Особливості обробки хромомолібденових сталей на прикладі AISI 4140
DOI:
https://doi.org/10.26642/ten-2026-1(97)-154-165Ключові слова:
сталь AISI 4140, хромомолібденова сталь, термічна обробка, механічні властивості, оброблюваність різанням, цілісність поверхні, залишкові напруження, чисельне моделювання, метод скінченних елементівАнотація
У статті розглянуто особливості обробки хромомолібденової сталі AISI 4140, яка широко застосовується у машинобудуванні завдяки поєднанню високої міцності, зносостійкості та оброблюваності. Метою роботи є аналіз впливу термічної обробки та режимів різання на механічні властивості, оброблюваність і формування цілісності поверхневого шару матеріалу. Для досягнення поставленої мети використано методи аналізу наукових джерел, експериментальні дані та чисельне моделювання процесів різання із застосуванням методу скінченних елементів (FEM). У роботі показано, що температура відпуску суттєво впливає на мікроструктуру та механічні характеристики сталі AISI 4140: зі зростанням температури спостерігається зниження твердості та міцності при одночасному підвищенні пластичності та ударної в’язкості. Визначено, що параметри різання, зокрема подача та швидкість різання, визначають якість обробленої поверхні, рівень залишкових напружень і інтенсивність зношування інструмента. Чисельне моделювання підтверджує можливість прогнозування температурних полів, напружено-деформованого стану та формування стружки в зоні різання. Встановлено, що оптимальне поєднання режимів термічної обробки та параметрів різання дозволяє підвищити ефективність процесу механічної обробки, покращити якість поверхні та збільшити ресурс ріжучого інструмента. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації технологічних процесів обробки легованих сталей та підвищення надійності деталей машин.
Посилання
Basori, I., Masitah, I., Susetyo, F.B. and Nanto, D. (2024), «The effect of quenching process on the microstructure and hardness of AISI 4140 steel», Journal of Physics Conference Series, doi: 10.1088/1742-6596/2866/1/012020.
Badaruddin, M.S., Wardono, H.A., Wang, C. and Rivai, A. (2019), «Improvement of low-cycle fatigue resistance in AISI 4140 steel by annealing treatment», International Journal of Fatigue, Vol. 125, рр. 15–23, doi: 10.1016/j.ijfatigue.2019.04.020.
Yılmaz, Y. and Kestı̇, E. (2021), «Investigation of the Effect of Normalization Process on Mechanical Properties and Microstructure of the AISI 4140 Alloy Steel», International Journal of Science and Research (IJSR), doi: 10.21275/sr21726140705.
Zheng, L., Zheng, D., Zhao, L. et al. (2013), «Novel water-air circulation quenching process for AISI 4140 steel», Metals and Materials International, Vol. 19, No. 6, pp. 1373–1376, doi: 10.1007/s12540-013-6034-7.
Badaruddin, M., Sugiyanto, Sumardi, S. and Asmi, D. (2024), «Improvement of the fatigue crack growth resistance in AISI 4140 steel under single- and multi-austempering heat treatments», Results in Engineering, Vol. 21, doi: 10.1016/j.rineng.2024.101814.
Akyıldız, Y., Akman, A., Horasan, B. et al. (2022), «Investigating the effect of quenching media and agitation conditions on the microstructure, hardness, and stress distribution of AISI 4140 steel by using FEM», Proceedings of the 16th MAS International European Conference on Mathematics, Engineering, Natural & Medical Sciences, pp. 156–163.
Çoban, O. (2025), «Heat treatment of AISI 1040 and AISI 4140 steels: microstructure-mechanical property relationships for normalization, spheroidization and quenching-tempering», Journal of Innovative Engineering and Natural Science, Vol. 5, No. 2, pp. 556–567, doi: 10.61112/jiens.1634515.
Stipkovic, M.A., Bordinassi, É.C., de Farias, A. and Delijaicov, S. (2017), «Surface integrity analysis in machining of hardened AISI 4140 steel», Materials Research, Vol. 20, No. 2, pp. 387–394, doi: 10.1590/1980-5373-mr-2016-0420.
Kam, M. and Şeremet, M. (2021), «Experimental investigation of the effect of machinability on surface quality and vibration in hard turning of hardened AISI 4140 steels using ceramic cutting tools», Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part E. Journal of Process Mechanical Engineering, Vol. 235, No. 6, pp. 1824–1836, doi: 10.1177/09544089211007366.
Stampfer, B., González, G., Segebade, E. and Gerstenmeyer, M. (2021), «Material parameter optimization for orthogonal cutting simulations of AISI 4140 at various tempering conditions», Procedia CIRP, Vol. 102, pp. 198–203, doi: 10.1016/j.procir.2021.09.034.
Mudda, S., Hegde, A., Sharma, S. et al. (2025), «Effect of various heat treatment methods and optimization of their parameters on mechanical properties of AISI 4140 steel», Scientific Reports, Vol. 15, No. 1, doi: 10.1038/s41598-025-17299-1.
Badaruddin, M., Pratama, R.P., Sugiyanto and Harnowo (2023), «Effect of single and double quenching-tempering heat treatments on microstructures and tensile strength of AISI 4140 in annealing condition», AIP Conference Proceedings, doi: 10.1063/5.0115822.
Aytaç, A., Işık, M.S., Çanakçı, B. et al. (2018), «AISI 1008, 1040 ve 4140 çeliklerinde ısıl işlem, karbon oranı ve alaşım elementlerinin mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi», Savunma Bilimleri Dergisi, pp. 139–165, doi:10.17134/khosbd.477252.
Santos, F., San-Juan, M., Martín, Ó. et al. (2011), «Study of the variation of mechanical properties and cutting forces as an effect of machinability improvement», International Journal of Modern Manufacturing Technologies, Vol. 3, No. 2, pp. 97–104.
Machado, D. dos S., Louzada, G.G., Farage, D.S. and Sessa, J.C. (2024), «Análise bibliométrica na base de dados Scopus sobre “tratamento térmico nos aços AISI 4140 e AISI 4340”», Vol. 21, No. 13, doi: 10.54033/cadpedv21n13-439.
Zhang, C., Bowler, N. and Lo, C. (2009), «Magnetic characterization of surface-hardened steel», Journal of Magnetism and Magnetic Materials, doi: 10.1016/j.jmmm.2009.07.065.
Lopes, K.S.S., Sales, W.F. and Palma, E.S. (2008), «Influence of machining parameters on fatigue endurance limit of AISI 4140 steel», Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, Vol. 30, No. 1, pp. 77–83, doi: 10.1590/s1678-58782008000100011.
Nagaraja, T.K. (2021), «Investigation of effect of mechanical properties and influence of heat treatment on AISI 4140 steel», IOP Conference Series. Materials Science and Engineering, doi: 10.1088/1757-899x/1013/1/012008.
Rathod, S.G., Mohite, S.S. and Yadav, M.H. (2017), «Effects of cutting parameters on cutting force, surface roughness and MRR in hard turning of AISI 4140 alloy steel», Journal of Advances in Science and Technology, pp. 273–280.
Padhan, S., Wagri, N.K., Dash, L. et al. (2023), «Investigation on surface integrity in hard turning of AISI 4140 steel with SPPP-AlTiSiN coated carbide insert under nano-MQL», Lubricants, Vol. 11, No. 2, doi: 10.3390/lubricants11020049.
Ahmed, W., Hegab, H., Mohany, A. and Kishawy, H. (2021), «Analysis and optimization of machining hardened steel AISI 4140 with self-propelled rotary tools», Materials, Vol. 14, No. 20, doi: 10.3390/ma14206106.
Denguir, L.A., Besnard, A., Fromentin, G. et al. (2016), «Flank wear prediction in milling AISI 4140 based on cutting forces PCA for different cutting edge preparations», International Journal of Machining and Machinability of Materials, Vol. 18, No. 3, pp. 273–290, doi: 10.1504/ijmmm.2016.076278.
Napid, S., Bakhori, A., Siambaton, Z. et al. (2024), «Analysis and effect of cutting parameters on the surface roughness of type 4140 steel in the dry milling process», Proceedings of the International Conference on Science and Technology UISU, pp. 181–187, doi: 10.30743/fnccbv93.
Schmidt, R., Strodick, S. and Walther, F. et al. (2020), «Influence of the process parameters and forces on the bore sub-surface zone in BTA deep-hole drilling of AISI 4140 and AISI 304L», Procedia CIRP, Vol. 87, pp. 41–46, doi: 10.1016/j.procir.2020.02.010.
Muthuvel, S., Naresh Babu, M. and Muthukrishnan, N. (2018), «Copper nanofluids under minimum quantity lubrication during drilling of AISI 4140 steel», Australian Journal of Mechanical Engineering, Vol. 18, pp. S151–S164, doi: 10.1080/14484846.2018.1486694.
Şahin, Ö. and Kaluç, E. (2023), «Experimental investigation of the effect of coating on surface roughness and drill life in drilling of AISI 4140 steel», Jurnal Tribologi, Vol. 36, pp. 70–85.
Elbah, M., Laouici, H., Benlahmidi, S. et al. (2019), «Comparative assessment of machining environments (dry, wet and MQL) in hard turning of AISI 4140 steel with CC6050 tools», The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 105, No. 5–6, pp. 2581–2597, doi: 10.1007/s00170-019-04403-9.
Tiwari, A., Makhesana, M.A., Patel, K.M. and Mawandiya, B.K. (2020), «Experimental investigations on the applicability of solid lubricants in processing of AISI 4140 steel», Materials Today: Proceedings, Vol. 26. pp. 2921–2925, doi: 10.1016/j.matpr.2020.02.603.
Revuru, R.S., Zhang, J.Z. and Posinasetti, N.R. (2020), «Comparative performance studies of turning AISI 4140 steel with TiC/TiCN/TiN-coated carbide inserts using MQL, flooding with vegetable cutting fluids, and dry machining», The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 108, No. 1–2, pp. 381–391, doi: 10.1007/s00170-020-05378-8.
Roy, R., Ghosh, S.K., Kaisar, T.I. et al. (2022), «Multi-response optimization of surface grinding process parameters of AISI 4140 alloy steel using response surface methodology and desirability function under dry and wet conditions», Coatings, Vol. 12, No. 1, doi: 10.3390/coatings12010104.
Tecer, M.M. (2020), «Effects of various heat treatment procedures on the toughness of AISI 4140 low alloy steel», The International Journal of Materials and Engineering Technology, Vol. 3, pp. 131–149.
Iswanto, I., Tjahjanti, P.H., Widodo, E. and Chilmi, M. (2020З), «Effect of cutting fluid and spindle speed on surface hardness in turning AISI 4140 steel», Turbo, Jurnal Program Studi Teknik Mesin, Vol. 9, No. 2, pp. 233–237, doi: 10.24127/trb.v9i2.1305.
Paengchit, P. and Saikaew, C. (2018), «Feed rate affecting surface roughness and tool wear in dry hard turning of AISI 4140 steel automotive parts using TiN+AlCrN coated inserts», IOP Conference Series. Materials Science and Engineering, Vol. 307, doi: 10.1088/1757-899x/307/1/012024.
Agmell, M., Ahadi, A., Gutnichenko, O. and Stahl, J.-E. (2016), «The influence of tool micro-geometry on stress distribution in turning operations of AISI 4140 by FE analysis», The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 89, No. 9–12, pp. 3109–3122, doi: 10.1007/s00170-016-9296-7.
Ayday, A. and Durman, M. (2014), «Effect of different surface-heat-treatment methods on the surface properties of AISI 4140 steel», Materials and Technology, Vol. 48, No. 5, pp. 787–790.
Ahmed, W., Hegab, H., Mohany, A. and Kishawy, H. (2021), «On machining hardened steel AISI 4140 with self-propelled rotary tools: experimental investigation and analysis», The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 113, No. 11–12, pp. 3163–3176, doi: 10.1007/s00170-021-06827-8.
Dirikolu, M.H., Childs, T.H.C. and Maekawa, K. (2001), «Finite element simulation of chip flow in metal machining», International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 43, No. 11, pp. 2699–2713, doi: 10.1016/s0020-7403(01)00047-9.
Meurer, M., Tekkaya, B., Schraknepper, D. et al. (2022), «Numerical prediction of machining induced residual stresses when hard cutting AISI 4140», Procedia CIRP, Vol. 108, pp. 583–588, doi: 10.1016/j.procir.2022.03.092.
Meurer, M., Tekkaya, B., Augspurger, T. et al. (2020), «Cutting force based surface integrity soft-sensor when hard machining AISI 4140», Technisches Messen, Vol. 87, No. 11, pp. 683–693, doi: 10.1515/teme-2020-0050.
Umbrello, D., M’Saoubi, R. and Outeiro J.C. (2007), «The influence of Johnson–Cook material constants on finite element simulation of machining of AISI 316L steel», International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 47, No. 3–4, pp. 462–470, doi: 10.1016/j.ijmachtools.2006.06.006.
Storchak, M., Melnyk, O., Stepchyn, Y. et al. (2025), «Effect of friction model type on tool wear prediction in machining», Machines, Vol. 13, No. 10, doi: 10.3390/machines13100904.
Arrazola, P.J. and Özel, T. (2010), «Investigations on the effects of friction modeling in finite element simulation of machining», International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 52, No. 1, pp. 31–42, doi: 10.1016/j.ijmecsci.2009.10.001.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Оксана Андріївна Шишкова, Михайло Григорович Сторчак
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автор, який подає матеріали до друку, зберігає за собою всі авторські права та надає відповідному виданню право першої публікації, дозволяючи розповсюджувати даний матеріал із зазначенням авторства та джерела первинної публікації, а також погоджується на розміщення її електронної версії на сайті Національної бібліотеки ім. В.І. Вернадського.
