喷丸是一种广泛使用的材料表面冷加工方法可实现表面清理、光洁度加工、成形、校正和机械强化等多种功能。该方法具有实施方便、效果显著、适应面广、消耗低、不受工件形状和位置限制等多种优势，在飞机、坦克、汽车和各种机械设备的齿轮、轴承、焊接件、弹簧、涡轮盘、叶片及模具、切削工具等的表面清理和提高使用寿命与防腐能力方面发挥了重要的作用，还可用于表面消光、去氧化皮和消除铸、锻、焊件的残余应力等。

喷丸强化是广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面机械强化方法，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀（孔蚀）能力，具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方法。

利用球形弹丸高速撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成残余压缩应力层。形成压缩应力层的目的是预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳破坏裂纹部位的抗应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。喷丸过程是弹丸经不断撞击材料表层，并使表层（深度约为0.1～0.7毫米）材料发生循环塑性变形的过程，而包围此塑性变形层的是弹性变形基体。经受喷丸循环塑性变形的表层，随材料性质的不同，将发生各种变化：表层组织结构与相结构的变化、表面应力状态变化和表层密度变化。

喷丸循环塑性变形可使淬硬钢表层发生循环软化现象，使亚结构（亚晶粒）尺寸与点阵畸变发生数量级的变化。喷丸能使淬硬钢表层的残留奥氏体发生γ→α相变，由此提高表层的疲劳强度，也能使18-8型亚稳态奥氏体不锈钢发生γ→α相变，使其应力腐蚀开裂抗力得以提高。

喷丸塑性变形可使材料外表层产生残余应力，而在次表层形成残余拉应力；通常，弹丸硬度越高，获得的残余压应力也越大。喷丸造成的残余压应力与零件承受的交变应力中的拉应力叠加后，使零件承受的最大拉应力由表面移至亚表面。在这种情况下，疲劳裂纹将萌生在内层的亚表面区，而不是萌生于表面。

一般情况下，粉末烧结材料尤其是表面涂层材料，密度均低于同一成分的变形材料，而喷丸对涂层密度具有明显的影响。

喷丸处理技术不断突破限制于机械行业的应用范围，在医学抗菌、生物材料处理、固体润滑、光催化等领域也显示出良好的应用前景。喷丸强化的方法通常有以下5种。

指大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件表面喷射，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格扭曲和高密度错位。足够长的时间后，以冷加工的形式使工件表面金属材料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸表面结构。这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此在工件表面和近表面形成残余的压应力，从而显著地提高了材料的物理和化学性能。传统的喷丸强化因其具有提高金属零构件抗疲劳断裂能力而得到广泛应用，但也存在一些问题影响其发展广度和深度：①受零构件的凹槽部位和丸粒不能有效撞击难以达到部位的限制，产生喷丸死角，造成喷丸强度不足。②受喷丸强化表面粗糙度的限制。③受环境污染的限制。

机械喷丸强化设备主要有两种结构形式：气动式和机械离心式。通常喷丸设备由以下几部分组成：弹丸加速与速度控制机构、弹丸提升机构、弹丸筛选机、零件驱动机构、通风排尘机构、强化时间控制装置。

喷丸强化过程中影响和决定强化效果的各种因素统称为喷丸强化工艺参数，包括：弹丸尺寸、弹丸硬度、弹丸速度、弹丸流量、喷射角度、喷射时间及喷嘴（或离心叶轮）至零件表面的距离等。

任一参数的变化，都会直接影响零件的强化效果。一定的强化工艺参数产生一定的喷丸强度和表面覆盖率，由此决定了一定的强化效果。因此，通常采用喷丸强度和表面覆盖率这两个参数来表征上述诸工艺参数的综合作用效果。在实际的喷丸强化工程中，通常要求检验和控制的主要喷丸强化工艺参数是：弹丸材料（硬度）、弹丸尺寸、喷丸强度及表面覆盖率。其中最主要的是喷丸强度。

喷丸强化的弹丸选择是重要的技术环节。弹丸种类总共有4大类：①铸钢丸。其硬度一般为40～50HRC，加工硬金属时，可把硬度提高到57～62HRC。铸钢丸的韧性较好，使用广泛，其使用寿命为铸铁丸的几倍。②铸铁丸。其硬度为58～65HRC，质脆而易于破碎。寿命短，使用不广。主要用于需喷丸强度高的场合。③玻璃丸。硬度较前两者低，主要用于不锈钢、钛、铝、镁及其他不允许铁质污染的材料，也可在钢铁丸喷丸后作第二次加工之用，以除去铁质污染和降低零件的表面粗糙度。④陶瓷丸。陶瓷丸的化学成分大致为67%的二氧化锆^[注]、31%的二氧化硅^[注]及2%的氧化铝^[注]为主的夹杂物，经熔化、雾化、烘干、选圆、筛分制成的，硬度相当于57～63HRC。其突出性能是密度比玻璃高、硬度高。最早于20世纪80年代初期用于飞机的零部件强化。陶瓷丸具有较高的强度，寿命比玻璃丸长，价格比较低，现已扩展到钛合金、铝合金等有色金属的表面强化。

在一般情况下，选择喷丸强化的弹丸应遵守以下规则：①弹丸直径应小于零件缺口处（如沟、槽）的尺寸，以保证缺口的底部及侧面均能获得喷丸强化。②弹丸飞到零件表面的动量mv越大（m为弹丸质量；v为弹丸运动速度）；表面强化层深度越大。通常是通过改变弹丸的直径或改变弹丸速度来改变弹丸的动量，从而调节表面强化层的深度。③弹丸越细，获得的零件表面粗糙度越低；反之则表面粗糙度越大。④有色金属零件应避免采用铸铁或钢丸进行喷丸强化，因为附着于零件表面的铁粉会导致零件表面的电化学腐蚀。

一项新技术，也称为激光冲击强化，其机理是：短脉冲的强激光透过透明的约束层（水帘）作用于覆盖在金属板材表面的吸收层上，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击，由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈服强度极限时，板料表面发生塑性变形，同时由于表面的塑性变形使表层下发生的弹性变形难以恢复，因此在表层产生残余压应力。

与传统的机械喷丸强化相比，激光喷丸强化具有以下鲜明的特点和优势：①光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸，而传统机械喷丸受到弹丸直径等因素的限制则无法进行。②激光脉冲参数和作用区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累计的形式多次喷丸，因而残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控。③激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸的残余应力大，其深度比机械喷丸形成的要深。④激光喷丸使得零件表面塑性变形形成的冲击坑深度仅为几个微米。⑤适用范围广，对碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金及镍基高温合金等材料均适用。

20世纪90年代来迅猛发展起来的一项新技术，高压水射流喷丸强化机理是：将携带巨大能量的高压水射流以某种特定的方式高速喷射到金属零构件表面上，使零构件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变（冷作硬化层），呈现理想的组织结构（组织强化）和残余应力分布（应力强化），从而达到提高零构件周期疲劳强度的目的。

与传统喷丸强化工艺相比，高压水射流喷丸强化技术具有以下特点：①容易对存在狭窄部位、深凹槽部位的零件表面及微小零件表面等进行强化。②受喷表面粗糙度值增加很小，减少了应力集中，提高了强化效果。③无固体弹丸废弃物，符合绿色材料选择原则，不因弹丸破损而降低表面可靠性。④低噪声、无尘、无毒、无味、安全、卫生有利于环境保护和操作者的健康。高压水射流喷丸强化技术先进、优势明显，具有广阔的应用前景。

中国科学院沈阳金属研究所对传统喷丸技术进行了改进，开发了喷丸（高频）和高能喷丸（低频）技术，实现了多种金属材料的表面纳米化，对304不锈钢的研究表明，随着高能喷丸处理时间的增加，金属中马氏体的含量增加，到一定时间后达到饱和，金属材料表面纳米化可显著提高材料的表面硬度，还可以明显降低氮化温度、缩短氮化时间。

最近，人们对这一操作简单、效果显著的表面处理技术给予了极大的关注，开发了微粒冲击等新技术，通过改变残余应力的位置、表面粗糙度、摩擦系数、表面金属颗粒状态等，实现机械强化、提高耐磨性能、延长使用寿命、金属表面纳米化、降低氮化温度等多种不同的功能，极大地拓展了喷丸技术的应用领域。

与传统喷丸强化相比，微粒冲击方法采用的弹丸直径小，冲击速度快，硬度提高，处理后工件表面硬度增加的幅度大，表面的粗糙度小，而且通过残余应力分析，微粒冲击样品的最大残余应力在表面以下100微米处，因此与喷丸相比，微粒冲击工件的表层硬度与普通喷丸处理的工件表面硬度相当，但微粒冲击明显降低了工件表面粗糙度，可使得耐磨特性得到了显著的提高，因此可延长被加工工件的使用寿命。表1为微粒冲击与传统喷丸强化的性能比较。

喷丸使用高压风或压缩空气作动力，而抛丸一般为高速旋转的飞轮将钢砂高速抛射出去。抛丸效率高，但会有死角，而喷丸比较灵活，但动力消耗大；两种工艺虽喷射动力和方式不同，但都是高速冲击工件为目的，其效果也基本相同。相比而言，喷丸比较精细，容易控制精度，但效率不及抛丸之高，适形状复杂的小型工件，抛丸比较经济实用，容易控制效率和成本，可以控制丸料的粒度来控制喷射效果，但会有死角，适合于形面单一的工件批量加工；两种工艺的选用主要取决工件的形状和加工效率。

喷丸与喷砂都是使用高压风或压缩空气作动力，将其高速的吹出去冲击工件表面达到清理效果，但选择的介质不同，效果也不相同。喷砂处理后，工件表面污物被清除掉，工件表面被微量破坏，表面积大幅增加，从而增加了工件与涂/镀层的结合强度。经过喷砂处理的工件表面为金属本色，但是由于表面为毛糙面，光线被折射掉，故没有金属光泽，为发暗表面。喷丸处理后，工件表面污物被清除掉，工件表面被微量进而不容易被破坏。表面积有所增加，由于加工过程中，工件表面没有被破坏，加工时产生的多余能量就会引起工件基体的表面强化。经过喷丸处理的工件表面也为金属本色，但是由于表面为球状面，光线部分被折射掉，故工件加工为哑光效果。