Numerical Study of the Stress-Strain State of Structural Steel Workpieces under High-Temperature Thermomechanical Treatment by Helical Rolling

V. B. Dementyev; Yu. V. Ganziy; K. G. Volkov

doi:10.17804/2410-9908.2026.3.078-088

V. B. Dementyev, Yu. V. Ganziy, K. G. Volkov

NUMERICAL STUDY OF THE STRESS-STRAIN STATE OF STRUCTURAL STEEL WORKPIECES UNDER HIGH-TEMPERATURE THERMOMECHANICAL TREATMENT BY HELICAL ROLLING

DOI: 10.17804/2410-9908.2026.3.078-088

The paper presents a numerical study of the stress-strain state of structural steel workpieces subjected to high-temperature thermomechanical treatment by helical rolling. This technology ensures obtaining the specified dimensions, shape, and surface quality of products and simultaneously improves significantly their physical and mechanical characteristics, this being especially important for parts operated under severe conditions. The problem statement and the procedure of simulating the deformation process using the DEFORM-3D software package are discussed in detail. The paper studies various loading patterns, the effect of the rotation angle of the deforming rollers, the reduction ratio, and other process parameters on the formation of stress and strain fields in the workpiece. Emphasis is laid on analyzing the distribution of axial, radial, and tangential stresses, as well as on identifying radial-shear strains. The simulation results show that varying the ratio of the process parameters, one can control the material structure and properties, create hardened surface layers, and minimize loads on the tool. It has been found that the application of high-temperature thermomechanical treatment by helical rolling increases the ultimate strength, ductility, and durability of products compared to conventional heat treatment. The significance of mathematical modeling for optimizing process conditions, reducing the number of full-scale experiments, and accelerating the introduction of innovative metal forming methods into mass production is emphasized.

Keywords: helical rolling technology, high-temperature thermomechanical treatment (HTMT), deformation of steel workpieces

References:

Khvan, D.V. and Voropaev, A.A. Strengthening of shafts by plastic deformation. Izvestiya TulGU. Tekhnicheskie Nauki, 2019, 5, 191–196. (In Russian).
Nikishkina, A.B. and Bulychev, V.V. Simulation of the depth of hardening of parts made of gray cast iron during processing by surface plastic deformation. Inzhenernyi Vestnik Dona, 2022, 11. (In Russian). Available at: https://www.ivdon.ru/en/magazine/archive/n11y2022/7980
Lavrentyev, A.Yu., Barchukov, D.A., and Romanenko, D.N. Reinforcement of surfaced high-speed steel by plastic deformation and heat treatment. Izv. Yugo-Zapad. Gos. Univers., 2013, 1 (46), 94–100. (In Russian).
Mamontov, D.V., Sklizkov, I.D., Asylbaev, A.V., and Vafin, R.K. Influence of severe plastic deformation on the hardened layer characteristics of high-speed tool steel HSS M2. Materials. Technologies. Design, 2022, 4, 1 (7), 30–38. (In Russian). DOI: 10.54708/26587572_2022_41730.
Ochilov, E., Egamberdiev, I., Saibov, M., and Khamroev, N. Effect of heat treatment on the physical and mechanical properties of 45KhN2MFA steel. Journal of Advances in Engineering Technology, 2025, 2 (18), 98–105. (In Russian). DOI: 10.24412/2181-1431-2025-2-98-105.
Dyachkova, L.N., Vytiaz, P.A., and Zverko, A.A. Features of structure formation in antifriction composite powder infiltered with copper alloy material based on iron (pseudo-alloy) under high-temperature thermomechanical treatment. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-Technical Series, 2023, 68 (3), 196–207. (In Russian). DOI: 10.29235/1561-8358-2023-68-3-196-207.
Sága, M., Dementyev, V.B., Korshunov, A.I., Vaško, M., Koretskii, V.P., and Bozek, P. The concept of a mechanism for the formation of bimetallic structures. MM Science Journal, 2025, 2025 (4), 8722–8726.
Rogovoy, А.А. and Salikhova, N.K. Numerical simulation of the nickel alloy microstructure formed in the process of hot fogging. Vestnik PNIPU. Mekhanika, 2022, 3, 135–146. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.14.
Dementyev, V.B., Sagova, Z., Korshunov, A., Saga, M., and Koretskiy, V.P. Contribution to improving of machine parts mechanical properties by thermomechanical hardening. MM Science Journal, 2024, 2024 (5), 7800–7804. DOI: 10.17973/mmsj.2024_11_2024058.
Lipanov, A.M., Dementiev, V.B., and Zasypkin, A.D. To the question of the application of hollow fingers in tracks military tracked vehicles. Izvestiya Rossiyskoy Akademii Raketnykh i Artilleriyskikh Nauk, 2022, 4 (124), 86–91. (In Russian).

В. Б. Дементьев, Ю. В. Ганзий, К. Г. Волков

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ВИНТОВЫМ ОБЖАТИЕМ

В статье представлено численное исследование напряженно-деформированного состояния заготовок из конструкционных сталей, подвергаемых высокотемпературной термомеханической обработке методом винтового обжатия. Рассматриваемая технология позволяет одновременно обеспечивать заданные размеры, форму и качество поверхности изделий, а также существенно улучшать их физико-механические характеристики, что особенно важно для деталей, эксплуатируемых в тяжелых условиях. Подробно описана постановка задачи и методика моделирования процесса деформации с помощью программного комплекса DEFORM-3D. В работе исследованы различные схемы нагружения, влияние угла разворота деформирующих роликов, степени обжатия и других технологических параметров на формирование полей напряжений и деформаций в заготовке. Особое внимание уделено анализу распределения осевых, радиальных и тангенциальных напряжений, а также выявлению радиально-сдвиговых деформаций. Результаты моделирования показали, что варьирование соотношения технологических параметров позволяет управлять структурой и свойствами материала, создавать упрочненные поверхностные слои и минимизировать нагрузки на инструмент. Установлено, что применение высокотемпературной термомеханической обработки винтовым обжатием способствует повышению предела прочности, пластичности и долговечности изделий по сравнению с традиционной термической обработкой. В заключении подчеркивается значимость математического моделирования для оптимизации технологических режимов, сокращения числа натурных экспериментов и ускорения внедрения инновационных методов обработки металлов давлением в серийное производство.

Ключевые слова: технология винтового обжатия, высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО), деформация стальных заготовок

Библиография:

Хван Д. В., Воропаев А. А. Упрочнение валов пластическим деформированием // Известия ТулГУ. Технические науки. – 2019. – № 5. – С. 191–196.
Никишкина А. Б., Булычев В. В. Моделирование глубины упрочнения деталей из серого чугуна при обработке поверхностным пластическим деформированием // Инженерный вестник Дона. – 2022. – № 11. – URL: https://www.ivdon.ru/en/magazine/archive/n11y2022/7980
Лаврентьев А. Ю., Барчуков Д. А., Романенко Д. Н. Упрочнение наплавленной быстрорежущей стали пластическим деформированием и термической обработкой // Известия Юго-Западного государственного университета. – 2013. – № 1 (46). – С. 94–100.
Влияние интенсивной пластической деформации на характеристики упрочненного слоя инструментальной быстрорежущей стали Р6М5 / Д. В. Мамонтов, И. Д. Склизков, А. В. Асылбаев, Р. К. Вафин // Materials. Technologies. Design. – 2022. – Т. 4, № 1 (7). – С. 30–38. – DOI: 10.54708/26587572_2022_41730.
Влияние термической обработки на физико-механические свойства стали 45ХН2МФА / Э. Очилов, И. Эгамбердиев, М. Саибов, Н. Хамроев // Journal of Advances in Engineering Technology. – 2025. – Vol. 2 (18). – С. 98–105. – DOI: 10.24412/2181-1431-2025-2-98-105.
Дьячкова Л. Н., Витязь П. А., Зверко А. А. Особенности структурообразования в антифрикционном композиционном порошковом инфильтрированном медным сплавом материале на основе железа (псевдосплаве) при высокотемпературной термомеханической обработке // Весці Нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. Серыя фізіка-тэхнічных навук. – 2023. – Т. 68 (3). – С. 196–207. – DOI: 10.29235/1561-8358-2023-68-3-196-207.
The concept of a mechanism for the formation of bimetallic structures / M. Sága, V. B. Dementyev, A. I. Korshunov, M. Vaško, V. P. Koretskii, P. Bozek // MM Science Journal. – 2025. – Vol. 2025 (4). – P. 7738–7745.
Роговой А. А., Салихова Н. К. Численное моделирование технологического процесса горячей обработки слитка давлением // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2022. – № 3. – С. 135–146. – DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.14.
Contribution to improving of machine parts mechanical properties by thermomechanical hardening / V. B. Dementyev, Z. Sagova, A. Korshunov, M. Saga, V. P. Koretskiy // MM Science Journal. – 2024. – Vol. 2024 (5). – P. 7800–7804. – DOI: 10.17973/mmsj.2024_11_2024058.
Липанов А. М., Дементьев В. Б., Засыпкин А. Д. К вопросу применения полых пальцев в траках военно-гусеничных машин // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. – 2022. – № 4 (124). – С. 86–91.

Библиографическая ссылка на статью

Dementyev V. B., Ganziy Yu. V., Volkov K. G. Numerical Study of the Stress-Strain State of Structural Steel Workpieces under High-Temperature Thermomechanical Treatment by Helical Rolling // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2026. - Iss. 3. - P. 78-88. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2026.3.078-088. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2026-3/2026-3_563.html
(accessed: 26.09.2026).