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摘要：通过研究钢板弹簧残余压应力场的4 个特征量（σrs、σrmax、Zo 和Zc），找出优化的喷丸残余压应力场。结果表明，钢板弹簧热处理后进行喷丸强化处理，可以提升钢板弹簧的表面残余压应力场，提高钢板弹簧的疲劳性能。本文由抛丸机生产厂家整理

1、前言：

 金属内部残余的内应力，是在对其进行热处理或冷处理时，部分金属材料结构被破坏产生塑性变形，并受到力的作用时产生的。钢板弹簧通过喷丸强化处理会引入残余压应力场，可以改变钢板弹簧的疲劳性能，本文主要讨论了钢板弹簧喷完后残余应力场及相关参数的变化，较终通过理论结合实践得出*套完整的优化残余压应力场。

2、钢板弹簧应力实验：

2.1、国内外钢板弹簧残余应力测量结果：

 利用X 射线应力仪对钢板弹簧试样进行残余应力测量分析，采用 OriginPro8 软件作图，可以清晰对比出国内外不同厂商钢板弹簧残余应力值沿深度方向的变化，钢板弹簧残余应力测量结果如图1 所示。

		200
		0
/MPa		-200				竞品1-1
		-400
	残余应力					竞品1-2
		-600				竞品2-1
						竞品	2-2
		-800				J7试
		-1 000				J7项
		-1 2000	400	800	1 200	1 600		2 000
					深度/μm

图1 国内外钢板弹簧喷丸残余应力沿簧片深度的分布曲线

2.2、钢板弹簧预应力强化喷丸：

 在制造钢板弹簧时，大都会采用预应力喷丸技术，这样有利于提高钢板弹簧的使用时间，如图 2 所示。预应力喷丸就是对喷丸施加外力载荷，当把载荷拿掉后，弹簧内部会产生应力，应力大小取决于之前所施加预应力大小，但是所施加预应力的大小不能超过钢板弹簧的弹性极限，否则就达不到改变性能的目的。

 研究发现，钢板弹簧经过喷丸作用后，其各方面性能与未经处理过的弹簧相比有很大提升。同时，经过处理的钢板弹簧使用寿命会增加。图3 为钢板弹簧普通喷丸与预应力喷丸后残余应力沿钢板弹簧深度方向的测量结果。

图3 普通喷丸与预应力喷丸残余应力沿深度方向分布

3、分析与讨论：

 为保证钢板弹簧的疲劳性能，必须采用喷丸强化处理。喷丸工艺有自由喷丸与预应力喷丸两种。自由喷丸虽然能够在钢板弹簧表层形成残余压应力，但在高工作应力工况下对于疲劳寿命的影响并不大。在相同工作环境下，预应力喷丸与自由喷丸相比，具有的残余应力更大，并且产生的残余应力深度会呈线性变化，这样更有利于增加钢板弹簧的抗疲劳能力。

3.1、残余应力分析：

3.1.1、较大残余压应力和残余压应力场的影响：

 通过对断裂钢板弹簧的分析，疲劳源基本产生于簧片受拉表面，表明疲劳裂纹产生于簧片表面，但是钢板弹簧经过喷丸后，其较大残余压应力并不在簧片表面，而是位于次表面（图1），这样就可以对表面的裂纹扩展产生抑制作用。通过腐蚀剥层，可以测量残余应力沿簧片深度的分布。

  *般情况下，残余应力不会造成裂纹产生，但会造成裂纹的扩展，且扩展程度比较大。所以，经过预应力喷丸处理过的钢板弹簧，几乎不会出现汽车钢板弹簧抛喷丸机强化处理对产品质量的影响

裂纹产生，但是会存在裂纹扩散，提高了钢板弹簧的疲劳强度。

3.1.2、残余应力变小现象：

 由数据显示，残余应力的大小在应力交变场中会发生变化。交变应力场的性能决定了喷丸产生的残余应力的松弛变化，并且外部施加的应力对于其大小不会产生影响。在弹簧钢板中，存在两种应力，*种是存在于工作面的拉应力，另*种是作用于非工作面的压应力。当交变应力场近似为钢板弹簧疲劳极限时，喷丸产生的残余压应力不会发生太明显的变化。因此，完全能够应用预压力喷丸的特性来较大程度施加残余压应力，以达到防止疲劳皱纹产生的目的。

 同时，要控制好较大残余压应力的数值，因为当其数值过大时，会造成弹簧内部的残余压应力过高，从而造成弹簧性能减弱，不利于弹簧的工作。所以，系统性能是由多种因素共同决定的，要参考相应的数据标准，在范围内找到较合适的应力数值即可。

3.2、内部疲劳极限理论及优化残余压应力场判据：

3.2.1、内部疲劳极限理论：

 当弹簧处于脉动弯曲载荷作用，并且其表面未产生残余压应力时，外部施加的应力处于较大值时应力与层深的关系如图4a 所示；喷丸引入表层残余压应力时，残余应力外施脉动应力处于较大幅值时的应力以及二者迭加合应力沿层深Z 分布示意于图4b 所示。

 内部疲劳极限理论计算得出，表面疲劳极限σws与内部疲劳极限σwi 两者之间存在某种比例关系：σwi/σws=1.32～1.38≈1.35

 在钢板弹簧未因残余应力而造成表面粗糙度变化、其表面未被软化的情况下，由于疲劳源的产生位置由表面向次表面转移，从而提高了钢板弹簧内部疲劳极限。表层引入的残余压应力产生的作用有限，仅具有强化作用。

 当钢板弹簧的表面粗糙程度和软化层在上述两种情况之间时，就会产生内部和外部疲劳源两种疲劳源。

 喷丸对于钢板的表面粗糙程度有很大影响，

图4  应力沿弹簧表层深度Z 分布的示意图

 可能造成其应力集中过高；并且由于自身早已存在的氧化脱碳层，造成疲劳源再生，会影响弹簧裂纹的不断扩展。此时，要想提高弹簧的疲劳极限C就需要提高喷丸所产生的残余应力场强度，两者之间存在以下函数关系：

C = ∫0Z0 σr (Z)dZ在上述理论支持下，借助内外表面的疲劳极限关系，并应用残余应力场的4 个参数，使用如下的工程计算方法，逐步逼近计算就能获得所需要的优化残余压应力场，从而提升弹簧的弹性性能，获得较佳疲劳强度。

 3.2.2、优化残余压应力场判据：

  优化残余压应力场应满足以下两个判据，只有同时满足以下判据所要求的条件时，才有可能达到较佳的优化效果。a.判据1。

  值应满足以下大小关系：σwi- |σrs| <σws 或σw, ap- |σrs| <σws

  即当外加的脉动应力较大值为表观内部疲劳强度之前，它的值与表面残余应力的差值依旧小于σws ，就不会出现由应力导致的地应力疲劳断裂。

  b.判据2。

  弹簧的内部疲劳极限σwi(或表观内部疲劳极限σw,ap)与被引入表面上的残余压应力绝对值σrs 的差在疲劳源产生深度Zo 上，由引入的残余压应力场引起的较大残余拉应力σt,max 与外施脉动应力在该深度上产生的拉应力σt,ap之和σt，满足以下逻辑关系：

 σt/σwi=1 或1>σt/σt,ap>0.96即当疲劳源产生深度上的拉应力上升到σwi时，才会出现裂纹，并造成较大程度的疲劳断裂。

3.3、数据分析：

  通过对比国内外钢板弹簧残余应力沿簧片深度的分布曲线可以看出，钢板弹簧表面均为残余压应力，大小为-550～-650 MPa；均在钢板弹簧表面下 370～450 μm 范围内出现残余压应力较大值，较大残余压应力可达-1 100 MPa。

  但国外钢板弹簧在距表面1 800 μm 深度位置才出现残余拉应力，而国内钢板弹簧在 800～1 300 μm 位置处就会出现残余拉应力，国外钢板弹簧的残余压应力场深度远大于国内钢板弹簧。

将预应力喷丸和普通喷丸进行对比，通过其在沿应力深度方向的实验数值可以得出，施加预应力后的喷丸与普通喷丸相比，其在各个残余应力的数值都相应大很多，且应力深度更深。

 喷丸预应力由500 MPa 提高至1 400 MPa 及以上，钢板弹簧强化效果非常显著。表面残余压应力由目前的 500 MPa 提升到 650 MPa,上升 30%以上；表层残余压应力场深度值由当前的0.4 mm 提高到0.7 mm，上升了70%；较大程度提高了残余应力场的强度，避免了弹簧表面裂纹的出现和内部裂纹的产生，极大优化了弹簧性能，延长了使用寿命。

4、结束语：

 本文通过研究钢板弹簧的多个疲劳极限和各个残余应力调整喷丸工艺，依次调整被引入残余压应力场的几个变量，让其符合优化残余应力的条件，以达到优化喷丸残余应力的目的。此时所得到的应力场多个应力参数以及观察台镜片的硬度、喷丸使用率等参数，都能作为判定残余应力场性能的参数标准。较终找到使残余应力场性能能够提升的目的参考条件，然后再参考现在较为高效的工艺方法，选择能引用的工艺规范，较终实现残余应力场的优化工作。经过这样科学、有效的选取工艺规范，减少了解决问题的时间，同时提高了工作质量。