blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-3-272-282blackmet-2548Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESСтепень упрочнения и глубина наклепа при маятниковом поверхностном пластическом деформировании углеродистой сталиDegree and depth of hardening under pendulum surface plastic deformation of carbon steelЗайдесС. А.ZaidesS. A.

Семен Азикович Зайдес, д.т.н., профессор кафедры материаловедения, сварочных и аддитивных технологий

Россия, 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Semen A. Zaides, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Materials Science, Welding and Additive Technologies

83 Lermontova Str., Irkutsk 664074, Russian Federation

zsa@istu.eduhttps://orcid.org/0000-0002-0488-0290КуанХо МиньQuanHo Minh

Хо Минь Куан, аспирант кафедры материаловедения, сварочных и аддитивных технологий

Россия, 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Ho Minh Quan, Postgraduate of the Chair of Materials Science, Welding and Additive Technologies

83 Lermontova Str., Irkutsk 664074, Russian Federation

minhquanho2605@gmail.comИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation202328062023663272282Copyright © Зайдес С.А., Куан Х.М., 20232023Зайдес С.А., Куан Х.М.Zaides S.A., Quan H.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2548

В статье рассматривается влияние основных технологических параметров маятникового поверхностного пластического деформирования (ППД) на механические свойства поверхностного слоя цилиндрических деталей из углеродистой стали. С использованием твердомера HBRV-187,5 и микротвердомера HMV-G21 определены твердость поверхностного слоя, микротвердость и глубина наклепанного слоя упрочненных деталей. Представлены результаты по расчету степени упрочнения, которые являются важной информацией для оценки эффективности способа ППД с точки зрения улучшения механических свойств металла. Экспериментальные исследования показали, что после маятникового ППД (при разных режимах обработки) твердость поверхностного слоя повышается на 9 – 12 % по сравнению с твердостью исходной поверхности, а микротвердость возрастает в 1,5 – 1,7 раз, что приводит к значительному упрочнению поверхностного слоя цилиндрической заготовки. Глубина упроченного слоя варьируется в интервале 0,9 – 1,1 мм, при этом степень упрочнения составляет 45 – 65 %. С помощью программного пакета Statistica 10.1, позволяющего решать задачи оптимизации на основе статистического анализа, построена модель оптимизации и определены оптимальные режимы упрочнения при маятниковом ППД, обеспечивающие одновременно и максимальную глубину упрочненного слоя, и наибольшую степень упрочнения поверхностного слоя. Оптимальные режимы упрочнения формируются при следующих режимах обработки: радиальный натяг t = 0,15 ÷ 0,2 мм; продольная подача s = 0,07 ÷ 0,11 мм/об; частота вращения заготовки nз = 160 ÷ 200 мин−1; частота маятникового движения рабочего инструмента nин = 110 ÷ 130 дв.ход/мин; угловая амплитуда рабочего инструмента α = 35 ÷ 40°. По результатам экспериментальных данных и численных расчетов установлено, что средний размер зерен при маятниковом ППД уменьшается на 30 – 40 % по сравнению с исходным размером, а плотность дислокаций возрастает в 2,5 раза.

The article discusses influence of the main technological parameters of pendulum surface plastic deformation (SPD) on the mechanical properties of surface layer of cylindrical parts made of carbon steel. Using the hardness tester HBRV-187.5 and the microhardness tester HMV-G21, we determined hardness of the surface layer, microhardness and depth of the work-hardened layer of hardened parts. In addition, the results of calculating the hardening degree are presented, which is important information for evaluating the effectiveness of SPD method in terms of improving the metal mechanical properties. Experimental studies showed that after pendulum SPD (at different processing modes), hardness of the surface layer increases by 9 – 12 % compared to hardness of the original surface, and the microhardness increases by 1.5 – 1.7 times, which leads to a significant hardening of the cylindrical billet surface layer. Depth of the hardened layer varies in the range of 0.9 – 1.1 mm, while the hardening degree is 45 – 65 %. Using the software package Statistica 10.1, which allows solving optimization problems based on statistical analysis and building an optimization model, we determined the optimal modes of hardening by pendulum SPD. These modes simultaneously provide both the maximum depth of the hardened layer and the highest hardening degree of the surface layer. They are formed under the following processing modes: radial interference t = 0.15 – 0.2 mm; longitudinal feed s = 0.07 – 0.11 mm/rev; billet rotation frequency nb = 160 – 200 min−1; frequency of the working tool pendulum movement nt = 110 – 130 strokes/min; angular amplitude of the working tool α = 35 – 40°. According to the results of experimental data and numerical calculations, it was established that the average grain size in pendulum SPD decreases by 30 – 40 % compared to the initial size, and the dislocation density increases by 2.5 times.

углеродистая стальстепень упрочненияглубина наклепаповерхностное пластическое деформированиетвердостьмикротвердостьрежимы обработкиповерхностный слойстатистический расчетcarbon steelhardening degreehardening depthsurface plastic deformationhardnessmicrohardnessprocessing modesurface layerstatistical calculationReferencesLaouar L., Hamadache H., Saad S., Bouchelaghem A., Mekhi­lef S. Mechanical surface treatment of steel – Optimization parameters of regime. Physics Procedia. 2009;2(3): 1213–1221. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2009.11.084Laouar L., Hamadache H., Saad S., Bouchelaghem A., Mekhi­lef S. Mechanical surface treatment of steel – Optimization parameters of regime. Physics Procedia. 2009;2(3): 1213–1221. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2009.11.084Горбунов А.В., Горбунов В.Ф. Обоснование глубины упрочнения нежестких валов при поверхностной пластической деформации центробежным обкатником. Вестник ИрГТУ. 2012;9(68):29–33.Gorbunov A.V., Gorbunov V.F. Rationale for non-rigid shaft hardening depth under surface plastic deformation by centrifugal roller. Vestnik IrGTU. 2012;9(68):29–33. (In Russ.).Zhang Z. Theoretical prediction of cross-sectional deformation of circular thin-walled tube in large elastic–plastic deformation stage under lateral compression. Thin-Walled Structures. 2022;180:109957. https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.109957Zhang Z. Theoretical prediction of cross-sectional deformation of circular thin-walled tube in large elastic–plastic deformation stage under lateral compression. Thin-Walled Structures. 2022;180:109957. https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.109957Biswas S., Alavi S.H., Sedai B., Blum F.D., Harimkar S.P. Effect of ultrasonic vibration-assisted laser surface melting and texturing of Ti-6Al-4V ELI alloy on surface properties. Journal of Materials Science & Technology. 2019;35(2): 295–302. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2018.09.057Biswas S., Alavi S.H., Sedai B., Blum F.D., Harimkar S.P. Effect of ultrasonic vibration-assisted laser surface melting and texturing of Ti-6Al-4V ELI alloy on surface properties. Journal of Materials Science & Technology. 2019;35(2): 295–302. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2018.09.057Li Y.B., Zhang Q.X., Qi L., David S.A. Improving austeni­tic stainless steel resistance spot weld quality using external magnetic field. Science and Technology of Welding and Joining. 2018;23(7):619–627. https://doi.org/10.1080/13621718.2018.1443997Li Y.B., Zhang Q.X., Qi L., David S.A. Improving austeni­tic stainless steel resistance spot weld quality using external magnetic field. Science and Technology of Welding and Joining. 2018;23(7):619–627. https://doi.org/10.1080/13621718.2018.1443997DiGiovanni C., Biro E., Zhou N.Y. Impact of liquid me­­tal embrittlement cracks on resistance spot weld static strength. Science and Technology of Welding and Joining. 2019;24(3):218–224. https://doi.org/10.1080/13621718.2018.1518363DiGiovanni C., Biro E., Zhou N.Y. Impact of liquid metal embrittlement cracks on resistance spot weld static strength. Science and Technology of Welding and Joining. 2019;24(3):218–224. https://doi.org/10.1080/13621718.2018.1518363Grzesik W., Rech J., Żak K. High-precision finishing hard steel surfaces using cutting, abrasive and burnishing operations. Procedia Manufacturing. 2015;1:619–627. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2015.09.048Grzesik W., Rech J., Żak K. High-precision finishing hard steel surfaces using cutting, abrasive and burnishing operations. Procedia Manufacturing. 2015;1:619–627. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2015.09.048Chen X.S., Li Q., Fei S.M. Constrained model predictive control in ball mill grinding process. Powder Technology. 2008;186(1):31–39. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2007.10.026Chen X.S., Li Q., Fei S.M. Constrained model predictive control in ball mill grinding process. Powder Technology. 2008;186(1):31–39. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2007.10.026Roux J.D.L., Craig I.K. Requirements for estimating the volu­me of rocks and balls in a grinding mill. IFAC-Papers OnLine. 2017;50(1):1169–1174. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2017.08.403Roux J.D.L., Craig I.K. Requirements for estimating the volume of rocks and balls in a grinding mill. IFAC-PapersOnLine. 2017;50(1):1169–1174. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2017.08.403Митрофанова К.С. Исследование качества поверхностного слоя стали 45 после поверхностного пластического деформирования мультирадиусным роликом. Сборник трудов конференции «Инновации в машиностроении». 2019:639–787.Mitrofanova K.S. Investigating the quality of steel 45 surface layer after surface plastic deformation with a milt-radius roller. In: Proceedings of the Conf. “Innovations in Mechanical Engineering”. 2019:639–787. (In Russ.).Зайдес С.А. Справочник по процессам поверхностного пластического деформирования. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ; 2021:504.Zaides S.A. Handbook on Surface Plastic Deformation Processes. Irkutsk: IRNITU; 2021:504. (In Russ.).Кыонг Н.К. Повышение качества маложестких валов поверхностным пластическим деформированием в стесненных условиях: Дис. …канд. техн. наук. Иркутск, 2018:149.Сuong N.K. Improving the quality of low-rigid shafts by surface plastic deformation in cramped conditions: Cand. Tech. Sci. Diss. Irkutsk; 2018:149. (In Russ.).Yaman N., Sunay N., Kaya M., Kaynak Y. Enhancing surface integrity of additively manufactured Inconel 718 by roller burnishing process. Procedia CIRP. 2022;108:681–686. https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.03.106Yaman N., Sunay N., Kaya M., Kaynak Y. Enhancing surface integrity of additively manufactured Inconel 718 by roller burnishing process. Procedia CIRP. 2022;108:681–686. https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.03.106Frihat M.H., Al Quran F.M.F., Al-Odat M.Q. Experimental investigation of the influence of burnishing parameters on surface roughness and hardness of brass alloy. Material Scien­ce & Engineering. 2015;5(1):1–4. https://doi.org/10.4172/2169-0022.1000216Frihat M.H., Al Quran F.M.F., Al-Odat M.Q. Experimental investigation of the influence of burnishing parameters on surface roughness and hardness of brass alloy. Material Scien­ce & Engineering. 2015;5(1):1–4. https://doi.org/10.4172/2169-0022.1000216Ежелев А.В., Бобровский И.Н., Лукьянов А.А. Анализ способов обработки поверхностно-пластическим деформированием. Фундаментальные исследования. 2012;(6–3): 642–646.Ezhelev A.V., Bobrovskii I.N., Luk’yanov A.A. Analysis of processing ways by superficial and plastic deformation. Fundamental’nye issledovaniya. 2012;(6–3):642–646. (In Russ.).Kotenok V.I., Podobedov S.I. Energy-efficient design of rolls for ball-rolling mills. Metallurgist. 2001;45(9–10): 363–367.Kotenok V.I., Podobedov S.I. Energy-efficient design of rolls for ball-rolling mills. Metallurgist. 2001;45(9–10):363–367.Tomczak J., Pater Z., Bulzak T. The flat wedge rolling mill for forming balls from heads of scrap railway rails. Archives of Metallurgy and Materials. 2018;63(1):5–12. https://doi.org/10.24425/118901Tomczak J., Pater Z., Bulzak T. The flat wedge rolling mill for forming balls from heads of scrap railway rails. Archives of Metallurgy and Materials. 2018;63(1):5–12. https://doi.org/10.24425/118901Chumachenko E.N., Aksenov S.A., Logashina I.V. Mathe­matical modeling and energy conservation for rolling in passes. Metallurgist. 2010;(8):498–503.Chumachenko E.N., Aksenov S.A., Logashina I.V. Mathe­matical modeling and energy conservation for rolling in passes. Metallurgist. 2010;(8):498–503.Пат. 2757643 RU. Способ поверхностно-пластического деформирования наружной поверхности детали в виде тела вращения / Зайдес С.А., Хо Минь Куан; заявл. 04.02.2021; опубл. 19.10.2021.Zaides S.A., Ho Minh Quan. Method for surface-plastic deformation of outer surface of a part in the form of body of revolution. Patеn RF no. 2757643. Publ. 19.10.2021. (In Russ.).Зайдес С.А., Хо Минь Куан. Маятниковое поверхностное пластическое деформирование цилиндричес­ких заготовок. Известия вузов. Черная металлургия. 2022;65(5):344–353. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-5-344-353Zaides S.A., Kho Min’ Kuan. Pendulum surface plastic deformation of cylindrical blanks. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2022;65(5):344-353. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-5-344-353Приходько В.М., Петрова Л.Г., Чудина О.В. Металлофизические основы разработки упрочняющих технологий. Москва: Машиностроение; 2003:384.Prikhod’ko V.M., Petrova L.G., Chudina O.V. Metallophysical Foundations for Hardening Technologies Development. Moscow: Mashinostroenie; 2003:384. (In Russ.).Драпкин Б.М., Кононенко В.К., Безъязычный В.Ф. Свойст­ва сплавов в экстремальном состоянии. Москва: Машиностроение; 2004:256.Drapkin B.M., Kononenko V.K., Bez”yazychnyi V.F. Properties of Alloys in Extreme State. Moscow: Mashinostroenie; 2004:256. (In Russ.).Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. Москва: Машиностроение; 1988:146–149.Sulima A.M., Shulov V.A., Yagodkin Yu.D. Surface Layer and Operational Properties of Machine Parts. Moscow: Mashinostroenie; 1988:146-149. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.