機械加工強化機理與工藝技術研究進展

王浩明 劉念

【摘 要】 隨著科技水平的不斷發展，人們逐漸對各種材料及設備的強度提出了更高的要求，由材料強度問題導致的材料腐蝕、磨損及開裂問題對全球經濟造成了巨大的損失，近些年來機械加工強化機理與相關的工藝研究已受到越來越多人的重視，成為當今社會發展的重要課題。基于此，本文從位錯強化、晶界強化以及應變強化等方面闡述了機械加工的強化理論與機理模型，在此基礎上提出了機械加工的強化工藝與技術，希望能對機械加工強化機理與工藝的研究起到一定的借鑒作用。

【關鍵詞】 機械加工 強化機理 工藝技術

一、機械加工中強化機理的研究

材料的強度實質上是指原子與原子之間的相互作用力，原子間結合力越小則材料越容易發生滑移，進而產生塑性變形導致材料發生強度破壞。很多學者在對金屬強度的研究過程中假定金屬的塑性變形是一種剛性滑動，然而按照這種假定導算出的滑動臨界應力卻與金屬實際強度偏差數百倍。基于此，國外學者提出了影響金屬強度的晶體位錯理論，一定程度上為機械加工的強化機理提供了新的研究方向，本文主要從位錯強化、應變強化、晶界強化三個方面闡述機械加工的強化機理。

1.1 位錯強化機理

晶體位錯理論認為金屬實際強度遠低于金屬理論強度的一個重要原因是金屬晶體中存在位錯運動的情況，導致金屬的塑性變形一定程度上是由晶體的位錯滑移決定的，變形臨界應力產生了極大下降。因此機械加工的強化機理可以增大晶體產生位錯運動的難度為出發點，提高金屬材料的實際強度。位錯強化主要是通過位錯增殖機制與位錯障礙機制實現的，兩種機制的主要強化手段都是加強金屬材料的流變應力，流變應力一定程度上表示了晶體位錯運動的阻力大小，由位錯強化與晶格阻力兩部分組成。研究表明，溫度可對金屬的位錯強化產生十分重要的影響，當金屬材料處于低于臨界溫度的環境中時，溫度越高，位錯運動受到的阻力越小，流變應力降低；當金屬材料處于高于臨界溫度的環境中時，溫度對位錯運動的阻力影響可忽略不計。

1.2 晶界強化機理

晶界位錯理論認為晶界會對晶體的位錯運動產生重要作用，晶界實質上是指多晶體金屬材料中晶粒之間不同取向的界限，一定意義上來說晶界是一種位錯源，可限制晶體中發生位錯運動，增大位錯密度，從而阻礙金屬發生塑性變形保證金屬的實際強度。晶界對金屬材料的強化作用包括直接強化與間接強化兩個方面，強化效果一般由晶粒尺寸與流變應力的對應關系決定，即細粒強化效果，研究表明，細粒強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。在實際應用過程中，相關人員也應認識到晶界會使金屬材料過早產生應力疲勞，應合理考慮晶界強化機理的利與弊。

1.3 應變強化機理

應變強化機理通過增加金屬塑性變形中的附加位錯提高材料強度，附加位錯會對原有的位錯運動產生一定的限制，是晶體位錯發生相互纏繞與相互作用。應變強化在應用過程中會使金屬材料產生三個硬化階段：易滑移階段、線性硬化階段與動態恢復階段。易滑移階段應變強化對金屬材料的強化作用不明顯，金屬強度主要受到晶體結構與晶體內雜質的影響；線性硬化階段應變強化對金屬材料的強化作用最為明顯，加工硬化速率很高，流動應力極大增強，應變量與強化作用呈現一次函數關系；動態恢復階段應變強化對材料的強化作用逐漸降低，于應力達到臨界應力后結束。

二、機械加工強化工藝技術研究

2.1 噴丸強化技術

噴丸強化技術主要是對應變強化與組織強化的利用，主要手段是將高速運動的彈丸通過專用設備噴射于金屬材料表面，進而使金屬的晶體結構趨向于理想狀態，以達到增強材料強度的目的。噴丸強化技術由于設備簡單、效率高等特點逐漸成為目前全球應用最為廣泛的機械加工強化技術，噴丸強化技術在實際應用過程中可分為干式噴丸與濕式噴丸，兩種噴丸工藝的技術設備都以離心式機械為主，噴丸通過高速運動產生離心力驅動彈丸噴射到材料表面，實現對金屬材料強度的提高。

2.2 滾壓強化技術

滾壓強化技術主要是通過限制晶體的位錯運動來提高材料強度，以限制金屬晶體的位錯運動為出發點，通過向金屬表面施加一定的滾壓壓力著重增強金屬晶體的位錯密度，例如加強晶體原子間的相互纏繞或相互作用，增大晶體產生位錯運動的難度，進而提高金屬材料的使用性能和實際強度，是對晶界強化機理與應變強化機理的運用。滾壓強化技術的工藝實現一般是通過液壓滾壓工具，利用液壓設備向滾珠施加壓力，再由滾珠將壓力傳遞至材料表面，材料表面壓力的增加實現了對材料強度的增強。

結束語

隨著現代科技的不斷發展，人們對材料的使用性能提出了更高的要求，機械加工的強化機理與工藝也逐漸受到越來越多人的重視。目前機械加工的強化機理主要包括位錯強化、晶界強化以及應變強化等，通過對強化機理的運用也出現了眾多有效的強化工藝與技術，例如噴哇強化技術、滾壓強化技術等等，為材料強度的研究注入了新的活力。

【參考文獻】

[1] 楊豪虎.機械加工強化機理與工藝技術分析[J].時代農機，2016，43（07）：6-7.

[2] 劉戰強， 賀蒙， 趙建.機械加工強化機理與工藝技術研究進展[J].中國機械工程， 2015， 26 （3） ：403-413

[3] 郭建飛， 于明輝， 田志遠.關于機械加工強化機理與工藝技術的研究[J].工程技術， 2016， （11） ：240-240

[4] 熊柯屹.機械加工強化機理與工藝技術初探[J].時代農機，2017，44（02）：7+9.

[5] 張鑫.機械加工強化機理與工藝技術探討[J].現代制造技術與裝備，2017（05）：121+157.