横滨国立大学等的研究表明，将硬钢球压在金属上并滚动的“钢球滚压”表面处理方法可以修复硬铝合金（duralumin,杜拉铝）表面的裂纹状划痕，使表面变得光滑，此举能提高合金的疲劳强度从而使划痕无害化。该成果有望延长需要轻量化的运输设备的使用寿命并提升其可靠性，同时还具有可缩短部件制造过程中最后的抛光步骤的优点。
研究人员在硬铝合金上制造了长0.4毫米，宽0.03毫米，深0.2毫米的裂纹划痕（左）。经过钢球滚压处理后，划痕闭合，且材料在承受反复载荷时的疲劳强度得到了提高（供图：横滨国立大学高桥宏治教授）
当金属材料承受反复作用力时，其表面和内部会产生微小划痕。如果不加以控制，这些裂缝会不断扩大，直至整个材料断裂。为了提高材料耐受反复载荷的疲劳强度和硬度，在材料表面高速喷射铸钢或玻璃等球形颗粒的“喷丸强化”工艺被广泛采用。然而，该方法的缺点是，无数颗粒撞击表面会造成表面粗糙，进而导致疲劳强度降低，以及使外观变差。
有人曾向横滨国立大学工学研究院材料强度学的高桥宏治教授咨询，能否通过与点压金属表面提高疲劳强度相同原理的球滚压技术来实现划痕无害化，受此启发，高桥教授于2022年4月开始了研究。
球滚压技术概要。通过将硬球压在金属表面上并滚动，在金属上产生残余应力，从而提高金属疲劳抗性（供图：横滨国立大学高桥宏治教授）
在此次研究中，研究人员准备了硬铝合金的试件。在试件最细且最薄弱的部分制造深度为0.1mm或0.2mm的狭缝状划痕，并通过用于轴承的钢球在划痕区域来回滚压。结果发现，与未经钢球滚压的试件相比，经过处理的试件外观更加光滑，粗糙度降低了80%。
经过球滚压处理的试件（上）相较于未经处理的试件（下）表面更加光滑（供图：横滨国立大学高桥宏治教授）
通过弯曲试件测量疲劳强度的结果显示，未制造划痕的试件的疲劳强度恢复了22%，划痕深度为0.1毫米时，疲劳强度恢复了143%，划痕深度为0.2毫米时，疲劳强度恢复了216%。无论哪种情况下，经过球滚压处理后的试样疲劳强度均高于没有划痕的试件（未进行球滚压）。
试件不同划痕（半圆形狭缝）深度的疲劳强度比较图。可见经过球滚压处理（黄色）的强度更高（供图：横滨国立大学高桥宏治教授）
据高桥教授介绍，钢球滚压不仅可以消除划痕并提高疲劳强度，同时还能使表面变得光滑。在自行车、火车、飞机等零部件的制造过程中将其应用于最后的工艺流程，可消除制造过程中无意识产生的微小加工划痕，使其达到无害的状态。此外，只需在广泛用于切削加工的数控车床（NC车床）上安装专用工具，便可进行球滚压处理，这使得加工过程更易于实现自动化。
在市售的NC车床上安装专用工具即可进行球滚压。与金属表面接触的钢球也是用于轴承的直径约1cm的市售品（供图：横滨国立大学高桥宏治教授）
今后，研究团队还计划进一步改进技术，以便在焊接部位等较弱区域或复杂形状的零件上局部应用球滚压处理，并验证在铝合金以外的材料上是否也能实现强度提升和裂缝无害化的效果。
相关研究成果已于6月25日发表在国际科学期刊《工程材料和结构的疲劳和断裂》（Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures）上，横滨国立大学于7月16日发布新闻稿。
日文：JST Science Portal 编辑部
中文：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures
论文：Fatigue strength improvement of aluminum alloy with surface defect by burnishing
DOI：10.1111/ffe.14372
