Analysis of the stress-strain state of the material under high-energy heating by high frequency currents
- Authors: Skeeba V.Y.1, Pushnin V.N.1, Erohin I.A.1, Kornev D.Y.1
-
Affiliations:
- Issue: No 3 (2014)
- Pages: 90-102
- Section: TECHNOLOGY
- URL: https://bakhtiniada.ru/1994-6309/article/view/302222
- ID: 302222
Cite item
Full Text
Abstract
Purpose: To increase the performance properties of the machine parts, part surface layer modification methods are becoming more and more popular. They use concentrated energy sources to achieve high heating rates of around 104 to 105 oC/s. Therefore, it is rather difficult to experimentally determine the values of the heat cycle parameters that are needed to predict the required size and character of the residual stress distribution and deformation. The task of this paper is to numerically model the stress-strain state of the material under high energy heating by high-frequency currents (HEH HFC). Methods: The finite element model was created in the ANSYS and SYSWELD software complexes that use numerical methods to solve differential equations of transient heat conduction (Fourier equation), carbon diffusion (Fick’;s second law) and elastoplastic material behavior. The modeling results were verified by means of natural experiments using optical and scanning microscopy, mechanical and X-ray methods to detect residual stresses. Results and Discussion: It was established that in the observed change range of the HEH HFC modes, the level of residual compression stresses on surfaces of parts may achieve the values of -500 to -1000 MPa. It was theoretically proven and experimentally confirmed that the size of the transition layer should constitute 25 to 33 % of the hardened layer depth, which shifts the peak of the tension stresses to the deeper layers of the material while decreasing the compression stresses on the surface by 6 to 10 % and excluding the possibility of heat treatment crack formation.
About the authors
V. Yu. Skeeba
Email: skeeba_vadim@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, e-mail: skeeba_vadim@mail.ru, metal_working@mail.ru
V. N. Pushnin
Email: valerka_777-90@mail.ru
Post-graduate Student, Novosibirsk State Technical University, e-mail: valerka_777-90@mail.ru
I. A. Erohin
Email: erokhinivana@gmail.com
Post-graduate Student, Novosibirsk State Technical University, e-mail: erokhinivana@gmail.com
D. Yu. Kornev
Email: cornev.dima@yandex.ru
Master’s Degree student, Novosibirsk State Technical University, e-mail: cornev.dima@yandex.ru
References
- Advanced Tribology: proceedings of CIST2008 & ITS-IFToMM2008 / Jianbin Luo, Yonggang Meng, Tianmin Shao, Qian Zhao, eds. – Beijing: Tsinghua University Press; Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2009. – 1056 p.2. Davis J.R. Surface Hardening of Steels: understanding the Basics. – Ohio: Materials Park: ASM International, 2002. – 364 p.3. Ion J.C. Laser processing of engineering materials: principles, procedure and industrial application. – Burlington: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005. – 576 p.4. Béjar M.A., Henríquez R. Surface hardening of steel by plasma-electrolysis boronizing // Materials and Design. – 2009. – Vol. 30, no. 5. – P. 1726–1728. – doi: 10.1016/j.matdes.2008.07.0065. Multipass surface hardening of steel samples with inclined surfaces by concentrated electron beam in the air of atmosphere pressure / V.V. Abashkin, O.A. Gorshkov, A.A. Ilyin, A.S. Lovtsov, R.N. Rizakhanov // High Temperature Material Processes: an International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. – 2004. – Vol. 8, no. 3. – P. 427–432. – doi: 10.1615/HighTempMatProc.v8.i3.806. Songa R.G., Zhanga K., Chena G.N. Electron beam surface treatment. Pt. 1: Surface hardening of AISI D3 tool steel // Vacuum. – 2003. – Vol. 69, no. 4. – P. 513–516. – doi: 10.1016/S0042-207X(02)00583-37. Pulsed electron beam facility (GESA) for surface treatment of materials / V. Engelko, B. Yatsenko, G. Mueller, H. Bluhm // Vacuum. – 2001. – Vol. 62, no. 2-3. – P. 211–216. – doi: 10.1016/S0042-207X(00)00446-28. Golkovskii M.G. Hardening and cladding of a relativistic electron beam outside the vacuum // Technological capabilities of the method. – Saarbrucken: LAPLAMBERT Acad. Publ., 2013. – 317 p.9. Surface hardening of steels with carbon by non-vacuum electron-beam processing / I.A. Bataev, M.G. Golkovskii, A.A. Bataev, A.A. Losinskaya, A.I. Popelyukh, E.A. Drobyaz // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 242. – P. 164–169. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.01.03810. Rudnev V.I., Loveless D. 12.15 – Induction Hardening: Technology, Process Design, and Computer Modeling // Comprehensive Materials Processing. – 2014. – Vol. 12: Thermal Engineering of Steel Alloy Systems. – P. 489–580. – doi: 10.1016/B978-0-08-096532-1.01217-611. Иванцивский В.В., Батаев В.А. Упрочнение поверхностных слоев деталей машин с использованием высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты // Ползуновский вестник. – 2005. – № 2-2. – С. 104–112.12. Кидин И.Н. Физические основы электротермической обработки материалов и сплавов. – М.: Металлургия, 1969. – 376 с.13. Головин Г.Ф., Замятнин М.М. Высокочастотная термическая обработка: вопросы металловедения и технологии. – Л.: Машиностроение, 1990. – 239 с.14. Иванцивский В.В., Батаев В.А. Связь параметров термических циклов, реализуемых в поверхностных слоях деталей машин, с глубиной упрочнения при воздействии объемных концентрированных источников нагрева // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2004. – № 10. – С. 30–34.15. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю., Степанова Н.П. Назначение режимов поверхностной закалки с использованием концентрированных источников нагрева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2005. – № 3. – С. 22–24.16. Kohli A., Singh H. Optimization of processing parameters in induction hardening using response surface methodology // Sadhana. – 2011. – Vol. 36, no. 2. – P. 141–152. – doi: 10.1007/s12046-011-0020-x17. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю. Повышение поверхностной микротвердости стали при интеграции поверхностно-термической и финишной механической обработок // Научный вестник НГТУ. – 2006. – № 3. – С. 187–192.18. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю., Зуб Н.П. Методика назначения режимов обработки, обеспечивающих рациональное распределение остаточных напряжений при поверхностной закалке ВЭН ТВЧ // Научный вестник НГТУ. – 2008. – № 3. – С. 83–95.19. Residual stresses in surface induction hardening of steels: comparison between experiment and simulation / D. Coupard, T. Palin-Luc, P. Bristiel, V. Ji, C. Dumas // Materials Science and Engineering: A. – 2008. – Vol. 487, no. 1-2. – P. 328–339. – doi: 10.1016/j.msea.2007.10.04720. Totten G.E., Howes M., Inoue T. Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel. – Ohio: ASM International: Materials Park, 2002. – 499 p.21. ASM HandBook. Vol. 9. Metallography and microstructures / prepared under the direction of the ASM International Handbook Committee; vol. ed. G.F. Vander Voort. – Ohio: Materials Park: ASM International, 2004. – 1184 p.22. Springer Handbook of Experimental Solid Mechanics / W.N. Sharpe, ed. – Leipzig-New York: Springer Science and Business Media, 2008. – 1098 p.23. Моделирование процессов структурообразования при формировании сварного соединения из разнородных сталей / А.А. Никулина, В.Ю. Скиба, Е.Е. Корниенко, Е.Н. Миронов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2011. – № 4 (53). – С. 54–61.24. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. – Л.: Энергия, 1974. – 264 с.25. Иванцивский В.В. Связь режимов обработки с теплофизическими процессами в материале при интеграции поверхностной термической и финишной механической обработок // Современная электротехнология в промышленности России [Электронный ресурс]: тр. Всерос. науч.-техн. конф., Тула, 27–28 окт. 2003 г. – Тула, 2003. – С. 249–258. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – ISBN 0320300984.26. Физические свойства металлов и сплавов: справочник / под ред. Я.Л. Лифшиц. – М., 1980. – 320 с.27. Теплопроводность твердых тел: справочник / под ред. А.С. Охотина. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 320 с.28. Стали и сплавы. Марочник: справ. изд. / под ред. В.Г. Сорокина, М.А. Гервасьева. – М.: Интермет Инжиниринг, 2001. – 608 с.29. Denis S., Sjöström S., Simon A. Coupled temperature, stress, phase transformation calculation model numerical illustration of the internal stress evolution during cooling of a eutectoid steel cylinder // Metallurgical and Materials Transactions: A. – 1987. – Vol. 18, no. 7. – P. 1203–1212. – doi: 10.1007/BF0264719030. Hildenwall B., Ericsson T. Prediction of Residual Stresses in Case-hardening Steel // Hardenability Concepts with Application to Steel / D.V. Doane and J.S. Kirkaldy, eds. – Warrendale: AIME, 1978. – P. 579–605.31. Прус А.А., Ермолаев Б.И. Металлы и сплавы: справочные данные о физико-механических свойствах при различных температурах и условиях нагружения. – М.: ЦНИИ, 1975. – 583 c.32. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: справочник. – М.: Металлургия, 1989. – 383 c.33. Скиба В.Ю. Повышение эффективности технологического процесса обработки деталей машин при интеграции абразивного шлифования и поверхностной закалки ТВЧ: дис. … канд. техн. наук: спец. 05.03.01 / Новосиб. гос. техн. ун-т. – Новосибирск, 2008. – 257 с.34. Fortunier R., Leblond J.B., Bergheau J.M. A Numerical Model for Multiple Phase Transformations in Steels during Thermal Processes // Journal of Shanghai Jiaotong University. – 2000. – Vol. E5, no. 1. – P. 213–220.35. Sjöström S. The Calculation of Quench Stresses in Steel: Ph.D. Diss. № 84 / Linköping University, Linköping Studios in Science and Technology, Division of Solid Mechanics and Strength of Materials, Department of Mechanical Engineering. – Linköping, Sweden, 1982. – 126 p.36. Иванцивский В.В. Управление структурным и напряженным состоянием поверхностных слоев деталей машин при их упрочнении с использованием концентрированных источников нагрева и финишного шлифования: дис. … д-ра техн. наук: спец. 05.16.09 / Новосиб. гос. техн. ун-т. – Новосибирск, 2012. – 425 с.
Supplementary files
