Experimental and numerical analysis of shot peening treatment on carburized steel

Many failures of mechanical structure are due to fatigue damage; the consequences of these failure could be dangerous and catastrophic. To avoid these failures in transmission elements, many solutions have been implemented in the last centuries. Two major methods that have been more commonly used to improve the fatigue resistance of power transmission mechanical components are carburization and shot peening. Carburization significantly increases the hardness of the external surface and also introduces compressive mild residual stresses on the top surface layer; Shot peening on the other hand, induces significant compressive residual stresses on the top surface layer that can essentially enhance the fatigue performance of the part under cyclic loading. The combination of these two processes on gears and pinions, can result in a considerable fatigue resistance improvement. However, experimental estimation of combined effect of these two processes on gear material can be quite challenging. The aim of this study has been to develop a detailed finite element model of the shot peening on carburized material in order to reproduce the resultant residual stress field after the treatment. The carburized material was modeled using two different approaches both of which considered a gradual change from the top surface towards the core. Indentation experiments were conducted to identify the material parameters. Comparison of the residual stress distribution obtained from the two approaches with the experimentally measured data indicated that the material models were able to estimate the properties of a carburized material with an acceptable accuracy.

La fatica è una delle principali cause di danneggiamento e rottura di organi meccanici, portando spesso a pericolosi incidenti. Per prevenire l’insorgenza di fenomeni di fatica, negli ultimi anni sono stati sviluppati diverse tipologie di trattamento superficiale. I principali processi applicati a organi di trasmissione di potenza, come pignoni e ruote dentate, sono la cementazione e la pallinatura. La cementazione è un trattamento di indurimento superficiale secondo cui l’acciaio viene riscaldato fino alla temperatura di austenitizzazione e mantenuto in un ambiente saturo di carbonio. Così facendo, gli atomi di carbonio si diffondono nel materiale. Il processo provoca un indurimento superficiale mentre la parte interna del materiale mantiene le caratteristiche di tenacità precedenti al trattamento. Un ulteriore effetto della cementazione è la presenza di sforzi residui di compressione che si creano appena sotto la superficie. La pallinatura, invece, consiste nell’investire il componente da trattare con un flusso di sfere di materiale duro, ceramica o acciaio, per indurre sforzi di compressione, dovuti alla deformazione plastica della superficie. La presenza di sforzi di compressione riduce notevolmente lo sforzo raggiunto sulla superficie, aumentando così la vita a fatica. Lo scopo di questo studio consiste nello sviluppo di un modello a elementi finiti, in grado di simulare il processo di pallinatura. Il materiale cementato è stato modellato usando due approcci differenti, anche se entrambi considerano un cambio graduale delle proprietà del materiale dalla superficie fino all’interno. Il modello a elementi finiti del processo di pallinatura prende in considerazione l’effetto di importanti parametri di processo, come ad esempio l’angolo di impatto e la copertura. Il confronto fra gli sforzi residui ottenuti a seguito del trattamento di pallinatura, ricavati sperimentalmente ed estratti dall’analisi a elementi finiti, permette di concludere che il modello numerico sviluppato è in grado di predire i risultati sperimentali con una buona accuratezza.