Курдюк, С. В. та Маслій, О. М. та Мельник, О. М. та Онищенко, О. А. та Очеретна, В. В. (2025) ОЦІНКА ВПЛИВУ РЕЖИМІВ ОХОЛОДЖЕННЯ ПІСЛЯ ЛАЗЕРНОГО ТА ПЛАЗМОВОГО ЗМІЦНЕННЯ НА НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН КОНСТРУКЦІЙНИХ СТАЛЕЙ. Вісник Національного університету водного господарства та природокористування (1(109)). с. 403-414.

Text Vt4202534.pdf Download(393kB)

Анотація

У статті досліджено вплив режимів охолодження після лазерного та плазмового зміцнення на напружено-деформований стан поверхневих шарів конструкційних сталей. На основі аналітичного моделювання враховано температурні градієнти, швидкість охолодження та фізико-механічні властивості матеріалів, що дозволило визначити характер утворення залишкових стискуючих напружень. Використано спрощене одновимірне рівняння теплового згасання та термоупругі інтегральні залежності, які дозволяють прогнозувати розподіл напружень у товщі обробленого шару. Результати моделювання показали, що при швидкому охолодженні (γ = 5.0 1/с) напруження досягають максимальних значень у приповерхневій області (~ - 350 МПа), з різким спадом на глибині понад 1 мм. Повільне охолодження (γ = 1.0 1/с) забезпечує рівномірніший розподіл, хоча й з нижчими піковими значеннями (~ -150 МПа), що сприяє підвищенню стабільності та зменшенню ризику мікротріщиноутворення. Додатково проведено аналіз часової динаміки накопичення напружень та побудовано 3D-профілі для візуалізації критичних зон. Запропонована модель дозволяє адаптувати параметри охолодження до конкретних типів сталі та умов експлуатації, що має практичне значення для деталей зі складною геометрією в авіаційній, енергетичній та військовій техніці. Встановлено, що оптимізація охолоджувальних режимів є критичним фактором забезпечення довговічності й функціональної надійності зміцнених поверхонь. Також у дослідженні запропоновано алгоритм оцінки впливу охолоджувальних режимів на залишкові напруження з урахуванням неоднорідності теплопровідності та температурної чутливості коефіцієнта теплового розширення сталей. Проведено порівняльний аналіз ефективності лазерного та плазмового зміцнення при різних теплових умовах, що дозволило визначити критичні режими охолодження для уникнення термічних тріщин і деформацій. Отримані результати узагальнено у вигляді діаграм сумісності, які можна застосовувати при проєктуванні технологічних карт зміцнення та виборі технологічних параметрів для деталей складної форми.

Title in English

ASSESSMENT OF THE COOLING MODES INFLUENCE AFTER LASER AND PLASMA HARDENING ON THE STRESS-STRAIN STATE OF STRUCTURAL STEELS

English abstract

The paper investigates the effect of cooling modes after laser and plasma hardening on the stress-strain state of the surface layers of structural steels. On the basis of analytical modeling, temperature gradients, cooling rate, and physical and mechanical properties of materials were taken into account, which made it possible to determine the nature of the formation of residual compressive stresses. A simplified one-dimensional thermal attenuation equation and thermoelastic integral dependences were used to predict the stress distribution in the thickness of the treated layer. The modeling results showed that during rapid cooling (γ = 5.0 1/s), the stresses reach their maximum values in the near-surface region (~ -350 MPa), with a sharp decrease at a depth of more than 1 mm. Slow cooling (γ = 1.0 1/s) provides a more uniform distribution, albeit with lower peak values (~ -150 MPa), which contributes to increased stability and reduced risk of microcracking. Additionally, the time dynamics of stress accumulation was analyzed and 3D profiles were constructed to visualize critical zones. The proposed model makes it possible to adapt the cooling parameters to specific types of steel and operating conditions, which is of practical importance for parts with complex geometry in aviation, energy, and military equipment. It has been established that optimization of cooling conditions is a critical factor in ensuring the durability and functional reliability of hardened surfaces. The study also proposes an algorithm for assessing the effect of cooling modes on residual stresses, taking into account the heterogeneity of thermal conductivity and temperature sensitivity of the coefficient of thermal expansion of steels. A comparative analysis of the effectiveness of laser and plasma hardening under different thermal conditions was carried out, which made it possible to determine the critical cooling modes to avoid thermal cracks and deformations. The obtained results are summarized in the form of compatibility diagrams that can be used in the design of technological hardening maps and the selection of technological parameters for parts of complex shapes.

Перегляд елементу

Завантажень