为了提高服务性能，表面强化技术被广泛应用于关键部件中。其中喷丸处理由于其优越的灵活性和强化效果，广泛应用于航空和车辆等工业领域研究了喷丸处理（SP）对超高强度钢的影响。为表征强化层，来自Beijing Institute of
Technology的Feinong Gao等人提出了一种用于X射线衍射和纳米压痕测试的倾斜试样。通过实验和晶体塑性有限元（CPFE）分析，研究了强化层的微观力学性能。结果表明，喷丸处理引入了晶粒细化和压应力，并且由于材料的高强度和硬度，这些效应集中在表面层，影响的最大深度仅为0.1毫米。基于模拟结果，发现纳米压痕加载曲线的差异源于残余应力产生的作用力。为了估算强化层的残余应力，本文提出了一个基于纳米压痕的修正模型。与Wang的模型相比，该模型的估算精度有所提高，并且与X射线衍射方法相比，该模型能够在强化层中提供更精确的结果。在研究对象的选择上，该研究采用了45CrNiMoVA合金，并采用EBSD技术检查了强化表面层的微观结构，得到了如图1所示的微观结构图。![]()
图1 SP处理后表面层的微观结构
为了更准确地表征强化层，文章提出了一种倾斜试样进行残余应力测量和纳米压痕。如图2所示，首先用线切割（WEDM）从SP试样中加工出试样，如蓝色所示，在WEDM过程中保持强化表面的加工状态，试样的最终尺寸约为10mm×10mm×10mm热固化前，将试件倾斜，并在SP面边缘预埋薄板，使SP面具有倾斜角，最后将试件水平打磨，去除部分倾斜的SP面，即为残余应力与硬度的测试面，如图2（d）中绿色表面所示：![]()
图2 倾斜标本的制备程序
在晶体塑性有限元模型上，本文选择了如图所示的模型，并通过在两个方向上施加预应力的方式施加了等双轴残余应力。![]()
图3 有限元模型及残余应力的引入
另外，文章基于Wang通过压痕计算残余应力的模型，基于能量法，重新提出了新的残余应力模型。利用所提出的模型以及Wang等人提出的模型，计算了双轴残余应力，并与x-ray的实验结果进行对比，验证了方法的准确性。![]()
图4 新提出的模型的验证
由于喷丸处理会因加工硬化而引起强化层力学性能的变化，本文利用晶体塑性模拟，通过比较基材和强化层中的P-h曲线，研究了位错密度和晶界的影响，并探究了加工硬化对载荷曲线的影响。![]()
图5 加工硬化对载荷曲线的影响
另外，研究团队研究了微观结构的影响，对压头正下方的晶粒分配两组晶粒取向，第一组取向为X
= [100]和Y = [010]，第二组晶粒取向为X = [−110]、Y = [111]，两组取向分别记为ori-Ⅰ和ori-Ⅱ。图6给出了压痕深度为0.8
mm时von Mises应力的分布情况，可以看出，工件材料的变形与微观结构密切相关，工件材料更容易沿滑移方向发生变形。![]()
图6不同晶粒取向下的应力分布：(a) ori-Ⅰ；(b) ori-Ⅱ
本文研究了 SP 对超高强度钢的影响，并提出了一种倾斜试样来测量强化层的残余应力和显微硬度。除了实验研究外，还进行了 CPFE 模拟，以研究纳米压痕过程中强化层的变形。基于实验和模拟分析，可以得出以下结论。（1）SP可在强化层中引入高度集中的残余压应力，在表层中最大残余压应力可达−1000MPa，但由于被试材料的强度和硬度较高，SP引入的残余应力仅影响强化表层0.1 mm深度范围内的材料。
（2）残余应力的差异是造成纳米压痕过程中加载曲线变化的主要原因，模拟结果验证了王等人提出的想法，即两条加载曲线之间的区域代表残余应力对压头所做的功。
（3）基于纳米压痕实验，新模型通过修改残余应力贡献的压痕功，与传统Wang模型相比，可以给出更好的残余应力估算结果。
（4）CPFE模拟结果表明，基体层中载荷曲线的偏差主要是由微观结构的变化，特别是晶粒取向的变化引起的。
相关的研究以“Micro-mechanical properties characterization
of shot peening strengthened layer with nanoindentation“为题发表在Mechanics of Materials（2024年Volume 197）上，论文的第一作者是Feinong Gao。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2024.105072
