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科学新讯
第 2 卷 - 2014 年 3 月刊
利用显微技术评估抛喷丸强化表面的质量
图1：由于SAE 9254螺旋弹簧的质量不高的强化表面，其无法永久性使用。箭头表示开始断裂区域。无可见的疲劳裂纹扩展。放大倍率：5x。来源：Testmat。
图2：弹簧线圈直径为2mm的SEM。(a)无缺陷线圈的SEM。放大倍率：50x (b)带有拉丝划痕的低覆盖率线圈SEM。放大倍率：500x (c)利用SE模式且具有良好覆盖率的线圈SEM。放大倍率：100x (d)具有通过BSE显示拉拔伤痕的与(c)线圈相同的SEM。放大倍率：100x。来源：Testmat。
图3：杆的表面金相。符合SAE 6150标准的材料。箭头表示强化凹陷表面的少量覆盖面。放大倍率：500x。来源：Testmat。
图4：弹簧表面的金相。符合SAE 9254标准的材料。箭头表示由于强烈的强化而导致的8μm表面裂纹。放大倍率：500x。来源：Testmat。
图5：弹簧表面的金相学。符合SAE 9254标准的材料。箭头表示由于强烈的喷丸强化导致的12至15μm的几种表面覆盖。 放大倍率：200x。来源：Testmat。
简介
悬挂部件、传动设备以及其他汽车部件均通过抛喷丸强化来延长其使用寿命。强化介质和强化设备中的几种控制方式决定了表面抛喷丸处理的质量。此外，经强化处理的强化表面区域被量化的称为覆盖面。该区域用变形或受到强化介质影响程度的百分比进行测量。
在工业抛喷丸工艺中，理论上将可达覆盖区域限制为 99,8%，若想获得此覆盖率，需要一定的强化的抛喷丸工艺。如今，弹簧等悬挂产品均具有极高的覆盖率标准和较高的残余压应力。非覆盖区域尤为关键，可降低组件的使用寿命。因此，实际应用时应尽可能地使用最长的抛喷丸时间处理工件，以确保最佳的表面覆盖率。但对于过度抛喷丸区域内组件的抛喷丸工艺是有限度的。
优质抛喷丸表面无需过度强化，应避免。这样操作限制的原因是过度喷丸会导致组件表面出现裂纹和重叠。过度强化的常见缺陷尺寸为2-5晶粒度，减小了表面的压缩张力，出现疲劳裂纹区域。
实践中使用的具有较大张力的组件，如螺旋弹簧，无明显的疲劳裂纹扩展，而是在形成裂纹后突然断开。所以，尽管表面已经过抛喷丸强化，但由于表面质量，组件的使用寿命会降低，从而无法继续使用。
评估表面质量
仅利用肉眼很难发现裂纹、重叠和低覆盖率等降低表面质量的缺陷。至少应使用一种具有良好分辨率和放大倍率的立体显微镜。
例如，对于直径为4mm的螺旋弹簧，需识别 100µm2的区域，以确保90%以上的覆盖率。通常情况下，覆盖率在90%以上时，未抛喷丸强化区域面积较小，可沿着工件随意扩展。此时，不易测量非覆盖区域。
为更准确地进行测量和识别缺陷，可使用显微技术。对于覆盖率接近90%的测量，扫描电子显微镜(SEM)可能更有助于识别未抛喷丸强化区域。如图2所示，可通过估测直径为2mm的弹簧覆盖率来验证这些技术的有效性。此类显微镜的最佳景深(DOF)可放大相关区域，还可清晰观测到如何处理所有表面。该显微镜的另一优势即是使用了反向散射电子(BSE)图像允许修改图像化学表面的清晰标识。不同组件具有不同的灰影，通过灰影可识别原始表面出现、且在抛喷丸处理期间无法删除的带有氧化物的区域。
也可使用SEM识别重叠和裂纹，但利用光学显微镜进行识别更具成本效益。简单的金相观察将有助于检查表面的重叠和裂纹。
需要准备一个纵向或横向切面的样品，利用其良好的样品边缘拉伸性进行镶嵌，然后根据金相技术进行研磨和抛光。样品不应被腐蚀。
利用其200 - 500x的放大倍率，可识别过度抛喷丸强化状态下出现的所有缺陷。
图3-5显示了通过该技术识别的不同缺陷。
结语
利用具有反向散射电子的扫描电子显微镜是在抛喷丸处理后识别覆盖区域的有效技术。可利用该技术进行连续启动，以确定连续生产期间受控的正确工艺参数。
利用金相技术可识别多种表面缺陷，包括由强化工艺产生的缺陷。由于该分析的成本较低，因此，在连续生产时可定期进行分析。
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