在螺旋弹簧的制造过程中，产生的残余压应力会影响部件的性能和有效使用寿命。由于制造和成型等工艺往往会产生相当大的残余拉应力，在弹簧表面造成不利条件，因此通常采用强化工艺减轻残余拉力的负面影响。

失效位置随着螺旋弹簧类型而变化；因此，对特定弹簧在抛丸强化前后的残余应力进行表征以了解应针对哪些区域进行强化极为重要。例如，压缩弹簧的内径(ID)是最有可能产生残余拉应力的区域，可能会导致弹簧在使用过程中失效(见图1)。而扭转弹簧最常在外径(OD)处发生故障。在拉伸弹簧中，挂钩的内径是最常见的故障来源。

在弹簧钢丝形成线圈以及随后的热处理过程中，弹簧中会产生复杂的残余应力场。事实上，即使弹簧钢丝在形成线圈之前没有净残余应力，预计在置位线圈的内径上也会观察到明显的残余拉应力。例如，图2所示的钢丝起初处于无应力状态。弹性弯曲时(见橙色部分)，钢丝在内径处产生压应力，在外径处产生拉应力。一旦卸除钢丝的负载，钢丝就会恢复到无应力状态。

但如果对材料施加超过屈服强度的弹塑性弯曲力(见金色部分，这种情况在形成永久性弹簧线圈组时必然会发生)，卸除施加的弯曲负载后钢丝不会完全弹回到原位置。如图2中的蓝色线条所示，成型线圈的内径承受拉应力，外径承受压应力，内径上的残余拉应力最大。在实际使用过程中，在外加应力与现有残余应力的叠加作用下，弹簧部件中存在的总应力可能会导致在疲劳载荷下过早失效。

就向弹簧表面施加压应力而言，抛丸强化是一种功能强大而又经济高效的方法。抛丸强化工艺可在弹簧钢丝圆周表面附近形成压应力状态和冷加工层(见图3)。通过抛丸强化层的有效深度(见灰色部分)，压应力的冷加工层可提高抗疲劳性。鉴于部件任何横截面上所有残余应力的净总和始终为零，因此引入的压应力必须与不可避免产生的残余拉应力相平衡。抛丸强化之后，产生的残余拉应力位于表面以下，对部件产生负面影响的可能性较小。

此外，在进行抛丸强化时，为了使材料类型及其机械性能达到最适宜的状态，可以对诸多因素进行优化：施加的强化压力、相对于线圈钢丝的丸料硬度、覆盖范围、强化喷嘴角度等。这样，弹簧在强化后，有效深度和压缩层的大小会受到影响。

虽然可通过一种可靠的方法量化特定强化工艺的强度，但无法直接量化强化部件的残余应力状态。这种方法需要使用一种被称为“阿尔门试片”的薄钢带，置于抛丸强化室内。强化强度由强化后阿尔门试片的偏移量来定义。但是，由于相同的阿尔门试片强度可能会产生多种不同的残余应力场(由于材料特性、部件形状、强化前的残余应力状态、相对于工件硬度的丸料硬度、强化设备/设置等)，因此必须直接测量部件中的残余应力，以确保抛丸强化工艺的成功实施。

长期以来，X射线衍射(XRD)在量化抛丸强化部件残余应力中的应用一直深受业界认可，这得益于该方法的高空间分辨率和表征部件表面及表面附近应力梯度的能力，而表面和表面附近的拉应力最有可能导致部件过早失效(即往往会产生裂纹的部位)。X射线衍射法的基础是测量金属和陶瓷等晶体材料衍射峰的布拉格角。根据布拉格定律，衍射X射线束的角度θ与原子晶格间距d有关：nλ = 2dsinθ，其中λ是入射X射线束的波长，n是波长的整数倍(图4)。测量给定波长的衍射角，可以计算取样体积的d间距，进而计算出应变。然后就可以利用弹性理论轻松计算出应力。

研究证明，通过XRD残余应力表征，能够在实验室和现场环境(使用便携式设备)中对众多应用和行业中的多种强化工艺进行评估。因此，在开发和优化许多不同部件的工艺和强化参数的过程中，XRD是一种非常有价值的工具。经过铸丸或陶瓷抛丸、钢丝切丸和玻璃珠等常规强化/抛丸介质处理过的部件，以及经过激光冲击强化等更多非常规处理方法处理过的部件，都已利用XRD成功地进行了表征。利用XRD分析可以增强抛丸强化的效果，从而获取更大价值：不仅能提高投资回报率、产品质量和部件性能，还能最大限度地减少疲劳和应力腐蚀，降低生产成本，减轻部件重量。表征经过强化处理的部件，还能最大限度地减少过度强化或缩减不必要的强化时间，实现巨大的经济效益。

XRD残余应力测量系统融入了前所未有的先进和强大功能，并且得益于先进的设计配置，几乎适用于任何几何形状的部件。事实上，螺旋弹簧(和其他内径较小的部件)通常可以直接在内径处进行测量(见图5中的示例)，而无需剖分或破坏部件。如果弹簧的尺寸较小，找不到合适的设备配置，可以在残余应力表征之前进行细致的剖分，以测量弹簧内部的应力。

进行残余应力表征以验证强化工艺的有效性时，通常会在表面和强化层的有效深度(即强化冷加工层及以下的位置)进行XRD测量。为了确认强化工艺的真正效果，很多时候都需要在未强化的部件上收集初步的残余应力-深度剖面，以进行比较。如图6所示，成型螺旋弹簧的内径(红色部分)与外径(橙色部分)的应力剖面明显不同：内径承受残余拉应力，而外径承受压应力。

由于内径的应力剖面是拉应力，因此有必要进一步测试来确保抛丸强化降低该位置的有害应力的有效性。利用相同条件和程序成型的弹簧组采用230R丸料单一强化工艺(见金色部分)和460H/230R双重强化工艺(见蓝色部分)进行强化。在图6中可以观察到强化效应的深度，其中强化弹簧的残余应力剖面(金色和蓝色)达到基线内径剖面(红色)。

可以将定量数据集与断裂力学软件结合使用，以预测部件的疲劳寿命和损伤容限。另外，将数据集与疲劳测试结合，可以确定达到预期疲劳寿命所需的残余应力水平。此外，完成分析并通过对相当数量的样品进行测试来加以验证，就可以创建残余应力规格，并将其添加到设计文件中，或作为交货要求加以说明。根据这些结果，弹簧部件的供应商或买方可以了解到已达到规定的残余应力水平，从而在使用过程中可以达到最佳疲劳寿命。

正如上文所演示的，定量XRD残余应力测量可以向制造商提供改进抛丸强化工艺的必要数据。由于所提供的数据既可以量化又可靠，因此可以准确地确定规格，并对强化工艺进行微调，从而满足客户要求。获得残余应力的技术规格是设计抛丸强化部件的必要步骤，因为这些数据有助于确保获得合适的产品质量，同时节省宝贵的时间和金钱，并防止因抗疲劳性能未知而导致的严重故障。

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