Фрактальний підхід до оцінювання механічних властивостей сталі СТ6

Abstract

UK: Постановка проблеми Актуальність роботи полягає в розробленні підходу до оперативного оцінювання механічних властивостей середньовуглецевих сталей широкого призначення у стані заводської поставки. Для вирішення цієї проблеми запропоновано використовувати апарат фрактального аналізу, що дозволяє оцінювати елементи структури різної геометричної складності. Об'єктом дослідження виступають фрактальні розмірності елементів структури сталі Ст6 у стані заводської поставки та її механічні властивості. Матеріали і методики досліджень. Для фрактального дослідження феритно-перлітної структури сталі Ст6 застосовували розроблену та запатентовану методику. Суть методики полягає у знаходженні збіжності значень фрактальної розмірності структури, обчисленої за допомогою точкового та клітинного методів. Фрактальний аналіз виконували за 400-кратного збільшення структури. Механічні іспити проводили згідно з ГОСТ 535-2005. Результати та їх обговорення. Отримано графіки залежностей між межею міцності на розрив, межею плинності, твердістю, відносним видовженням сталі Ст6 та фрактальними розмірностями фериту і перліту. Взаємно однозначна відповідність спостерігається між показниками міцності, твердості, пластичності і фрактальною розмірністю перліту (коефіцієнти парної кореляції зафіксовані в межах 0,66…0,86). Також установлено зв'язок між відносним видовженням і фрактальною розмірністю фериту (r2 = 0,61…0,77). Зафіксовано збільшення показників міцності і твердості сталі за зростання фрактальної розмірності перліту. Збільшення пластичності сталі (відносного видовження) також зафіксовано за збільшення фрактальної розмірності фериту. Це може бути зумовлено тим фактом, що рівновісні зерна металу характеризуються кращими механічними характеристиками і мають розмірність, близьку до топологічної розмірності площини шліфа 2. Висновки. Отримано моделі прогнозу механічних властивостей середньовуглецевої сталі Ст6 на основі аналізу фрактальних розмірностей її феритно-перлітної структури. Запропонований підхід можна розглядати як методику оперативного оцінювання критеріїв якості середньовуглецевих сталей у стані заводської поставки на основі аналізу їх структури.

RU: Постановка проблемы. Актуальность работы заключается в разработке подхода к оперативной оценке механических свойств среднеуглеродистых сталей широкого назначения в состоянии заводской поставки. Для решения этой задачи предложено использовать аппарат фрактального анализа, который позволяет оценивать элементы структуры различной геометрической сложности. Объектом исследования выступают фрактальные размерности элементов структуры стали Ст6 в состоянии заводской поставки и ее механические свойства. Материалы и методики исследований. Для фрактального исследования ферритно-перлитной структуры стали Ст6 применяли разработанную и запатентованную методику. Суть методики заключается в нахождении сходимости значений фрактальной размерности структуры, вычисленной с помощью точечного и клеточного методов. Фрактальный анализ выполняется при 400-кратном увеличении структуры. Механические испытания проводились согласно ГОСТ 535-2005. Результаты и их обсуждение. Получены графики зависимостей между пределом прочности на разрыв, границей текучести, твердостью, относительным удлинением стали Ст6 и фрактальной размерностью феррита и перлита. Взаимно однозначное соответствие наблюдается между показателями прочности, твердости, пластичности и фрактальной размерностью перлита (коэффициенты парной корреляции зафиксированы в пределах 0,66…0,86). Также установлена связь между относительным удлинением и фрактальной размерностью феррита (r2 = 0,61...0,77). Зафиксировано увеличение показателей прочности и твердости стали при росте фрактальной размерности перлита. Увеличение пластичности стали (относительного удлинения) также зафиксировано при увеличении фрактальной размерности феррита. Это может быть обусловлено тем фактом, что равноосные зерна металла характеризуются лучшими механическими характеристиками и имеют размерность, близкую к топологической размерности плоскости шлифа 2. Выводы. Получены модели прогноза механических свойств среднеуглеродистой стали Ст6 на основе анализа фрактальных размерностей ее ферритно-перлитной структуры. Предложенный подход можно рассматривать как методику оперативной оценки критериев качества среднеуглеродистых сталей в состоянии заводской поставки на основе анализа их структуры

EN: Problem statement. The relevance of the work lies in the development of an approach to the rapid assessment of the mechanical properties of medium-carbon steels for general purposes in the state of factory delivery. To solve this problem, it is proposed to use the apparatus of fractal analysis, which allows you to evaluate the structural elements of various geometric complexity. Object of study. The object of the study is the fractal dimensions of structural elements of steel Ст6 in a state of factory supply and its mechanical properties. Materials and research methods. For fractal studies of the ferrite-pearlite structure of Ст6 steel, the developed and patented methodology was used. The essence of the technique is to find the convergence of the values of the fractal dimension of the structure, calculated using the point and cell methods. Fractal analysis was carried out at a 400-fold increase in the structure. Mechanical tests were carried out according to ГОСТ 535-2005. Results and its discussion. The dependencies between the tensile strength, yield strength, hardness, elongation of steel Ст6 and the fractal dimension of ferrite and perlite are obtained. A one-to-one correspondence is observed between the strength, hardness, plasticity and fractal dimension of perlite (pair correlation coefficients are fixed within 0,66…0,86). A connection was also established between the relative elongation and the fractal dimension of ferrite (r2 = 0,61...0,77). An increase in the strength and hardness of steel was recorded with an increase in the fractal dimension of perlite. An increase in the ductility of steel (elongation) was also recorded with an increase in the fractal dimension of ferrite. This may be due to the fact that equiaxed metal grains are characterized by better mechanical characteristics and have a dimension close to the topological dimension of the thin section plane 2. Conclusions. Models for predicting the mechanical properties of medium carbon steel Ст6 are obtained based on an analysis of the fractal dimensions of its ferrite-pearlite structure. The proposed approach can be considered as a methodology for the rapid assessment of the quality criteria of medium-carbon steels in the state of factory supply based on an analysis of their structure.