МІКРОСТРУКТУРНА ЕВОЛЮЦІЯ ТА ГРАДІЄНТНА НАНОСТРУКТУРИЗАЦІЯ ПОВЕРХНІ ДЕТАЛЕЙ ПІД ВПЛИВОМ ДРОБЕСТРУЙНОЇ ОБРОБКИ

O.V. Fomin; O.V. Burlutskyi; М.V. Khara; A.S. Krasulin

doi:10.33082/td.2026.1-28.05

O.V. Fomin Освітньо-науковий Київський інститут залізничного транспорту, Національний транспортний університет https://orcid.org/0000-0003-2387-9946
O.V. Burlutskyi Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» https://orcid.org/0000-0003-1902-5809
М.V. Khara ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет» https://orcid.org/0000-0002-6818-7938
A.S. Krasulin ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет» https://orcid.org/0000-0001-8919-3264

DOI: https://doi.org/10.33082/td.2026.1-28.05

Ключові слова: дробоструминна обробка, градієнтний наноструктурований шар, аналітична модель, межа плинності, пластична деформація, контактна задача, теоретичний прогноз, товщина зміцнення, вагон

Анотація

Вступ. Підвищення експлуатаційних характеристик та ресурсу деталей машинобудування є ключовим завданням. Ефективним методом поверхневого зміцнення є дробоструминна обробка, що ґрунтується на явищі холодної пластичної деформації приповерхневого шару від удару потоком дробини. Це призводить до формування градієнтного наноструктурованого шару. Для керованого отримання заданих характеристик шару необхідна кількісна модель, яка пов’язує технологічні параметри з властивостями матеріалу. Розробка такої моделі є актуальним науково-прикладним завданням. Мета дослідження є встановлення умов утворення наноструктурованого шару, що формується за рахунок холодної пластичної деформації поверхні під час дробоструминної обробки деталей машинобудування. Дослідження спрямоване на встановлення залежностей між технологічними параметрами (тиск, розмір дробини, кут падіння), механічними властивостями матеріалу (межа плинності) та результуючою товщиною зони наноструктурування на основі розв’язку контактної задачі теорії пружності. Результати. На основі розв’язку задачі Буссінеска отримано аналітичні вирази для напружено-деформованого стану в приповерхневому шарі. Для опису переходу в стан пластичної деформації застосовано критерій пластичності Мізеса. Шляхом комбінації розв’язку контактної задачі з умовою пластичності виведено базову формулу для товщини шару пластичних деформацій. Врахування механізму передачі імпульсу дозволило пов’язати силу удару з технологічними параметрами: тиском (p₀), радіусом дробини (R) та кутом падіння (α). Отримано кінцеву розрахункову залежність: δ = R √((2/3) (p₀ sin α / σт)), де σт – межа плинності. На підставі моделі проведено чисельний аналіз для типових умов. Розраховано залежність товщини шару δ для матеріалів із межею плинності 200–1600 МПа при тиску 0.1–0.5 МПа, радіусі дробини 0.1 мм та куті падіння 30°. Результати представлено у таблиці та на графіку. Аналіз показав, що товщина шару знаходиться в межах ~4.6–28.9 мкм. Встановлено, що товщина шару обернено пропорційна √σт та прямо пропорційна √p₀. Для більш міцних матеріалів потрібні інтенсивніші режими обробки. Результати узгоджуються з експериментальними даними щодо глибини зміцнення. Висновки. Запропоновано теоретичну модель для прогнозування товщини градієнтного наноструктурованого шару після дробоструминної обробки на основі механіки суцільного середовища. Отримана аналітична залежність надає практичний інструмент для вибору режимів обробки з метою досягнення заданої глибини наноструктурування з урахуванням властивостей матеріалу. Модель демонструє, що процес є керованим, а його параметри можуть бути оптимізовані для максимізації ефекту зміцнення. Це відкриває можливості для створення поверхневих шарів із підвищеною втомною міцністю, твердістю та зносостійкістю, що є ключовим для підвищення довговічності критичних деталей у машинобудуванні, авіації та транспорті. Підхід може бути основою для розробки цифрових інструментів оптимізації технології.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

1. Тулупов В., Онищук С. Дослідження технологій поверхневого зміцнення деталей машин. Технічні науки та технології. 2021. № 3 (25). С. 55–60. https://doi.org/10.25140/2411-5363-2021-3(25)-55-60

2. Фомін О. В. Аналіз та класифікація пошкоджень універсальних напіввагонів, які виникають за час їх життєвого циклу [Текст] / О. В. Фомін, О. В. Бурлуцький. Вісник Вінницького політехнічного інституту. 2012. № 4. С. 163–167. https://visnyk.vntu.edu.ua/index.php/visnyk/article/view/1293/1291

3. Liu H., Zhang X., Wei X., Gan J., Jiang C. The effect of warm shot peening on microstructure evolution and residual stress in gradient nanostructured Mg-8Gd-3Y-0.4Zr alloys. Coatings. 2025. Vol. 15, No. 3. P. 316. https://doi.org/10.3390/coatings15030316

4. Zhao X., Gu K., Zhang M., Weng Z., Pan R., Liu B., Wang J. Evolution of surface gradient hardening layer of AISI 304 stainless steel induced by cryogenic conventional shot peening. Materials Science and Engineering: A. 2025. Vol. 925. Art. 147919. https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.147919

5. Wei Y., Seetharaman S., Lee J. J., Zhao Y., Chua A., Liu H. F., Cheng B., Tan C. C. Engineered surface nanocrystalline structures in SS304 via severe shot peening: Insights into microstructural evolution and mechanical property modulation. Journal of Materials Research and Technology. 2025. Vol. 37. P. 2281–2289. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.06.172

6. Pei X. et al. The Influence of Laser Shock Peening on the Microstructure and Mechanical Properties of AH32 Stee. Materials Science and Engineering A. 2025. Vol. 944. Art. 148905. https://doi.org/10.3390/ma18204679

7. Sun H. Effect of ultrasonic shot peening on the microstructure evolution of Ti-6Al-4V alloy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2024. https://doi.org/10.1177/02670844241298674

8. Neslušan M. et al. Shot peening of stainless steels and their monitoring via Barkhausen noise emission. Journal of Materials Research and Technology. 2025. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.07.251

9. Bai B., Wongeun Y., Sungyu K., Joonho M., Eunsub Y., Songkil K., Chi B.,Effects of different peening techniques on residual stress and microstructure in nickel-base alloy 600 and 690. Nuclear Engineering and Technology. 2026. https://doi.org/10.1016/j.net.2025.103955

10. Hu, H., Wang, Z., Guo, Z., Wu, Y., Zheng, H. Finite element analysis and experimental investigation of residual stress in WE43 magnesium alloy by Nd:YAG laser shock peening. Journal of Alloys and Compounds. 2025. Vol. 1038. Art. 182791. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.182791

11. Maleki, E., Bagherifard, S., Heydari Astaraee, A., Sgarbazzini, S., Bandini, M., Guagliano, M. Application of gradient severe shot peening as a novel mechanical surface treatment on fatigue behavior of additively manufactured AlSi10Mg. Materials Science and Engineering: A. 2023. Vol. 881. Art. 145397. https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145397

12. Yang, J., Liu, D., Li, M., Ren, Z., Liu, D., Xu, X., Zhang, X., Zhang, H., Xiang, J., Ye, C. Evolution mechanism for a surface gradient nanostructure in GH4169 superalloy induced by an ultrasonic surface rolling process. Materials Science and Engineering: A. 2023. Vol. 879. Art. 145271. https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145271

13. Пат. WO 2012089989 A1. Surface treatment of a metal part by oblique shot peening : публ. 07.05.2012, МПК C21D 7/04, C21D 10/00 / заявл. та патентівл. MTU Aero Engines AG; винахідн. Markus Opheys [та ін.]. URL: https://patents.google.com/patent/WO2012089989A1/en

14. Fomin O. V., Burlutskyi O. V., Khara M. V., Melnyk O. M., Prochorchuk M. V., Muraviov V. M. Optimisation of the technological process of shot blasting before the restoration of non-weight-bearing structures of freight cars. Collection of Scientific Papers of Admiral Makarov National University. 2025. No. 3 (501). P. 106–112. https://doi.org/10.15589/znp2025.3 (501).11

15. Горбачовський Й. І., Мартинюк П. М. Основи механіки суцільного середовища: Пружність, пластичність, повзучість : навч. посіб. Львів : Вид-во Львівської політехніки, 2010. 400 с.