Исследование микроскопических характеристик и испытание на износ стальной поверхности после ультразвуковой ударной обработки

Цель работы — исследование влияния ультразвуковой ударной обработки (УУО) на эксплуатационные характеристики металлических материалов для получения информации о возможном применении таких материалов в узлах трения. В статье исследовали образцы из стали 45, которая подверглась УУО после закалки. Экспериментально установлено, что закалка стали приводит к увеличению твёрдости поверхности на 37,4 % и уменьшению шероховатости на 32,9 %. Для сравнения, после УУО твёрдость поверхности увеличивается на 47,2 %, а шероховатость уменьшается на 56,4 %. Триботехнические испытания проводили по схеме «шар—диск» как в условиях трения без смазочного материала, так и при смазке маслом. Установлено, что после УУО образцы имели минимальный поверхностный износ, относительно умеренную скорость увеличения износа в условиях трения без смазочного материала и самый низкий коэффициент трения. Так, процесс закалки и УУО позволили снизить износ поверхности на 10,8 % и 52,60 % соответственно. При смазке маслом УУО снижение износа составило 18,26 %. Кроме того, в работе рассматриваются микроскопические механизмы износа и наблюдаемые характеристики износа образцов стали 1045 при различных условиях смазки, в частности, как смазочные масла могут отрицательно влиять на триботехнические характеристики стальных поверхностей, обработанных ультразвуком.

1. Wang C.S., Li R.F., Bi X.L., Yuan W.Y., Gu J.Y., Chen J., Yan M.J., and Zhang Z.Y. Microstructure and Wear Resistance Property of Laser Cladded CrCoNi Coatings Assisted by Ultrasonic Impact Treatment // Journal of Materials Research and Technology. — 2023 (22), 853—864

2. Yuan Y.H., Li R.F., Bi X.L., Yan M.J., Cheng J.B., and Gu J.Y. Review on Numerical Simulation of Ultrasonic Impact Treatment (UIT). Present Situation and Prospect // Journal of Materials Research and Technology. — 2024 (30), 1319—1340

3. Qi Z., Li M.Y., Han B., Zhang S.Y., Li Y., and Hu C.Y. Investigation on Microstructures and Properties of Al1.5CoCrFeMnNi High Entropy Alloy Coating before and after Ultrasonic Impact Treatment // Journal of Alloys and Compounds. — 2021 (884), 160989

4. Wang X. and Wang D.P. Microstructure and Mechanical Properties of Welded Joint of X80 Pipeline Steel before and after Ultrasonic Impact Treatment // J. of Materi. Eng. and Perform. — 2022 (31), 1465—1477

5. Jia M.Y., Wang Y.L., Yue J.F., Cao C., Li K., Yu Y., Li Y.F., and Lu Z.W. Recent Progress in Laser Shock Peening: Mechanism, Laser Systems and Development Prospects // Surfaces and Interfaces. — 2024 (44), 103757

6. Manoj D. Joshi, Vikesh Kumar, Aditya K. Litoria, Digvijay Singh, and Santosh S. Hosmani. Effect of Surface Mechanical Attrition Treatment on Tribological Behavior of AISI 2205 Steel // Materials Today: Proceedings. — 2020 (33), Part 8, 4919—4926

7. Hareharen K., Pradeep Kumar S., Panneerselvam T., Dinesh Babu P., and Sriraman N. Investigating the Effect of Laser Shock Peening on the Wear Behaviour of Selective Laser Melted 316L Stainless Steel // Optics & Laser Technology — 2023 (162), 109317

8. Jiang R., Zhang S., Qin X., Wang R.J., Zhang Z.F., Zhang Y., Zhang W.W., and Wang Z.C. Effects of Electro-Pulsing Combining Laser Shock Peening on the Microstructure and Corrosion Resistance of Ti-6Al-4 V Alloy // Int. J. Adv. Manuf. Technol. — 2024 (134), 2607—2622

9. Wu Z.L., Cai B.Z., Bai Y.H., Quan S.W., Li X.F., Li C., Huma T., Gong Y.L., Sun L.L., Pan H.J., Tan Z.L., and Zhu X.K. Regulating Strength and Ductility of Gradient-Structured Cu–Al–Zn via SMAT and Annealing // Journal of Materials Research and Technology. — 2025 (34), 703—715

10. Heidari A., Amini, K., Aghadavoudi F., and LohMousavi M. The Effect of Surface Mechanical Attrition Treatment Time on Microstructure and Mechanical Properties of AZ31 Mg Alloy // Prot. Met. Phys. Chem. Surf. — 2023 (59), 453—460

11. Kan W.H., Portella Q., Chemkhi M., Proust G., Garbrecht M., Cairney J.M., and Retraint D. Enhancing Mechanical Properties of Laser Powder Bed Fused 316L Stainless Steel Through Heat and surface Mechanical Attrition Treatments // Materials Science and Engineering: A. — 2024 (910), 146862

12. Tae-Hyeon Seok, Seung-Hyun Park, Jun-Hyong Kim, and Nam-Su Huh. New Displacement-Based Finite Element Analysis Method for Predicting the Surface Residual Stress Generated by Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification // European Journal of Mechanics - A/Solids. — 2023 (100), 105008

13. Ali Ghasemi and Seyed Ali Sadough Vanini. Experimental and Numerical Investigation of Martensite Phase Transformation in Austenitic Stainless Steel Subjected to Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification at Room and Cryogenic Temperatures // Surface and Coatings Technology. — 2023 (474), 130109

14. Li C., Auezhan Amanov, Li Y.F., Wang C., Wang D.G., and Wahab, MA. Prediction of Residual Stress Distribution Induced by Ultrasonic Nanocrystalline Surface Modification Using Machine Learning // Advances in Engineering Software. — 2024 (188), 103570

15. Zhang H.B., Shen K.B., Lan J.J., Xu S.H., Chen H.Y., Fu A., Lin J.P., Cao H.Z., and Zheng G.Q. Surface Nanocrystallization and Biomedical Performance of Ti-Ta Laminated Composite Processed by Surface Mechanical Grinding Treatment // Applied Surface Science. — 2023 (623), 157051

16. Xu S.H., Shen K.J., Han M., Zhang H.J., Lan J.J., Lin J.P., Cao H.Z., and Zheng G.Q. Surface NanoCrystallization and Mechanical Properties of TiTa Composite Materials after Surface Mechanical Grinding Treatment // Materials Characterization. — 2023 (6), Part B, 113458

17. Yang C.W., Ye Y.Y., Zhang W.Q., and Wang X.L. Stress Corrosion Cracking Behavior of AISI 316L Stainless Steel Treated by Surface Mechanical Grinding // Engineering Fracture Mechanics. — 2023 (292), 109613

18. Li Y.F., Shang X.F., Chen G.T., Zheng G.L., Sang H.D., Luo Y.S., Yu L., Zhai M.G., and Zhao S. Ultrasonic Horn Material Dependence of Shot Dynamics and Target Property Induced by Ultrasonic Shot Peening // Journal of Manufacturing Processes. — 2024 (114), 108—121

19. Qian W.X., Wang Y., Liu K.X., Yin X.W., He X.H., and Xie L.Y. Experimental Study on the Effect of Shot Peening and Re-Shot Peening on the Residual Stress Distribution and Fatigue Life of 20CrMnTi // Coatings. — 2023 (13), 1210

20. Jung Y.H., Kim B.J., Kim S.H., Shin S.Y., Lee S.G., Baek M., Lee D.J., Choi I.C., and Kim J.G. ShotPeening Time Effect on the Mechanical Properties of AISI 4340 Steel // Met. Mater. Int. — 2024

21. Ma Z., Chen T., Wang Z., Xing X.G., Hou X.D., and Chang C. Analysis of Residual Stress of Gear Tooth Root After Shot Peening Process // Int. J. Adv. Manuf. Technol. — 2023 (125), 2147—2160

22. Xue H., Liu S.N., Zhang D.D., Xue J.Y., Zhang W.Q., Zheng Z., and Li T. Effect of Ultrasonic Impact Treatment with Different Impact Energy and Head Shape on Surface Properties of U75V Heavy Rail // J. of Materi. Eng. and Perform. — 2024 (33), 9457—9466

23. Huang S., Qi Z.J., Zhang A.F., Zhang X.Y., Li Q.Y., and Li D.C. Reducing the Anisotropy of the Mechanical Properties of Directed Energy Deposited Ti6Al4V Alloy with Inter-Layer Ultrasonic Impact Peening and Heat Treatment // Materials Science and Engineering: A. — 2022 (857), 144123

24. Li G., Qu S.G., Xie M.X., Ren Z.J., and Li X.Q. Effect of Multi-Pass Ultrasonic Surface Rolling on the Mechanical and Fatigue Properties of HIP Ti-6Al-4V Alloy // [J]. Materials. — 2017 (10), Part 2, 133

25. Zhao W.D., Liu D.X., Qi H.F., Zhang X.H., Zhang H., Zhang R.X., Ren Z.C., Ma C., Amanove A., Pyun Y.S., Doll G.L., Dong Y.L., and Ye C. The Effect of Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification on Low Temperature Nitriding of Ultra-High Strength Steel // [J]. Surface & Coatings Technology. — 2019 (736), 335—343

26. Ye H., Sun X., Liu Y., Liu Y., Rao X.X., and Gu Q. Effect of Ultrasonic Surface Rolling Process on Mechanical Properties and Corrosion Resistance of AZ31B Mg Alloy // [J]. Surface and Coatings Technology. — 2019 (372), 288—298

27. Li M.Y, Guo L.H., Li J.L., Zhang Q., Han B., and Song L.X. Effect of Ultrasonic Impact Treatment on the Microstructure and Properties of Laser Cladded CoCrFeNiMox High Entropy Alloy Coatings // Surface and Coatings Technology. — 2024 (476), 130243

28. Yao C., Zhou Z., Zhao Y., Tan L., Cui M.C., and Wang Y. Experimental Study on Surface Integrity Changes During Turning-Ultrasonic Impact of Nickel Alloy 718 // Int. J. Adv. Manuf. Technol. — 2021 (112), 1359—1371