ショットピーニングは材料の冷間表面処理方法として広く使用されています。その基本原理は、セラミックビーズ、スチールボール、ガラスビーズなどの高速ショット粒子を使用し、無数の小さなハンマーの力でワーク表面に衝突し、材料に弾塑性変形を引き起こします。このプロセスは、材料の表面に次のような重大な影響を与えます。
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1. 残留応力と加工硬化の組み込み
発射体による継続的な衝撃により、材料表面は塑性変形を起こし、多数の微細なピットが発生します。表面の下の変形していない粒子が元の形状に戻ろうとするため、材料表面に均一な残留圧縮応力層が形成されます。同時に、表面金属は冷間加工硬化を受け、材料表面の強度と硬度が大幅に向上します。
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2. 表面微細構造組織の変更
ショットピーニングによる周期的な塑性変形を受けた表面層は、その微細構造組織に大きな変化をもたらします。研究によると、ショットピーニングによりサブグレインが大幅に微細化され、転位密度が大幅に増加し、格子歪みが増大します。さらに、特定の熱処理合金（浸炭焼き入れギアなど）の場合、ショットピーニングによって表層の残留オーステナイトがマルテンサイトに変態することもあり、これにより、この相変態に伴う体積膨張により追加の圧縮応力が発生することがあります。
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3. 耐疲労性、耐食性の向上
残留表面圧縮応力の存在は、外部の交互荷重によって引き起こされる引張応力を効果的に打ち消すことができ、それによって疲労亀裂の発生源と伝播を抑制します。これにより、材料の曲げ疲労強度、接触疲労強度、および全体的な疲労寿命が大幅に向上します。さらに、緻密化された表面層と圧縮応力層により、応力腐食や高温酸化に対する材料の耐性が向上します。
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4. 表面形態と粗さの変更
ショットピーニングにより、本来滑らかな金属表面に凹凸が生じ、小さな金属の山や穴が生じ、表面粗さが増大します。一般に、ショットピーニング強度が増加すると、表面硬度は低下し、ショットサイズが増加すると、表面粗さの値も増加します。ただし、過度のショットピーニングは、より深いピットに重大な応力集中を引き起こす可能性があり、実際には強化効果が損なわれる可能性があります。
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5. サイズと形状への影響
表面に塑性変形が発生して圧縮応力層が形成されるため、溶射表面の金属が押し出され、ワークピースの巨視的寸法がわずかに増加する可能性があります。
結論として、ショットピーニングは材料の機械的特性を改善する上で顕著な効果を示しています。ただし、実際の用途では、過度の表面粗さに伴う悪影響を回避しながら、望ましい強化効果を達成するには、ショットピーニング強度、ショットサイズ、被覆率などのプロセスパラメータを適切に制御することが不可欠です。