王浩明 刘念

【摘 要】 随着科技水平的不断发展，人们逐渐对各种材料及设备的强度提出了更高的要求，由材料强度问题导致的材料腐蚀、磨损及开裂问题对全球经济造成了巨大的损失，近些年来机械加工强化机理与相关的工艺研究已受到越来越多人的重视，成为当今社会发展的重要课题。基于此，本文从位错强化、晶界强化以及应变强化等方面阐述了机械加工的强化理论与机理模型，在此基础上提出了机械加工的强化工艺与技术，希望能对机械加工强化机理与工艺的研究起到一定的借鉴作用。

【关键词】 机械加工 强化机理 工艺技术

一、机械加工中强化机理的研究

材料的强度实质上是指原子与原子之间的相互作用力，原子间结合力越小则材料越容易发生滑移，进而产生塑性变形导致材料发生强度破坏。很多学者在对金属强度的研究过程中假定金属的塑性变形是一种刚性滑动，然而按照这种假定导算出的滑动临界应力却与金属实际强度偏差数百倍。基于此，国外学者提出了影响金属强度的晶体位错理论，一定程度上为机械加工的强化机理提供了新的研究方向，本文主要从位错强化、应变强化、晶界强化三个方面阐述机械加工的强化机理。

1.1 位错强化机理

晶体位错理论认为金属实际强度远低于金属理论强度的一个重要原因是金属晶体中存在位错运动的情况，导致金属的塑性变形一定程度上是由晶体的位错滑移决定的，变形临界应力产生了极大下降。因此机械加工的强化机理可以增大晶体产生位错运动的难度为出发点，提高金属材料的实际强度。位错强化主要是通过位错增殖机制与位错障碍机制实现的，两种机制的主要强化手段都是加强金属材料的流变应力，流变应力一定程度上表示了晶体位错运动的阻力大小，由位错强化与晶格阻力两部分组成。研究表明，温度可对金属的位错强化产生十分重要的影响，当金属材料处于低于临界温度的环境中时，温度越高，位错运动受到的阻力越小，流变应力降低；当金属材料处于高于临界温度的环境中时，温度对位错运动的阻力影响可忽略不计。

1.2 晶界强化机理

晶界位错理论认为晶界会对晶体的位错运动产生重要作用，晶界实质上是指多晶体金属材料中晶粒之间不同取向的界限，一定意义上来说晶界是一种位错源，可限制晶体中发生位错运动，增大位错密度，从而阻碍金属发生塑性变形保证金属的实际强度。晶界对金属材料的强化作用包括直接强化与间接强化两个方面，强化效果一般由晶粒尺寸与流变应力的对应关系决定，即细粒强化效果，研究表明，细粒强化效果主要由金属材料的弹性模量、晶界能以及晶粒直径等因素决定。在实际应用过程中，相关人员也应认识到晶界会使金属材料过早产生应力疲劳，应合理考虑晶界强化机理的利与弊。

1.3 应变强化机理

应变强化机理通过增加金属塑性变形中的附加位错提高材料强度，附加位錯会对原有的位错运动产生一定的限制，是晶体位错发生相互缠绕与相互作用。应变强化在应用过程中会使金属材料产生三个硬化阶段：易滑移阶段、线性硬化阶段与动态恢复阶段。易滑移阶段应变强化对金属材料的强化作用不明显，金属强度主要受到晶体结构与晶体内杂质的影响；线性硬化阶段应变强化对金属材料的强化作用最为明显，加工硬化速率很高，流动应力极大增强，应变量与强化作用呈现一次函数关系；动态恢复阶段应变强化对材料的强化作用逐渐降低，于应力达到临界应力后结束。

二、机械加工强化工艺技术研究

2.1 喷丸强化技术

喷丸强化技术主要是对应变强化与组织强化的利用，主要手段是将高速运动的弹丸通过专用设备喷射于金属材料表面，进而使金属的晶体结构趋向于理想状态，以达到增强材料强度的目的。喷丸强化技术由于设备简单、效率高等特点逐渐成为目前全球应用最为广泛的机械加工强化技术，喷丸强化技术在实际应用过程中可分为干式喷丸与湿式喷丸，两种喷丸工艺的技术设备都以离心式机械为主，喷丸通过高速运动产生离心力驱动弹丸喷射到材料表面，实现对金属材料强度的提高。

2.2 滚压强化技术

滚压强化技术主要是通过限制晶体的位错运动来提高材料强度，以限制金属晶体的位错运动为出发点，通过向金属表面施加一定的滚压压力着重增强金属晶体的位错密度，例如加强晶体原子间的相互缠绕或相互作用，增大晶体产生位错运动的难度，进而提高金属材料的使用性能和实际强度，是对晶界强化机理与应变强化机理的运用。滚压强化技术的工艺实现一般是通过液压滚压工具，利用液压设备向滚珠施加压力，再由滚珠将压力传递至材料表面，材料表面压力的增加实现了对材料强度的增强。

结束语

随着现代科技的不断发展，人们对材料的使用性能提出了更高的要求，机械加工的强化机理与工艺也逐渐受到越来越多人的重视。目前机械加工的强化机理主要包括位错强化、晶界强化以及应变强化等，通过对强化机理的运用也出现了众多有效的强化工艺与技术，例如喷哇强化技术、滚压强化技术等等，为材料强度的研究注入了新的活力。

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