工艺

喷丸是国内外广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐蚀点（孔蚀）能力，它具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方法。

2.1.1喷丸强化的发展状况

1908年,美国制造出激冷钢丸,金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速发展,而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。1929年,在美国由Zimmerli等人首先将喷丸强化技术应用于弹簧的表面强化,取得了良好的效果[1]。20世纪40年代，人们就发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层，可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。到了20世纪60年代，该工艺逐步应用于机械零件的强化处理上。20世纪70年代以来，该工艺已广泛应用于汽车工业，并获得了较大的经济技术效益，如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮均采用了喷丸强化工艺，大幅度提高了抗疲劳强度。

进入20世纪80年代后，喷丸处理技术在大多数工业部门，如飞机制造、铁道机车车辆、化工、石油开发及塑料模具、工程机械、农业部门等推广应用，到了20世纪90年代其应用范围进一步扩大，如电镀前进行喷丸处理可防止镀层裂纹的发生[2]。

最近几年，随着工业技术的迅猛发展和需求，人们对这一操作简单，效果显著的表面处理技术给予了极大的关注，开发了多种新工艺，下面将介绍包括机械喷丸在内的多种新喷丸工艺的原理和特点逐一介绍。

2.1.2喷丸强化工艺的工作原理

喷丸处理是一种严格控制的冷加工表面强化处理工艺，其工作原理是：利用球形弹丸高速撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成残余压缩应力层。形成压缩应力层的目的是预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳破坏裂纹部位的抗应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。

2.1.2.1机械喷丸

大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件表面喷射，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格扭曲和高密度错位，足够长的时间后，以冷加工的形式使工件表面金属材料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸表面结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此在工件表面和近表面形成残余的压应力，从而显著地提高了材料的物理和化学性能。

传统的喷丸强化因其具有提高金属零构件抗疲劳断裂能力而得到广泛应用，但也存在不少问题而影响其发展广度和深度：（1）受零构件的凹槽部位和丸粒不能有效撞击难以达到部位的限制，产生喷丸死角，造成喷丸强度不足；（2）受喷丸强化表面粗糙度的限制；（3）受环境污染的限制。因此，为满足更高的要求，人们有提出了各种不同的新工艺以满足要求。

2.1.2.2激光喷丸

激光喷丸强化是一项新技术。20世纪70年代初，美国贝尔实验室就开始研究高密度激光束诱导的冲击波来改善材料的疲劳强度。

激光喷丸的机理是：短脉冲的强激光透过透明的约束层（水帘）作用于覆盖在金属板材表面的吸收层上，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波，由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈服强度极限时，板料表面发生了塑性变形，同时由于表面的塑性变形使表层下发生的弹性变形难以恢复，因此在表层产生残余压应力。

与传统的机械喷丸强化相比，激光喷丸强化具有以下鲜明的特点和优势：（1）光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸，而传统机械喷丸受到弹丸直径等因素的限制则无法进行；（2）激光脉冲参数和作用区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累计的形式多次喷丸，因而残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控；（3）激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸的残余应力大，其深度比机械喷丸形成的要深；(4)激光喷丸使得零件表面塑性变形形成的冲击坑深度仅为几个；（5）适用范围广、对炭钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金及镍基高温合金等材料均适用[3]。

2.1.2.3高压水射流喷丸强化工艺

高压水射流喷丸强化工艺是近30年来迅猛发展起来的一项新技术，在20世纪80年代末，Zafred首先提出了利用高压水射流进行金属表面喷丸强化的思想。

高压水射流喷丸强化机理：就是将携带巨大能量的高压水射流以某种特定的方式高速喷射到金属零构件表面上，使零构件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变（冷作硬化层），呈现理想的组织结构（组织强化）和残余应力分布（应力强化），从而达到提高零构件周期疲劳强度的目的。

与传统喷丸强化工艺相比，高压水射流喷丸强化技术具有以下特点：（1）容易对存在狭窄部位、深凹槽部位的零件表面及微小零件表面等进行强化；（2）受喷表面粗糙度值增加很小，减少了应力集中，提高了强化效果；（3）无固体弹丸废弃物，符合绿色材料选择原则，不因弹丸破损而降低表面可靠性；（4）低噪声、无尘、无毒、无味、安全、卫生有利于环境保护和操作者的健康。高压水射流喷丸强化技术先进、优势明显，具有广阔的应用前景[4]。

2.1.2.4微粒冲击

最近日本研究者提出了一种微粒冲击技术，这种方法可大大简化因为想同时提高金属零部件表面硬度、耐疲劳强度、耐磨性能并且降低表面粗糙度，而先后进行喷丸强化、表面研磨和抛光处理的做法。

与传统喷丸强化相比，微粒冲击方法采用的弹丸直径小，冲击速度快，硬度提高，处理后工件表面硬度增加的幅度大，表面的粗糙度小，而且通过残余应力分析，微粒冲击样品的最大残余应力则在表面以下100处，其存在深度大于微粒冲击，因此与喷丸相比，微粒冲击工件的表层硬度与普通喷丸处理的工件表面硬度相当，但微粒冲击明显降低了工件表面粗糙度，可使得耐磨特性得到了显著的提高，因此可延长被加工工件的使用寿命。

2.1.2.5超声/高能喷丸

中国科学院沈阳金属研究所对传统喷丸技术进行了改经，开发了喷丸（高频）和高能喷丸（低频）技术，实现了多种金属材料的表面纳米化，依对304不锈钢的研究表明，随着高能喷丸处理时间的增加，金属中马氏体的含量增加，到一定时间后达到饱和，金属材料表面纳米化可显著提高材料的表面硬度，还可以明显降低氮化温度、缩短氮化时间[5]。

2.1.3喷丸强化发展趋势

伴随这现代工业的快速发展,对机械产品零件表面的性能要求越来越高,改善材料表面性能,延长零件使用寿命,节约资源,提高生产力,减少环境污染已成为表面工程技术新的挑战。作为表面工程技术分支的表面喷丸强化技术面对这些机遇和挑战,将在加强理论研究的基础上发展新技术、新方法、新工艺、新设备和设备控制技术。

其主要研究方向[6]是:理论研究,也就是研究各种单一喷丸和复合喷丸的强化机理、喷丸提高零构件疲劳和接触疲劳强度的机制、喷丸过程力的作用形式及对表面（变形层厚度、粗糙度等）的影响、喷丸参数（弹丸材质、硬度、直径等）对喷丸强度的影响、喷丸使残余奥氏体转变为马氏体后材料的稳定性及耐磨性等；研究喷丸工艺和其他强化工艺方法的有机结合;加大开发新型、高效、低耗的喷丸设备和弹丸属性对喷丸强化效果的影响；着力解决传统喷丸强化工艺由于喷表面粗糙度、绿色喷丸等方面存在的问题。

2.2滚压强化工艺

滚压强化工艺是一种无切削加工工艺，表面滚压可以显著地提高零件的疲劳强度，并且降低缺口敏感性。

2.2.1滚压强化原理

利用特制的滚压工具,对零件表面施加一定压力,使零件表面层的金属发生塑性变形,从而提高表面粗糙度和硬度,这种方法叫做滚压,又称无屑加工。表面滚压特别适用于形状简单的大零件，尤其是尺寸突然变化的结构应力集中处，如火车轴的轴径等，表面滚压处理后，其疲劳寿命都有了显著提高。

滚轮滚压加工可加工圆柱形或锥形的外表面和内表面曲线旋转体的外表面、平面、端面、凹槽、台阶轴的过渡圆角。滚压用的滚轮数目有1、2、3。单一滚轮滚压只能用于具有足够的工件；若刚度工件较小，则需用2个或者3个滚轮在相对的方向上同时进行滚压，以免工件弯曲变形，如图（a）、（b）所示[7]。

2.2.2滚压强化的发展趋势

定量定性。为获得特定的材料表面晶粒度、变形层厚度，应采用多大的滚压力、滚压速度以及滚压次数，目前没有这方面有指导意义的详细的试验数据或公式。

形式的多样性。目前的滚压技术一般只适用于回转体类和平面类零件，所以应完善滚压技术使得能适应零件形式的多样性，提高其使用范围。

大塑性变形。一般传统的滚压技术很难实现大变形，即使施加了比正常情况下高出几倍的压力,达3000N甚至更高,也未能消除车削留下的刀痕。

高强度。目前国内企业采用曲轴滚压工艺强化技术较低，一般只能提高强度30％～50％，当需要大幅度提高强度时，还需有更好滚压强化工艺[11]。

2.2.3滚压强化的发展状况

滚压强化技术是1929年由德国人提出的，1933年在美国铁路上开始应用滚压方法，1938年前苏联应用于机车车轴轴颈。1950年美国、前苏联在军用、民用飞机上大量应用孔挤压技术，如提高干涉配合铆接、干涉配合螺接；1970年国内航空部门开始将冷挤压工艺应用到飞机制造及维修中[8]。

目前主要的滚压加工工具有硬质合金滚轮式滚压工具、滚柱式滚压工具、硬质合金YZ型深孔滚压工具、圆锥滚柱深孔滚压工具、滚珠式滚压工具，通过滚压可以提高表面粗糙度2～4级，耐磨性比磨削后提高1.5～3倍，可以修正和提高形状误差和表面粗糙度，而且滚压过程操作方便，效率高、净洁无污染，其具有应用范围宽，滚压后的零件使用寿命长等特点，适用于对粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面。

这种方法主要应用在大型轴类、套筒类零件内、外旋转表面的加工、滚压螺钉、螺栓等零件的螺纹以及滚压小模数齿轮和滚花等，并取得了显著成果，很好的提高了经济效益，如天津大学内燃机研究所唐琦等人通过对370Q型汽油机、376Q型柴油机进行的曲轴负荷分析、强度估算及弯曲疲劳强度实验表明，与未滚压曲轴相比教，经圆角滚压的曲轴疲劳强度增加了92.3％，安全系数由1.18提高到2.28并大幅度提高曲轴疲劳强度；还有如柳州南方汽车缸套厂在对缸套进行滚压试验后发现同一材料、硬度和壁厚的气缸套，由原来的直槽改制成为沉割槽，其破断力在原来基础上提高了35%以上，技术指标显著增加，获得明显效果，如表1[9]所示。

表1气缸套滚压前后主要技术指标对比表

气缸套规格前后对比平均破断力气缸套规格前后对比平均破断力

6105QB直槽131.18

6105QC直槽176.14

滚压槽176滚压槽243.39

提高(%)35.69提高(%)28.18

通过大量试验研究和工厂实践表明，影响到滚压质量的因素主要有以下几种：工件材料的性质：硬度、塑性、金相组织，硬度越低，塑性越高，则滚压效果越好；预加工的表面状况：表面粗糙度、显微组织、几何形状精度；滚压工具的结构：特殊的加工类型需要相应的滚压工具才能更好的保证加工质量；滚压用量：滚压深度、进给量、滚压速度、滚压次数[10]。

2.3内挤压强化工艺

孔挤压是一种使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显。

2.3.1内挤压强化原理

孔挤压是利用棒、衬套、模具等特殊的工具，对零件孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形成的硬化层。塑性变形层内组织结构发生变化，引起形变强化，并产生残余压应力，降低了孔壁粗糙度，对提高材料疲劳强度和应力腐蚀能力很有效。

2.3.2内挤压强化的发展状况

由于孔挤压强化效率高、效果好、方法简单，使用于高强度钢，合金结构钢、铝合金、钛合金以及高温合金等零件。主要被挤压孔的形状是圆孔、椭圆孔、长圆孔、台阶孔埋头窝孔和开口孔。

目前主要应用于以下几种类型[12]：

挤压棒挤压强化。孔壁上涂干膜润滑剂，施加力的方式阿为拉挤或推挤，适用于大型零部件装配和维修；

衬套挤压强化。孔内装有衬套，挤压棒用拉挤或推挤方式通过衬套孔，适用于各类零部件的装配和修理；

压印模挤压强化。在圆孔或长圆孔周围用压印模挤压出同心沟槽。适用于大型零部件及蒙皮关键承力部位的孔压印；

旋转挤压强化。使用有一定过盈量，经向镶有圆柱体的挤压头，旋转通过被挤压的孔，适用于起落架大直径管件和孔。

由于内挤压特殊的高效而简单的强化工艺，使得内挤压强化工艺得到了一系列广泛的应用，并也取得了良好的效果，一下是几种常见材料挤压的强化效果见表二[13]，可知孔挤压后可大幅度提高疲劳极限。

表二各种材料孔挤压强化效果

材料孔直径/mm应力循环次数/次疲劳极限/MPa

未挤压挤压

300M钢301×106280320

AF410钢201×106430610

30CrMnSiNiZA钢61×106523680

40CrNiMoA钢61×106320470

30CrNiMoV钢61×106260300

Ti6A14V钛合金201×106157206

LC9铝合金61×10760110

LC4铝合金61×10775121

也由于内挤压的特殊工艺性，这就要求挤压时一定要均匀、缓慢、连续的挤压孔，不允许有冲击和暂停现象。

3结论

表面形变强化效果显著，成本低廉，是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，也是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一。

参考文献:

[1]董星，段雄.喷丸强化机械及技术的发展[J].矿山机械，2004，32（7）：66-68.

[2]刘春阳.方兴未艾的喷丸强化处理新技术[J].世界产品与技术，1997，（2）：10-11.

[3]章兴权.金属零件表面改性的喷丸强化技术[J].电加工与模具，2005，（2）：30-32.

[4]董星、段雄.高压水射流喷丸强化技术[J].表面技术，2005，34（1）：48-49.

[5]栾伟玲、涂善东.喷丸表面改性技术研究进展[J].中国机械工程，2005，16（15）：1405-1409.

[6]陈宏钧.车削表面的滚压加工[J].机械工人（冷加工），2001，（7）：54-57.

[7]孙希泰.材料表面强化技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[8]覃正光.滚压技术在气缸套加工中的应用[J].内燃机配件，1995，（2）：25.

[9秦书勤.超精内孔滚压技术及其应用[J].航天工艺，2000（6）：48.

表面形变范文篇3

通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达0.5～1.5mm），从而使表面层硬度、强度提高。

2表面形变强化工艺分类

表面形变强化主要有喷（抛）丸、滚压和孔挤压等三种工艺。

2.1喷丸强化工艺

喷丸是国内外广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐蚀点（孔蚀）能力，它具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方法。

2.1.1喷丸强化的发展状况

1908年,美国制造出激冷钢丸,金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速发展,而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。1929年,在美国由Zimmerli等人首先将喷丸强化技术应用于弹簧的表面强化,取得了良好的效果[1]。20世纪40年代，人们就发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层，可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。到了20世纪60年代，该工艺逐步应用于机械零件的强化处理上。20世纪70年代以来，该工艺已广泛应用于汽车工业，并获得了较大的经济技术效益，如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮均采用了喷丸强化工艺，大幅度提高了抗疲劳强度。

进入20世纪80年代后，喷丸处理技术在大多数工业部门，如飞机制造、铁道机车车辆、化工、石油开发及塑料模具、工程机械、农业部门等推广应用，到了20世纪90年代其应用范围进一步扩大，如电镀前进行喷丸处理可防止镀层裂纹的发生[2]。

最近几年，随着工业技术的迅猛发展和需求，人们对这一操作简单，效果显著的表面处理技术给予了极大的关注，开发了多种新工艺，下面将介绍包括机械喷丸在内的多种新喷丸工艺的原理和特点逐一介绍。

2.1.2喷丸强化工艺的工作原理

喷丸处理是一种严格控制的冷加工表面强化处理工艺，其工作原理是：利用球形弹丸高速撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成残余压缩应力层。形成压缩应力层的目的是预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳破坏裂纹部位的抗应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。

2.1.2.1机械喷丸

大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件表面喷射，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格扭曲和高密度错位，足够长的时间后，以冷加工的形式使工件表面金属材料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸表面结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此在工件表面和近表面形成残余的压应力，从而显著地提高了材料的物理和化学性能。

传统的喷丸强化因其具有提高金属零构件抗疲劳断裂能力而得到广泛应用，但也存在不少问题而影响其发展广度和深度：（1）受零构件的凹槽部位和丸粒不能有效撞击难以达到部位的限制，产生喷丸死角，造成喷丸强度不足；（2）受喷丸强化表面粗糙度的限制；（3）受环境污染的限制。因此，为满足更高的要求，人们有提出了各种不同的新工艺以满足要求。

2.1.2.2激光喷丸

激光喷丸强化是一项新技术。20世纪70年代初，美国贝尔实验室就开始研究高密度激光束诱导的冲击波来改善材料的疲劳强度。

激光喷丸的机理是：短脉冲的强激光透过透明的约束层（水帘）作用于覆盖在金属板材表面的吸收层上，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波，由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈服强度极限时，板料表面发生了塑性变形，同时由于表面的塑性变形使表层下发生的弹性变形难以恢复，因此在表层产生残余压应力。

与传统的机械喷丸强化相比，激光喷丸强化具有以下鲜明的特点和优势：（1）光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸，而传统机械喷丸受到弹丸直径等因素的限制则无法进行；（2）激光脉冲参数和作用区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累计的形式多次喷丸，因而残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控；（3）激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸的残余应力大，其深度比机械喷丸形成的要深；(4)激光喷丸使得零件表面塑性变形形成的冲击坑深度仅为几个；（5）适用范围广、对炭钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金及镍基高温合金等材料均适用[3]。

2.1.2.3高压水射流喷丸强化工艺

高压水射流喷丸强化工艺是近30年来迅猛发展起来的一项新技术，在20世纪80年代末，Zafred首先提出了利用高压水射流进行金属表面喷丸强化的思想。

高压水射流喷丸强化机理：就是将携带巨大能量的高压水射流以某种特定的方式高速喷射到金属零构件表面上，使零构件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变（冷作硬化层），呈现理想的组织结构（组织强化）和残余应力分布（应力强化），从而达到提高零构件周期疲劳强度的目的。

与传统喷丸强化工艺相比，高压水射流喷丸强化技术具有以下特点：（1）容易对存在狭窄部位、深凹槽部位的零件表面及微小零件表面等进行强化；（2）受喷表面粗糙度值增加很小，减少了应力集中，提高了强化效果；（3）无固体弹丸废弃物，符合绿色材料选择原则，不因弹丸破损而降低表面可靠性；（4）低噪声、无尘、无毒、无味、安全、卫生有利于环境保护和操作者的健康。高压水射流喷丸强化技术先进、优势明显，具有广阔的应用前景[4]。

2.1.2.4微粒冲击

最近日本研究者提出了一种微粒冲击技术，这种方法可大大简化因为想同时提高金属零部件表面硬度、耐疲劳强度、耐磨性能并且降低表面粗糙度，而先后进行喷丸强化、表面研磨和抛光处理的做法。

与传统喷丸强化相比，微粒冲击方法采用的弹丸直径小，冲击速度快，硬度提高，处理后工件表面硬度增加的幅度大，表面的粗糙度小，而且通过残余应力分析，微粒冲击样品的最大残余应力则在表面以下100处，其存在深度大于微粒冲击，因此与喷丸相比，微粒冲击工件的表层硬度与普通喷丸处理的工件表面硬度相当，但微粒冲击明显降低了工件表面粗糙度，可使得耐磨特性得到了显著的提高，因此可延长被加工工件的使用寿命。

2.1.2.5超声/高能喷丸

中国科学院沈阳金属研究所对传统喷丸技术进行了改经，开发了喷丸（高频）和高能喷丸（低频）技术，实现了多种金属材料的表面纳米化，依对304不锈钢的研究表明，随着高能喷丸处理时间的增加，金属中马氏体的含量增加，到一定时间后达到饱和，金属材料表面纳米化可显著提高材料的表面硬度，还可以明显降低氮化温度、缩短氮化时间[5]。

2.1.3喷丸强化发展趋势

伴随这现代工业的快速发展,对机械产品零件表面的性能要求越来越高,改善材料表面性能,延长零件使用寿命,节约资源,提高生产力,减少环境污染已成为表面工程技术新的挑战。作为表面工程技术分支的表面喷丸强化技术面对这些机遇和挑战,将在加强理论研究的基础上发展新技术、新方法、新工艺、新设备和设备控制技术。

其主要研究方向[6]是:理论研究,也就是研究各种单一喷丸和复合喷丸的强化机理、喷丸提高零构件疲劳和接触疲劳强度的机制、喷丸过程力的作用形式及对表面（变形层厚度、粗糙度等）的影响、喷丸参数（弹丸材质、硬度、直径等）对喷丸强度的影响、喷丸使残余奥氏体转变为马氏体后材料的稳定性及耐磨性等；研究喷丸工艺和其他强化工艺方法的有机结合;加大开发新型、高效、低耗的喷丸设备和弹丸属性对喷丸强化效果的影响；着力解决传统喷丸强化工艺由于喷表面粗糙度、绿色喷丸等方面存在的问题。

2.2滚压强化工艺

滚压强化工艺是一种无切削加工工艺，表面滚压可以显著地提高零件的疲劳强度，并且降低缺口敏感性。

2.2.1滚压强化原理

利用特制的滚压工具,对零件表面施加一定压力,使零件表面层的金属发生塑性变形,从而提高表面粗糙度和硬度,这种方法叫做滚压,又称无屑加工。表面滚压特别适用于形状简单的大零件，尤其是尺寸突然变化的结构应力集中处，如火车轴的轴径等，表面滚压处理后，其疲劳寿命都有了显著提高。

滚轮滚压加工可加工圆柱形或锥形的外表面和内表面曲线旋转体的外表面、平面、端面、凹槽、台阶轴的过渡圆角。滚压用的滚轮数目有1、2、3。单一滚轮滚压只能用于具有足够的工件；若刚度工件较小，则需用2个或者3个滚轮在相对的方向上同时进行滚压，以免工件弯曲变形，如图（a）、（b）所示[7]。

2.2.2滚压强化的发展趋势

定量定性。为获得特定的材料表面晶粒度、变形层厚度，应采用多大的滚压力、滚压速度以及滚压次数，目前没有这方面有指导意义的详细的试验数据或公式。

形式的多样性。目前的滚压技术一般只适用于回转体类和平面类零件，所以应完善滚压技术使得能适应零件形式的多样性，提高其使用范围。

大塑性变形。一般传统的滚压技术很难实现大变形，即使施加了比正常情况下高出几倍的压力,达3000N甚至更高,也未能消除车削留下的刀痕。

高强度。目前国内企业采用曲轴滚压工艺强化技术较低，一般只能提高强度30％～50％，当需要大幅度提高强度时，还需有更好滚压强化工艺[11]。

2.2.3滚压强化的发展状况

滚压强化技术是1929年由德国人提出的，1933年在美国铁路上开始应用滚压方法，1938年前苏联应用于机车车轴轴颈。1950年美国、前苏联在军用、民用飞机上大量应用孔挤压技术，如提高干涉配合铆接、干涉配合螺接；1970年国内航空部门开始将冷挤压工艺应用到飞机制造及维修中[8]。

目前主要的滚压加工工具有硬质合金滚轮式滚压工具、滚柱式滚压工具、硬质合金YZ型深孔滚压工具、圆锥滚柱深孔滚压工具、滚珠式滚压工具，通过滚压可以提高表面粗糙度2～4级，耐磨性比磨削后提高1.5～3倍，可以修正和提高形状误差和表面粗糙度，而且滚压过程操作方便，效率高、净洁无污染，其具有应用范围宽，滚压后的零件使用寿命长等特点，适用于对粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面。

这种方法主要应用在大型轴类、套筒类零件内、外旋转表面的加工、滚压螺钉、螺栓等零件的螺纹以及滚压小模数齿轮和滚花等，并取得了显著成果，很好的提高了经济效益，如天津大学内燃机研究所唐琦等人通过对370Q型汽油机、376Q型柴油机进行的曲轴负荷分析、强度估算及弯曲疲劳强度实验表明，与未滚压曲轴相比教，经圆角滚压的曲轴疲劳强度增加了92.3％，安全系数由1.18提高到2.28并大幅度提高曲轴疲劳强度；还有如柳州南方汽车缸套厂在对缸套进行滚压试验后发现同一材料、硬度和壁厚的气缸套，由原来的直槽改制成为沉割槽，其破断力在原来基础上提高了35%以上，技术指标显著增加，获得明显效果，如表1[9]所示。

表1气缸套滚压前后主要技术指标对比表

气缸套规格前后对比平均破断力气缸套规格前后对比平均破断力

6105QB直槽131.18

6105QC直槽176.14

滚压槽176滚压槽243.39

提高(%)35.69提高(%)28.18

通过大量试验研究和工厂实践表明，影响到滚压质量的因素主要有以下几种：工件材料的性质：硬度、塑性、金相组织，硬度越低，塑性越高，则滚压效果越好；预加工的表面状况：表面粗糙度、显微组织、几何形状精度；滚压工具的结构：特殊的加工类型需要相应的滚压工具才能更好的保证加工质量；滚压用量：滚压深度、进给量、滚压速度、滚压次数[10]。

2.3内挤压强化工艺

孔挤压是一种使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显。

2.3.1内挤压强化原理

孔挤压是利用棒、衬套、模具等特殊的工具，对零件孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形成的硬化层。塑性变形层内组织结构发生变化，引起形变强化，并产生残余压应力，降低了孔壁粗糙度，对提高材料疲劳强度和应力腐蚀能力很有效。

2.3.2内挤压强化的发展状况

由于孔挤压强化效率高、效果好、方法简单，使用于高强度钢，合金结构钢、铝合金、钛合金以及高温合金等零件。主要被挤压孔的形状是圆孔、椭圆孔、长圆孔、台阶孔埋头窝孔和开口孔。

目前主要应用于以下几种类型[12]：

挤压棒挤压强化。孔壁上涂干膜润滑剂，施加力的方式阿为拉挤或推挤，适用于大型零部件装配和维修；

衬套挤压强化。孔内装有衬套，挤压棒用拉挤或推挤方式通过衬套孔，适用于各类零部件的装配和修理；

压印模挤压强化。在圆孔或长圆孔周围用压印模挤压出同心沟槽。适用于大型零部件及蒙皮关键承力部位的孔压印；

旋转挤压强化。使用有一定过盈量，经向镶有圆柱体的挤压头，旋转通过被挤压的孔，适用于起落架大直径管件和孔。

由于内挤压特殊的高效而简单的强化工艺，使得内挤压强化工艺得到了一系列广泛的应用，并也取得了良好的效果，一下是几种常见材料挤压的强化效果见表二[13]，可知孔挤压后可大幅度提高疲劳极限。

表二各种材料孔挤压强化效果

材料孔直径/mm应力循环次数/次疲劳极限/MPa

未挤压挤压

300M钢301×106280320

AF410钢201×106430610

30CrMnSiNiZA钢61×106523680

40CrNiMoA钢61×106320470

30CrNiMoV钢61×106260300

Ti6A14V钛合金201×106157206

LC9铝合金61×10760110

LC4铝合金61×10775121

也由于内挤压的特殊工艺性，这就要求挤压时一定要均匀、缓慢、连续的挤压孔，不允许有冲击和暂停现象。

3结论

表面形变强化效果显著，成本低廉，是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，也是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一。

摘要：表面强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。常用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺，其强化效果显著，成本低廉。笔者主要概括了表面强化技术的分类、目的和作用，分析了形变强化方法的特点以及目前表面强化主要研究方法的现状和发展趋势。

关键词：表面形变；强化技术；滚压；内挤压；喷丸

参考文献:

[1]董星，段雄.喷丸强化机械及技术的发展[J].矿山机械，2004，32（7）：66-68.

[2]刘春阳.方兴未艾的喷丸强化处理新技术[J].世界产品与技术，1997，（2）：10-11.

[3]章兴权.金属零件表面改性的喷丸强化技术[J].电加工与模具，2005，（2）：30-32.

[4]董星、段雄.高压水射流喷丸强化技术[J].表面技术，2005，34（1）：48-49.

[5]栾伟玲、涂善东.喷丸表面改性技术研究进展[J].中国机械工程，2005，16（15）：1405-1409.

[6]陈宏钧.车削表面的滚压加工[J].机械工人（冷加工），2001，（7）：54-57.

[7]孙希泰.材料表面强化技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[8]覃正光.滚压技术在气缸套加工中的应用[J].内燃机配件，1995，（2）：25.

[9秦书勤.超精内孔滚压技术及其应用[J].航天工艺，2000（6）：48.

表面形变范文篇4

关键词：加工硬化机理常见问题现状发展应用

高锰钢俗称“耐磨钢”，被广泛的应用于各个行业的许多耐磨件上。随着对磨损机理研究的深入发展，人们对高锰钢的特性也了解的更透彻。

一、高锰钢加工硬化机理

高锰钢原始硬度很低，而加工硬化能力很强，在使用中硬度提高，形变速度越快，硬化效果显著，硬度也越高，目前强化机理有以下几种：

1.位错强化机制：高锰钢是大量Mn原子置换铁原子，显著降低层错能，因而易于形变，使位错密度增高，形成堆垛层错和形变亚结构，呈现加工硬化现象。

2.形变孪晶机制：高锰钢拉伸后，硬化区出现层状孪晶，硬度达HV460。经重锤锤击后出现层状孪晶及位错缠结达HV500。爆炸硬化时出现复合孪晶，硬度提高，硬化层加厚。

3.形变马氏体机制：从热力学角度讲，合金快速冷至Ms点以下可获得马氏体，而在Ms点以下存在Md点，在Ms——Md之间因应力作用可产生形变马氏体。一般Ms点低于200℃。Mn量为12％时，Ms点为-230℃以下，因此室温下一般变形的高锰钢不会产生形变诱发马氏体。如果钢中碳量降至0.8%时，在室温下也没能发现形变马氏体，而在-196℃低温下可出现δ.θ马氏体，改变高锰钢中的含锰量，将锰量降至4％，室温形变后有ε.δ马氏体产生，常规成分高锰钢固溶后经50％的变形量形变，硬度已达到较高数值，变值量增至35％时，发现有少量(约1.4％)δ马氏体，其间硬度变化与δ马氏体量的增加速度不一致，这样较大变形量的试验，也间接证明硬化主要原因不是由于产生了δ马氏体。以前关于发现马氏体的报导，可能是高锰钢在空气炉中高温加热，造成表面碳、锰降低，或是加热不足，局部贫碳，促使形变马氏体出现。根据这个机理，现在已有将高锰钢进行表面控制脱碳，使得在水韧处理后产生马氏体，用以强化高锰钢，提高耐磨性的报导。

4.析出相强化机制：在形变过程中，高锰钢随变形量增加，奥氏体中缺陷增加，过饱和的碳在位错、空位、层错、孪晶等处聚集形成柯氏气团，阻碍滑移，形变热量继续积累，使偏聚的碳、锰原子重新分布，在缺陷处择优形核、长大，形成弥散分布在基体内及晶界上的ε碳化物。根据奥罗万机制，滑动位错与弥散碳化物颗粒间作用，使强迫位错通过颗粒所需的临界分切应力增大，强化了奥氏体。

人们在碳含量高的高锰钢中(碳为1.49％)，经过50％的压缩变形发现有碳化物析出。对常规成份高锰钢虽未发现碳化物析出，却也发现了晶格常数的减小，相当于奥氏体中碳量降低0.1％。在全国齿板评比对性能较好的高锰钢齿板分析时，发现奥氏体中出现了原始组织中未有的新相，可能就是形变诱发的ε碳化物。

二、高锰钢生产中的一些问题

根据各地厂家的生产情况，把易忽略的问题扼要介绍一下:

1.冶炼：首先炉料要精选烘干，尤其对感应电炉更加重要，锰铁中磷较高，在选购锰铁时，要选择含磷低的锰铁合金。冶炼时，锰铁宜后加入炉内，以减少烧损量，后加入的铁合金要预先经过烘烤，出钢前还可用12×20×300mm浇注后直接水韧处理的试棒，视其冷弯的角度来检验钢水质量。

高锰钢由于碳量高，导热性低及结晶速度较快，容易产生粗大的结晶组织，当传热有方向性时，往往形成柱状晶，在枝晶之间存在显微疏松和夹杂物，影响钢的性能，尤其是标准高锰钢铸态晶粒的大小通过热处理是很难改变的。根据建材部标准规定高锰钢铸件晶粒度不粗于2级，有的工艺文件还规定壁厚不大于20mm的铸件不允许有柱状晶，大于20mm的铸件，断面两边柱状晶厚度之和不超过该断面厚度五分之二者为合格，否则为不合格。因此在生产中要求高温冶炼，低温浇注，主要严格控制出钢温度。另外，浇注温度低还可以减少热裂缺陷、缩孔、粘砂、含气量和节约能源，是影响铸件质量的重要因素。

2.铸造:为了获得细铸态晶粒，减少碳化物析出量，除了控制浇注温度，对厚大件要放置外冷件（内冷铁一般不宜放），这样同时也提高了高锰钢铸件的致密度，减少缩孔、疏松。高锰钢体收缩大，但只要工艺控制得当，可以不出现缩孔，而以轴线疏松形式存在，由于它韧性好，基本不影响使用，这也是高硬度耐磨材料无法与之相比的。因此高锰钢铸件厚度小于25mm时，一般不用冒口，在大于50mm时，必须设置冒口。高锰钢难切割，浇注系统往往分散引入，冒口采用保温、细颈、易割三种冒口。在工艺上采用补浇，放发热剂的办法增强补缩效果。高锰钢钢水中的MnO呈碱性，和型砂中的的二氧化硅易产生化学粘砂，因此最好用镁砂高铝粉和铬铁矿粉做涂料，提高铸件表面质量。

3.热处理：加热温度在保证碳化物充分溶解的情况下，尽量选低些。入水温度不得低于950℃。零件与水量之比应达1∶8，水温低于30℃。人们往往认为高锰钢淬透性很高，我们发现厚度大于80mm的高锰钢件水韧后，心部冷速慢，析出了针状碳化物，使性能下降。为了减少高温下碳化物固溶的困难，降低能耗及缩短生产周期，对100mm以下厚度的简单铸件，可采用200℃入炉，以70～80℃/h速度升温，不进行650℃保温的水韧工艺。

4.清理：对铸态不能敲掉的浇、冒口，可以水韧后进行浇水切割。

三、高锰钢生产工艺的发展

1.精炼:为了提高钢水质量，炉外精炼工艺被愈来愈广泛应用，从20世纪80年代起，在高锰钢生产上也得到使用，精炼后，夹杂物减少，分布改善，使强度提高，可由657MPa提高到834Mpa，耐磨性也能提高30％。

2.悬浮浇注:浇注温度对高锰钢性能的影响很大，生产厂家往往炉子容量大，浇注时间长，控温较难，虽然采取各样的措施，仍不能避免晶粒粗大的弊病。人们研究在浇注时，随钢水连续加入2％～3％（尺寸为0.15～0.3m）铁粉或锰铁粉与铁粉的混合物，它起内冷铁作用和增加结晶核心，改善高锰钢性能还使耐磨性提高30％～50％，但要注意加入后使钢水流动性降低。

3.表面合金化:为了既提高耐磨性又节约合金元素，采用表面加入合金的方法可以达到目的，具体措施是在铸型表面刷含合金涂料，撒锰铁粉或是贴上合金铸铁片，钢水浇入后熔化与熔接这些材料，提高了铸件表面性能，现在还有用含铬焊条在高锰钢上进行堆焊，以提高耐磨性，哈焊所高铬粉块堆焊效果也很好。

4.爆炸硬化:用滚压、喷丸等方式予强化高锰钢效果不理想。利用爆炸极短时间内产生3×107KPa高压使高锰钢表面形成40~50mm硬化层，硬化层硬度达到HB300~500，表层屈服强度可提高2倍，耐磨性提高50％，此种方法对标准高锰钢最为有效。

5.铸态水韧处理:高锰钢凝固后，在960℃以上利用余热进行水韧处理，可减少表层脱碳，缩短生产周期和节约能源，对壁厚的中小铸件，能采用此法，唐山水泥机械厂曾用金属型铸造高锰钢衬板时利用了此法，但必须仔细控制入水温度。

6.沉淀强化:标准高锰钢水韧处理后，不宜再加热，而加入合金元素后，就可以用沉淀强化热处理的方法，使高锰钢基体强化，并在基体上分布弥散的粒状碳化物，使耐磨性提高。

四、工况条件与高锰钢的应用

在长期使用中发现，高锰钢韧性很好，但在某些条件下，其耐磨性不尽人意，影响耐磨性因素有：铸件原始硬度，加工硬化速度，析出第二相硬粒子的沉淀强化，铸件工作面的硬化层深度，前面谈到的各种措施就是提高高锰钢耐磨性采用的一些方法。随着科学研究的发展，人们开始跳出了高锰钢的圈子，着眼于马氏体钢、贝氏体钢、镍硬铸铁、高铬铸钢（铁）、复合材料、铸石、橡胶等各种材料。控制实际工况条件，归纳几点对选材的看法。

1.对弱冲击磨料磨损工况：高锰钢基本不能产生加工硬化，由于冲击力很小，对材料韧性要求不高，可以选用原始硬度高的材料，如空气运输、水力输送管道可用玄武岩铸石制造。对水泥磨2中二、三仓（细磨仓），研磨介质小，冲击力小，可以选用低铬铸铁、高铬铸铁，甚至白口铁等脆性耐磨材料，寿命较高锰钢提高1～4倍。

2.对低冲击磨料磨损工况:高锰钢虽能产生加工硬化，但硬度很低，因冲击力低不大，可选用高碳高锰钢、中锰钢、贝氏体钢、低合金马氏体钢及贝氏球铁等材料。例如，对大磨机的衬板（一仓），选中合金马氏体钢ZG42CrMnSi2Mo可使寿命提高2～3倍，而且不产生变形。尤其现在水泥粉磨中研磨介质逐步推广使用高铬铸球，其与高锰钢衬板硬度匹配不好，使衬板变形加速，寿命降低，更加显示出替代高锰钢的必要性。破碎普氏硬度f≤12物料，400×600颚式破碎机齿板如用中合金马氏体钢制造，寿命提高约20％～50％，还可将破碎物料中的铁屑吸出，提高物料纯度，对增加白水泥白度和减小矽砖小氧化铁溶洞有利。另外，12kg以下的小锤头也可用一定韧性的马氏体钢来制造。

3.对中等冲击磨料磨损工况：例如冲击功为4J时，相当于破碎f=12～14的矿石，齿板可以选用韧性较好的马氏体钢和改性高锰钢，它们的耐磨性比高锰钢提高20%～100％。我们还用高锰钢-高铬铸钢粘结复合齿板破碎花岗岩，寿命较高锰钢提高2.5倍。

4.对强冲击磨料磨损工况：冲击功大于5J，矿石硬度f=16～19时，用马氏体钢做齿板或衬板，其安全性不够或耐磨性不高，仍需采用高锰钢系材料。例如φ200圆锥破碎机使用铬、钛改性高锰钢，破碎f=17～19矿石，耐磨性较标准高锰钢高50％左右，而在破碎f=12～14矿石时，耐磨性提高幅度达70%～100％，即在强冲击磨损时，两者耐磨性差距缩小。可能在强冲击条件下，它们的加工硬化速率相近，改性高锰钢的原始硬度较高，硬化后表面硬度仍保持较高，达到HV700左右，而标准高锰钢硬化后也达HV600多，但硬度差距较中等冲击时缩小，所以造成耐磨性差别也减小。对一些受强冲击的大尺寸锤头可采用超高锰钢来保证其正常工作。矿山破碎用的湿法磨衬板，当矿石硬度f≤14时，低合金马氏体钢的使用寿命较标准高锰钢约高50％，对硬度f＞14矿石，我国仍用标准高锰钢制造，因改性高锰钢原料成本高，生产工艺复杂，要求严格，影响了它的生产、使用。而国外在矿山湿式磨机时，对衬板选材首先考虑马氏体钢，其次大量采用橡胶衬板。其寿命可较标准高锰钢提高1～5倍，还降低了电耗、球耗、减少磨机噪单，减轻维修时的劳动强度等。我国橡胶制品行业正在开发这种产品。

总之，耐磨材料的选用主要根据实际工况条件，对照上面的原则，并通过试验来选择。

参考文献:

表面形变范文篇5

1不锈钢断屑钻的切屑形态与产生条件

不锈钢断屑钻的基本刃形如图1所示。其特点是：磨出较大锋角(2F)及很浅的圆弧刃(半径R)，生成了外直刃(宽度L)与内、外刃高度差h。通过修磨钻心部位前刀面生成了内直刃、内刃锋角(2F1)，留下很短的横刃。下面分述这种钻型切出的切屑形态与产生条件。

1）螺旋带状屑：如图2所示。这种切屑卷曲所占空间大，易阻塞，不会断屑，影响钻头冷却效果。

生成原理：麻花钻刀刃各点切削速度不同。外刃处速度高，切屑流动快，切屑较长。越近中心速度越低，切屑排出越慢，切屑长度越短。这种外刃卷成较大半径的弧状，近中心处卷成较小半径的切屑，如不分断，就形成螺旋扇面形。这是麻花钻直线刀刃最常见的切屑。

2）螺旋带状屑的宽度取决于外刀刃宽度，一般L=0.25～0.3d(d—钻头直径)。当L较小时，刀刃各点切削速度相差不多，刀刃前角大，切削变形较小，切屑排除流畅，可卷曲成一条较窄的螺旋带状屑。带状屑会缠绕在钻头螺旋刃上，不易折断，排出时安全性较差。扇面块状屑：出现在内凹圆弧刃上，如图3所示。这种切屑为短块状，是自然卷断的，切屑较易排出与清理。

生成原理：圆弧刃上各点切屑流向不同，其规律是各点切屑流向均通过圆弧刃的中心(刀刃法向)。切屑在卷曲过程中沿圆弧刃方向的附加变形，使得切屑展开成扇面形并撕裂形成块状屑。

3）细长螺旋屑：出现在外刃或内直刃上，如图4所示。这种切屑不易折断。

生成原理：

钻头左右刃磨得不对称，外刃长的一边多切了对边短刃未切除的一段余量。切屑宽度就是不对称量。

内直刃磨出较大的前角和卷屑槽时，也可能出现细长螺旋屑，但其螺旋导程比外直刃的小。

4）“6”字形屑：出现在圆弧槽很浅的外刃与圆弧复合刃上，如图5所示。“6”字形屑能稳定的自动排出折断。

生成原理：钻孔开始时外刃与圆弧刃切下连成一体的块状屑，(“6”字形屑的头部)卷到一定长度后，沿圆弧刃方向的附加变形，使切屑分裂，开始分屑，外刃与圆弧刃切屑分别排出。外刃一段为带状屑，(“6”字形屑的尾巴)，圆弧刃切屑为块状屑。“6”字形屑到达一定长度后，切屑在钻槽中碰到上边的槽壁，切屑受到外加的弯矩而折断，其长度与螺旋槽二分之一导程基本一致。若切屑未碰到钻槽，排出到空间一定长度后，也可随着钻头的旋转甩断。其长度约为60~100mm左右。

5）带钢筋的“6”字形屑：出现在外刃与圆弧刃左右不对称的情况，如图6所示。这种切屑厚度加倍，更易折断。但加重刃口负荷，影响钻刃寿命。

生成原理：

在“6”字形屑生成的条件下，若外刃磨得长短不一，长得一边必然要多切除对边短刃未切除的一段余量，生成外刃与圆弧刃交界处的凸筋。

横刃磨得不对中心，使钻孔扩大，切削表面外径处出现台阶。最大外经一边的刀刃，必然将对边未切掉的台阶一并切除，生成外刃处的凸筋。

6）带花螺旋带状屑：出现在圆弧刃磨得略深的情况，如图7所示。切屑硬厚，较难折断，排出时安全性较差。

生成原理：在生成“6”字形屑的条件下，若圆弧槽略深，外刃与圆弧刃交点处虽出现时连时分的排屑状态，但以分屑为主。外刃与圆弧刃切屑连成一体的时间很短，出现一段段的”花”状的连体屑。

生成原理：在生成“6”字形屑的条件下，若圆弧槽略深，外刃与圆弧刃交点处虽出现时连时分的排屑状态，但以分屑为主。外刃与圆弧刃切屑连成一体的时间很短，出现一段段的”花”状的连体屑。

7）中长螺旋节状屑：出现在外刃与原弧复合刃上，如图8所示。切屑硬厚，较难折断，排出时安全性较差。

生成原理：在材料塑性较好、进刀量较大的条件外刃与圆弧刃交点处基本上是出现连体状切屑。但较厚的切屑沿圆弧刃方向展开成扇面形的附加变形过程中，切屑被拉裂成节状屑，并与外刃带状屑连一体。

2影响切屑形态的因素与控制

1）钻头刃型参数对屑形的影响，如图1所示。

a.圆弧刃半径R：

R过小：形成分屑点尖角ξ小，当ξ<150°时切屑易分开，外刃出带状屑，圆弧刃出扇面块状屑。

R过大：形成分屑点尖角ξ大，当ξ>170°时外刃、圆弧刃屑易连成一体，出短的螺旋扇面形屑。

R适中：形成ξ=155～165°时，外刃流屑方向与相临圆弧刃屑流向夹角较小，时连时分，此时正是生成“6”字形屑的条件。最佳ξ角，与材料韧性、切屑厚度等因素有关，不是常数。可通过试切来探询。

b.内、外刃高度差h

圆弧刃较深时，外刃与圆弧刃形成自然分屑点，外刃出带状屑，圆弧刃出块状屑。圆弧刃较浅时，外刃与圆弧刃形不成自然分屑点，切屑连成一体生成短的螺旋扇面形屑。

圆弧刃深度用内外刃垂直高度差h来控制，h值与进刀量(切削厚度)成一定比例时，一般宜控制h值约为0.8f.较为适合。

c.外刃锋角：

外刃锋角2φ过小时(2F<125°)难以磨出ξ=150～165°尖角。切屑易卷在容屑槽内，不宜排除。实践经验表明，2φ=135°～140°，切屑流出方向逼近与钻头轴线平行，有利排屑。而且容易形成较大的ξ角，控制出现“6”字屑。

圆弧半径R°、内外刃垂直高度差h、分屑点尖角ξ、外刃锋角2φ四个参数是有关联的。通常R由刃磨砂轮圆角半径决定，选定2φ后h、ξ可通过调整钻头刃磨机的工艺参数控制。

2）材料韧性对屑形的影响

材料韧性大，ξ角必须磨得更小才能使屑分开。否则切屑连块不分。材料韧性低，ξ角宜磨得大些。

3）刀具磨损对屑形的影响

钻刃分屑尖角处磨平或崩刃后，造成实际ξ增大。当实际x过大(>165°)，可引起屑形从分到连的转变。因此，不锈钢断屑钻的磨钝的标准或耐用度应以屑形的改变为根据。屑形从6字形变为短块状，既应换刀。我们曾发生过由于尖角处磨平，宽的短块状屑卡死扭断钻头的事故。

4）钻头横刃对中误差对屑形的影响

横刃不对中反映在钻孔直径的扩大，使副刃单边工作，造成钻头棱边负后角磨损，这种非正常损坏使钻头寿命大大缩减。

横刃不对中使两刃切削图形变化，某一边切双倍厚的切屑，而另一边切较薄的切屑。双倍厚的切屑只是在切屑钢筋上，切屑厚而硬，改为长带状屑，难以形成6字形屑。

5）切削用量对屑形的影响

加大进刀，切屑变厚，易生成块状屑，相反，易生成带状屑。

改变钻头切削速度，对切削变形略有影响。一般高速钢钻头切削速度不可能有较大变化。但有些不锈钢对屑形非常敏感，降低钻头转数有利于生成块状屑。

3结论

分析钻削试验的结果可知，各类切屑形态中，“6”字形屑最佳。短螺旋带状屑也可接受。其它类型的切屑如长带状屑、带钢筋的切屑、带花的螺旋带状屑都应防止。

1）控制生成“6”字形屑，合理使用钻头应满足的条件是：

控制钻头刃形参数：锋角2F=135～140°，外刃长L=0.25d，分屑点尖角x=155°～165°，外刃与圆弧刃垂直高度差h=0.8f

表面形变范文篇6

水损毁现象表层坑洞。表层坑洞是路面水损毁中最为普遍的现象，该种现象几乎每条公路都存在，其差别主要为单位面积内坑洞的个数和面积，通常半开式沥青混凝土面层坑洞现象最为严重，其生成原因主要是水透入表层后滞留在表层下部与下层的交界面上，沥青剥落现象从底层开始逐步向上扩展，一旦底层较大石子被剥落下来则会导致混凝土失去强度，其在车辆荷载作用下将产生网裂和形变。深度水损毁。若表面层为半开级配、中面层为密实式沥青混凝土则当自由水透入表层后会有较长时间从中面层的薄弱部位渗透到中面层，并在其中滞留，路面车辆荷载将使两层沥青混凝土内部分碎石表层的沥青剥落，最终导致表面网裂、形变及向外侧推挤，最终生成坑洞，尤其是在冰冻地区，在冰冻期内将会发生多次反复冻融，在化冻期间面层内的自由水会导致深度水损毁，因此说深度水损毁的产生是水与重交通对较大孔隙内沥青面层的共同作用，水滞留在中面层内，在荷载作用下面层受到强烈的水损毁。基层水损毁。水透过面层滞留在基层顶面后，在大量行车荷载作用下，基层混合料表层的细料在自由水所产生压力的冲刷下会形成白色浆，浆体在车辆荷载作用下通过缝隙渗透到路面表层，若灰浆数量足够大则会产生坑洞。若基层表面形成大面积唧泥则会导致基层顶面松软，路面面层出现变形或网裂，最终导致路面破坏。水损毁是指降水或地表水在存有缝隙或不密实的路面进入路面结构内，导致路面产生早期破坏的现象，水进入路面后在车辆荷载不断产生动水压力及抽吸的反复作用下，水分会逐渐穿透沥青膜进入沥青与集料的界面上，由于水的极性作用使其较沥青更易吸附在集料表面因而会降低沥青的黏附性，最终导致沥青逐步从集料表面剥离，并使沥青与集料间的粘接力逐步丧失，最终导致沥青路面混合料松散、脱粒并继而形成坑槽现象。其主要包括以下两个过程：沥青膜从矿料表面剥离的过程。因水较沥青更容易侵润矿料表面，当水分穿透沥青膜将沥青置换出来并进入沥青与矿料界面时则会降低沥青的黏附性最终导致沥青膜剥离；沥青膜从矿料表面剥落的过程。沥青膜剥离后将沿着矿料表面发生收缩和移动，最终形成小油皮或小油条，而矿料表面此时已被水侵润，导致沥青和矿料间形成互不相干的分离物，因此沥青混合料变的松散而降低混合料的整体性并降低强度。

水损毁的影响因素沥青性质粘性大的沥青内存在较多的极性物质，该物质使沥青对集料有良好的侵润性，因此粘性大的沥青对集料有更好的黏附性，其抗剥落能力强于粘性小的沥青，生成的混合料具有更好的水稳定性，此外沥青中羧酸等成分对水损毁的产生极为敏感，说明即使粘性相同的沥青因其化学成分不同导致其黏附性能有较大区别。集料性质沥青拌合物内每种矿料均有其独特的化学性质和晶体结构，拌合料能否产生剥落现象关键在于集料的亲水性，亲水性强的集料其对水的吸附能力则大，集料表面的沥青膜则容易被水置换，而憎水性集料则正好相反，通常硅质含量高、呈酸性的材料多为亲水性材料，而硅质含量低的材料则呈碱性，由于酸性材料与沥青的黏附性不如碱性集料，且酸性越大与沥青的黏附性也越差，同时，集料表面的化学性质、纹理构造、表面积以及清洁程度等对其与沥青的粘附性能有影响。孔隙率混合料孔隙率的大小直接关系到沥青路面的透水性，研究表明，8%的孔隙率是控制路面透水性的临界点，当路面孔隙率在8～15%的范围时，一方面水容易进入面层内部，但却难以迅速排除及蒸发，因此水会长时间滞留在面层内，在车辆荷载的作用下则会产生较大的水压力并形成动力水，继而会产生水损毁破坏。

压实度未进行良好压实的混合料的孔隙率将加大，因此为水的侵入提供了条件，压实度不足的直接原因包括集料粒径偏大而面层厚度相对较小，并与路面压实中采用的机械及施工工艺相关，同时压实温度对沥青混合料的压实效果存在很大影响，混合料只有在一定程度上才能真正压实。结构内部排水效果目前人们对路面基层及地表排水采取多种措施，但却忽视了对结构层内部的排水，最终加剧了水损毁的发生。其主要原因是人们一直将水导致的路面结构破坏归咎于地下水的侵入，而忽视了降落在地表的水侵入路面面层的部分，导致地表水渗入的原因主要有路面材料过于松散，面层混合料空隙较大以及使用过程中出现各种裂缝等原因。

表面形变范文篇7

一些具备前瞻性的艺术家、建筑师在对于互动概念、模式和体验的探索上已经做出了很多的努力。以下实例，从不同角度介绍了最新互动装置的特点和发展方向。

1“隐藏的模型”互动装置在这个装置中通过内置的距离传感器探测参观游客的运动，并因此改变自己的外部形态。游客可以通过触摸传感器，来激发束缚在装置表面上的重启管子的伸缩，从而使装置表面形变，并触发由他/她行为参数所合成的电子音乐。从某种意义上，这个装置的本身，可以被理解为界面，即人类游客与被禁锢在电脑空间内的算法(建筑)之间的媒介。而基于此界面，游客与算法之间的交流被转换成声音和形变，通过此物理界面，而真正的建筑本身则指禁锢在电脑硬件中的呼吸着的算法。

2“集群游戏”互动装置来自荷兰代尔夫特理工大学的hyperbody研究组的学生，用同样的充气管技术创建了bambooism的装置。该装置侧重探讨由程序和传感器控制的分布式的空间构件所塑造出的展厅空间设计新式互动空间体验。在bambooism装置中，由装在空间之上的摄像头所提供的人在空间内的运动轨迹，被算法处理之后反馈为集群化的竹子杆件的位移。在人多的情况下，此算法可以产生足够复杂的连锁的因果关系，其本质上虽然是可以理解并预知的，但在实际表现过程中远超过人的理解能力。

3“观测者的影响”互动装置该装置是由一系列发声装置组成的。每一个个体装置都可以依据它听到周围的环境声效，来决定发出升降两种不同的音调。如果单独的一个装置体，听到过多的与自己声调类似的声音，它会变得厌烦，并缓慢改变自身的音调。由此，在某一特定时刻，所有个体的集群可以自发产生内在的和谐和声。即每个个体都满足于现有的环境音。与此同时，由人类在此空间内的出现所带来的声响，会改变到系统的和谐态。因此，除非在与此装置完全隔绝的另外一个空间内，对装置空间内的音效进行计算模拟的观察，任何在此空间内对此装置的观测行为都会导致装置本身状态的改变。由此艺术家一方面表现出他们对自适应系统的理解和创造，另一方面对海森堡量子理论中的不确定性做出了艺术上的诠释。

4“公共空间”互动装置在该系列的互动装置中，“点触”是在大尺度城市社会空间内探讨互动空间的代表。在此设计中，145m高的布鲁塞尔Dexia大厦的4200扇窗子分别被赋予单独的可变颜色的灯光控制。在大厦下面特殊设计的控制平台中，市民可以单独或者集体的通过触摸屏以及他们的肢体语言来控制大厦上灯光样式的编排，而其结果可以被存储为数码图像作为市民个体或集体对于城市空间影响的记录。同样的，在图像生成算法的架设中，由于采用了触摸屏和肢体语言的双重数据输入，清晰的控制因果关系被削弱为在可被理解范围内的模糊的控制，并由此激发出趣味感与互动感。

5“学习与进化”互动装置该装置是由3个有学习记忆能力的机器舞蹈者组成的。每一个舞蹈者都装备有可转动的照明式尾巴和可探测人脸关注模式的传感装置。舞蹈者们的目的是通过编排不同的舞蹈模式来尽可能的吸引参观者的注意力，而观者则可以通过对传感装置获取的信息进行读取感知。而舞蹈模式的进化，是通过基于遗传算法的程序编排出来的。即单体舞蹈者通过了解当前舞蹈模式的受关注程度，进而重组其舞蹈动作以增强其自身的吸引力。而在没有观众出席的情况下，舞蹈者之前可以互相交换学习其成功的舞蹈编排以改善整体的吸引力。值得注意的是，单体的舞蹈者被赋予特定的性格，即如果其他舞蹈者的成功经验与其自身的成功经验差别较大，单体舞蹈者倾向于选择坚持自身的经验，从而体现出调皮的骄傲情绪。

二、结语

表面形变范文篇8

1.1设计原则在满足总布置要求的前提下要遵循以下几个原则[1]：1）必须协调解决侧围强度和总布置要求之间的矛盾；2）通过最优化方法减少车身侧围的质量；3）保证良好的加工工艺性以减少加工难度；4）提高侧围结构标准化、系列化、规范化程度。1.2受力分析大客车侧围在整车上起着“承上启下”的作用。一方面，客车左右侧围与车架连接，当路面不平顺时，侧围要承受来自车架的冲击载荷，会受力变形。与此同时，侧围与顶盖刚性连接，侧围上接受的动载荷会传递到顶盖。另一方面，在客车行驶方向上，当客车加速行驶或紧急制动或正常匀速行驶时，由于空气阻力的作用，侧围会在纵向压缩变形。在实际行驶过程中，左右侧路面高度不一致会使侧围产生纵向扭转载荷。在客车转弯的工况下，又会在侧围上产生横向扭转载荷。所以，侧围结构的受力情况是弯曲扭转复合状态[2]。

2材料选择与总成配合

2.1材料选择。与20碳素钢、16Mn合金钢、WL510大梁钢相比，Q235碳素钢是侧围质料首选，其具有机械性能好、性价比高等优点，屈服极限为235兆帕。薄壁钢管横断面形状可分为闭口和开口，其横断面特征有较大差别。在材料面积和厚度一定时，闭口断面抗弯性能次于开口断面，而闭口断面扭转惯性矩比开口断面大。为提高杆件和车身整体扭转刚度，最好采用闭口断面[3]。考虑到组成截面的其他因素，如搭配关系、布局功效和工艺，实际侧围构件的零件图不如想象中简单。2.2总成配合。客车结构设计是整车设计时需要仔细斟酌的，其设计的优劣将直接影响到平顺性、操纵稳定性、轻量化。为保证连续地传递力，要采用封闭设计，尽可能做成局部与整体封闭。提高侧围侧倾稳定性方法[4]：1）加大侧窗立柱管材规格，篱笆型结构从上至下延伸至腰梁。2）若侧立柱延伸到腰梁后不与同侧立柱正对，需在此节点增加斜梁。3）提高侧窗下边梁的高度4）侧围斜梁有助于提高抗弯曲变形能力，其高度比不能小于0.6。

3结构设计与焊接方法

3.1右侧围结构设计。右前立柱由于承受较大载荷，所以选用截面尺寸较大的钢材，下侧梁以上部分采用80*40*1.5mm规格，下侧梁以下部分采用80*50*2.0mm规格，下裙立柱与其并肩布置，采用50*50*2.0mm规格。本设计开设一个乘客门，由于门柱遭受的应力比较大，要选用规格为40*40*2.0mm的方形钢。根据总布置要求右侧门框宽度为800mm，侧窗宽度分别是1416mm、1567mm、767mm、650mm、1567mm、1635mm，高度都为1088mm。支撑主体结构的侧窗立柱采用60*40*3.0mm规格。腰梁是侧围布局的主要元件，考虑统一化设计制造，其截面尺寸采用50*50*2.0mm规格。在腰梁与下侧梁之间设立立柱和斜梁，其之间的高度为537mm，斜梁选用40*40*2.0mm规格。第二与第三窗立柱之间和第六与第七窗立柱之间各布置一根采用50*40*1.5mm规格的横梁，其与腰梁之间高度为629mm。第七与第八窗立柱之间布置一根20*40*1.5mm规格的横梁，紧靠后止口位置布置一根40*30*2.0mm规格的纵弯梁和一张1.5mm厚的加强钢板。乘客门两侧，距离下沿梁186mm高度上各布置一根座椅固定角钢，截面尺寸为30*35*2.0mm，长度分别为2950mm、3770mm。右侧围下沿梁乘客门框处断开，两半长度分别为3930mm、4062mm。乘客门上横梁距离下沿梁的高度是996mm。3.2左侧围结构设计。左侧不设置乘客门，而设置安全门。左前立柱承受较大载荷，选用截面尺寸较大的钢材。下侧梁以上部分采用120*40*1.5mm规格，下侧梁以下部分采用80*50*2.0mm规格，下裙立柱与其并肩布置，采用50*50*2.0mm规格。左侧围开设5块侧窗，宽度分别为1376mm、1567mm、1567mm、1599mm、1223mm，高度为1088mm，窗立柱采用60*40*3.0mm规格。安全门立柱采用强度较大的70*50*2.0mm规格钢材，安全门框宽度为1000mm，其上横梁与下侧梁距离为1461mm。腰梁是左侧结构主要承载单元，采用50*50*2.0mm规格。腰梁与下侧梁之间设置立柱和斜梁，斜梁采用40*40*2.0mm规格。安全门之前的立柱采用40*40*2.0mm规格，安全门之后的立柱采用50*40*2.0mm规格。腰梁与下侧梁之间的距离为537mm。第二与第三窗立柱之间和第三与第四窗立柱之间各布置一根横梁，采用50*40*1.5mm规格，与腰梁之间高度为629mm。第六与第七窗立柱之间布置一根20*40*1.5mm规格的横梁，紧靠后止口的位置布置一根40*30*2.0mm规格的纵弯梁和一张1.5mm厚的加强钢板。安全门两侧，距离下侧梁186mm高度上各布置一根座椅固定角钢，断面尺寸为30*35*2.0mm，长度分别为365mm、6169mm。左侧围下沿梁长度为6169mm。3.3焊接方法二氧化碳气体保护焊在焊接效率、焊接形变、油锈敏感性、焊缝含氢量、弧光可见性和耗能量等方面比焊条电弧焊、埋弧焊更有优势[5]。采用二氧化碳气体保护焊对侧围结构件进行焊接。

4有限元分析

Q235型材的密度7.85g/cm3、弹性模量（E/Gpa）：200-210、泊松比（v）：0.25-0.33、屈服强度：235Mpa。三种杆件的壁厚分别是1.5mm、2.0mm、3.0mm。使用CATIA惯量测量工具[6]计算出左侧围结构质量为191kg、右侧围结构质量为194kg。4.1网格划分与材料属性。打开HyperMesh软件，选择“Optistruct”，将建立好的CATIA侧围模型以几何表面形式导入，删除内表面，保留外表面。删除重复线条和表面，使各个梁的接头相交，为划分网格做准备。使用“automesh”中的“智能优化”，“单元尺寸”设置为20、“划分类型”设置为“混合型”。返回面板，单击“mesh”，得到初步的网格模型。选择“工具”面板中的子面板“检查单元”选项，检查“长宽比”、“最大尺寸”、“最小尺寸”、“雅可比”和“翘曲度”中不满足设定值的单元，对其重新进行划分，保证所有单元满足标准值。在材料选项卡中创建Q235钢材材料，将以上准备的数据输入对应对话框中。然后为钢材创建属性，将“type”设置为2D、并将每个梁的壁厚分别赋值。最后点击“assign”按钮进行赋值。4.2载荷与约束。客车在极限工况下会使侧围产生极限动载荷，假设最大制动减速度为3G，垂向最大加速度为3G，横向最大加速度为1G。三个方向极限载荷同时作用在侧围质心。根据侧围的质量换算为三维力值，在“forces”子面板中，将上述三维力值分别沿x、y、z方向加载到侧围质心。进入“constraints”子面板，勾选dof1、dof2、dof3，施加好线性静态约束。4.3计算与结果。通过“Analysis”中的“OptiStruct”按钮进行有限元计算。在后处理部分得到的结果是：左侧围结构的峰值应力是99.9Mpa，右侧围结构的峰值应力是77.7Mpa。

5结论

本文建立的某大型公路客车侧围结构在极限载荷下产生的峰值应力值低于所用钢材的强度极限。因此，可以判断在极限工况下，所设计的侧围结构有足够强度抵抗外力作用，能够保证车身结构的安全性。

参考文献

[1]黄天泽.黄金陵.汽车车身结构与设计[M].北京:机械工业出版社,1997.

[2]黄天泽.大客车车身[M].湖南:湖南大学出版社,1988.

[3]刘素梅.CATIAV5基础教程及应用技术[M].北京:机械工业出版社,2015.

[4]王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,2005.

[5]尹冠生.理论力学[M].西安:西北工业大学出版社,2000.

表面形变范文篇9

【关键词】多曲面形体;施工图设计;软件应用

1复杂形体建筑的发展背景及专业挑战

复杂形体建筑的产生基于计算信息技术的发展，伴随着城市建设的大规模开发及计算机应用技术的革新，社会对建筑的功能、形象、绿色、经济等各方面都提出了更高的要求，同时可获取的设计前置条件，诸如，建筑相关的场地、气象、景观、人文、交通关系、互联效应等方面的细微影响因素呈现几何式增长，突破了单一或成组出现的线性逻辑关系。复杂形体建筑适应了这一时代特征，以非线性变化特征、不规则造型、突破了传统欧式几何学的基本形式，脱颖而出，受到了社会及众多业主的认可。同时复杂形体建筑所表达的非线性或流动性造型特征给主要采用平、立、剖面进行二维表达的传统建筑施工图设计带来一定程度的挑战[1]。

2复杂形体建筑在施工图设计阶段的重要因素

复杂形体建筑尤其是非折线多曲面形体建筑，在方案设计阶段甚至可以利用计算机语言，包含数学、计算机图形学和各种算法的程序，来帮助建筑师建立和控制其复杂形体特征，并被赋予多种参数信息，实现建筑对场地特征、水文地质、环境交通、人文因素的互动。整个方案设计过程即在这种计算模式下获得一种或多种建筑形态，最终实现方案比选工作的过程。在施工图设计阶段，设计重点考虑的是建筑复杂形体与易建性之间的平衡，解决建筑复杂形体的数据表达，并完成细节构造，满足施工的要求，基于此在施工图设计阶段应充分重视影响复杂形体建筑的重要因素。

2.1数据充分提取

复杂形体建筑因为突破了欧式几何框架，形成了折面或流线曲面特征，在作为主流的二维施工图纸表达形式下，需要重点考虑空间重叠、面域凹凸等形变，充分提取形体数据，既为其他专业尤其是结构专业的受力计算提供作业图依据，又便于将来施工单位对建筑空间的理解和认知，最大程度实现方案设想。

2.2结构形式选择

结构形式的发展与创新为复杂形体建筑的实现创造了条件，常规建筑的结构形式包含钢筋混凝土框架、大体积混凝土、钢筋混凝土剪力墙等钢筋混凝土类及钢网架、钢框架、钢索（悬索）等钢结构类。在进行复杂形体建筑施工图设计前必须根据建筑形体特征、建筑性质、建筑功能等多方面因素，择优选择。

2.3分项分组统筹复杂

形体建筑的折面或曲面流线特征，使建筑本身出现了大量非标准的结构及建筑构件；尤其是非单一折面或曲面的组合形体更可能使建筑本身的每一寸维护结构都出现细微差异，需要采用工厂化模板定制的方式进行施工。因此，在施工图设计中重视复杂形体的单元拆分，进行分项分组统筹，对于统一构件、优化设计、工厂加工及进度控制具有重要意义。

3多曲面形体建筑施工图设计的对接工作

本文以某酒庄别墅（多曲面形体建筑）施工图设计实践项目为例，阐述复杂形体建筑在施工图设计开展前需要做的对接工作。此实践项目某酒庄别墅位于秦皇岛临山区，方案设计阶段着重考虑地形地貌与建筑形体的关系，希望形成建筑与山地文化的对话，最终依山就势形成了起伏曲面屋面，同时通过不同曲率的屋檐与曲面墙体进行衔接，创造出建筑的多重曲面形态。项目在施工图设计前需要做的对接工作包含：（1）对接方案设计部，充分理解项目方案形体特征及表达立意；（2）选择适当的软件，尤其是参数化设计软件对形体数据进行提取；（3）对接结构设计部，确定结构形式；（4）对接设备设计部，了解各设备管线在曲面形体下的布局方式及估算标高，用以复核项目方案阶段设定的门、窗、梁、吊顶等相互之间关系的合理性。

4多曲面形体建筑施工图设计的专业配合

多曲面形体建筑在施工图设计过程中尤其需要强调建筑、结构、给排水、暖通、电气、电信各专业，甚至绿建等专门设计部的紧密配合，因为多曲面形体建筑与常规欧式几何形体建筑相比，其多向弯曲的造型、通道的宽窄变化等因素使各专业门窗、管线、梁等相关构件的碰撞关系更具有隐藏性。施工图专业配合的重点在于相互之间快速反馈碰撞信息，避免局部碰撞难以合理解决时，造成建筑形体的调整或某专业的布局思路发生大的变动，最后影响设计进度。因此在施工图设计整个配合过程中，首要是建筑专业理解方案信息，运用Rhino、Grasshopper等参数化设计软件全面、准确地提供形体数据，为各专业提供依据性图纸；结构专业重点检查曲面构造形式、超常规的远挑梁板的可实现性等问题；设备专业应根据经验确定各专业管道的上下层或上翻、下翻的避让原则，尽可能提前预知难点、交叉点的部位，实现早发现、早解决。

5多曲面形体建筑施工图设计的表达形式

多曲面形体建筑的施工图设计表达深度应符合国家制图要求，但如何准确、明晰地表达多曲面的三维关系数据并满足指导施工的要求，则又需要慎重选择表达形式。实例中的别墅主要是屋面的三维曲面变化，根据形体特征（流线性）、结构计算要求（整体性）、局部构件考量（柔性过渡弧面）等因素，在连续剖面、平面等高线、平面标高网等3种表达形式中，选择了平面标高网的表达形式。平面标高网的数据提取需要借助Rhino软件及相关插件，在提取数据时考虑施工钢筋的绑扎精度及建筑体量，设定了上面域1m×1m和下面域0.5m×0.5m的网格关系，然后根据曲面的折曲形态采集了上表面及下表面的面域标高数据(网格交叉点标高），并单独采集了折曲转折线、檐口线、檐沟线、俯视轮廓线等处的线上标高数据，最后复核数据，并微调以顺畅组织排水条件，避免屋面局部积坑的产生，完成施工图的表达。

6多曲面形体建筑施工图设计的细节处理

多曲面形体建筑的施工图设计应充分重视异形构件等细节处理，进行统筹分组优化设计，根据形体特征、结构安全、施工方便等因素合理选择构件预制材料，制模方案。此别墅设计实例中的屋面采取了多曲面扭转形体，屋面与墙面的交界处就形成了不同曲率的交接弧面。从结构安全性、建筑形体整体性等角度考虑，此交接弧面宜采取与屋面整体浇筑的形式，但施工支模困难、不易浇筑；从施工方便、经济节约等角度考虑，此交接弧面宜采取轻质材料预制挂件的形式。因此在施工图设计时，结构专业分别对两种模式进行了计算，后经与业主方、施工方等综合讨论，采用了预制挂件的形式，保证最大程度实现形体特征，并加快了施工进度。

7结论

多曲面形体建筑施工图设计应充分理解原建筑方案所要表达的形体特征，综合运用AutoCAD及Rhino、Grasshopper等参数化设计软件，实现多曲面异形形体的二维表现；充分利用平面及剖面表达准确的数据信息，配合各专业，尤其结构专业的相关计算；详细处理各种细节节点，保证设计的可实施性，满足现场施工的要求，确保建筑形体的最终实现，以纯熟的技术手段为后盾，适应市场上复杂形体建筑的施工图设计要求。

作者:王兴 单位:中国核电工程有限公司

表面形变范文篇10

1面绘制三维图像重建

面绘制是三维物体在二维平面的投影，是一种基于体素的表面重建，即直接从体数据提取物体表面的方法。本文以人脑图像为例，应用面绘制里的移动立方体法重建三维图像，通过轮廓提取和等值面明暗显示两个步骤重建三维脑部图像。1.1轮廓提取我们主要提取脑结构的表面形态，不考虑内部结构特征，因此叫轮廓提取。我们对表面轮廓进行采样点提取，采样点是由多个体素组成，一个体素又由8个顶点的多个立方体组成。首先，找到脑部的轮廓区域，计算每一个体素标量值的所有拓扑状态，如果标量值大于轮廓线的标量值，把该体素记为属于轮廓区域内的点，否则标记为轮廓区域外的点。然后，寻找头表面和背景的边界，去掉背景区域，计算头表面的灰度阈值G，在头表面内部的所有像素的灰度值都大于设定的阈值G，在头表面的外部所有的灰度值都小于设定的阈值G。根据各顶点与设定的阈值的关系，把顶点分为2类，分别有黑、白两色表示，遍历立方体的每一个顶点，如果两个顶点的颜色相同，该边上不存在边缘点，否则，在此边上必然有一个边缘点，用直线将遍历后的所有小正方形的边上边缘点连接起来，并对公共边合并，这些连接的线就构成了边界的轮廓线，沿着边界线将背景和头表面区域分离开。处理完一个体素后，前后移动到另外一个体素，当所有的体素都遍历完后，轮廓就绘制出来了。算法的步骤为：（1）选择一个体素。（2）计算该体素中每一个小立方体顶点的内外状态。（3）生成每个顶点的二进制编码的索引值。（4）用该索引值创建树型表，并计算标量值。（5）用树型表计算每个点所连接的边的位置。由于算法过程是对每一个体素单独处理，一些顶点组成的边缘可以会重复使用，在遍历顶点的时候沿着相同的方向进行，通过程序消除重复使用的点即可。遍历所有体素是轮廓提取的重点，本文用查表法遍历每一个体素，将体素的八个顶点与阈值比较后产生一系列的逻辑值构成八位索引值，通过三维图像的256种构型组成一个三角部分的查找表。通过查找表可以直接获得轮廓区域的信息、索引号及指向三角部分的位置，最后找到所有三角部分的位置镶嵌成表面轮廓。1.2等值面的明暗显示为了真实的显示物体表面的情况，使重构的三维图像更直观，本文对用三角片构成的物体表面设置光照效果，还要解决在特定的光照模型下的表面法向量的计算。首先，选择光照模型，采用的光照模型为：I=Ia+(IS-Ia)cosθ，其中，I为物体表面光强度；Ia为环境的光强度；IS为光源的光强度；θ为入射光与表面法向量的夹角。然后，计算表面法向量，先用灰度差分法计算体素顶点上的灰度梯度值，再对八个顶点的法向量进行线性插值就可以得到每个顶点的法向量，把计算得到的法向量值代入光照模型公式，就可以计算出表面物体的光照强度。最后，将其投影在某个特定的二维平面上进行显示，从而得到有光感效果的三维表面图像，重建的轮廓及表面如图1所示。

2体绘制三维图像重建

表面绘制可以有效的绘制物体的三维表面，但缺乏内部信息的表达；体绘制可以直接由体素生成三维物体，能够表达物体的内部信息，传统的体绘制方法主要通过点、线和几何多边形绘制三维物体，但绘制后，图像的真实感欠佳。比如：最大强度投影法重建后可以更直观的观察图像，但是不能从图像上看出沿着光线的最大值，即不能清晰的观察到单个物体及相互之间的空间关系及具体位置。因此，本文提出按照图像顺序进行体绘制，该方法是发出一条光线通过像素进到场景中，然后用某一特定的为计算像素值的函数计算沿光线所遇到的数据，确定图像平面中每个像素值。这样可以清晰的分辨出图像在空间域的具体位置，使绘制后的结果更真实。图1重建的轮廓与表面按照图像顺序进行体绘制也叫做光线投射，先确定图像上的一个像素值，调整好相机的参数后，从相机发出一条光线并穿透该像素，然后用一些设定好的函数计算光线所遇到的数据，得到具体的像素值。选定的函数不同，获得的图像也不同，可以从多个角度去观察图像，图像观察全面。光线投射是重建图像的重要过程，本方法使用一个标准正投影栅格投影。光线具有互相平行的特点，并与视平面垂直，沿着每条光线的数据值是按照一个光线函数处理的，并将其转换为灰级像素值。光线投射有两个主要步骤：首先确定沿光线遇到那些数值，然后按一个光线函数处理这些数值。虽然在实现中这两步典型地是结合在一起的，但这里我们单独对待它们。由于需要按规定的光线函数来确定沿光线提取的数值，让我们通过人脑图像绘制的实例看看几种不同的光线函数对显示结果的影响。假设一条光线通过8位灰度体积数据时的数据值剖面，灰度数据值范围为0~255。图2是使用四个不同简单光线函数转化为灰级值的显示结果。图2四种不同光线函数绘制的结果前两个光线函数，最大值及平均值，是对标量值本身的基本操作。第三个光线函数计算沿光线首次遇到等于标量值为30处的距离，第四个函数使用α合成技术，将沿光线的值看作按单位距离累积的阻光度样本值。并非所有的体绘制方法都可分到按图像顺序绘制。例如，体绘制的错切-变形法将三维视觉变换分解成三维错切变换和二维的变形变换。体数据按照错切变换矩阵进行错切，投影到错切空间形成一个中间图像，然后再将中间图像经变形生成最后的结果图像。这种算法的最主要特点是按照主要的视线方向选择切片数据集和投影数据。当视线的方向变化时，投影方向不一定变化。如果我们从体积的基平面投射光线做正交投影，则相当于使体积错切，使光线变得与基平面垂直。如果所有光线都源自于基平面上体素中同一平面，那么，这些光线与该体积的每个后续平面上的体素相交在连贯的位置上。

3结论