Дослідження впливу вуглецю на фрактальну розмірність сталі

Abstract

UK: Вступ. У результаті формування структури сталей у відкритих системах їх елементи досить часто мають складну геометричну конфігурацію. Із цих позицій апроксимація структурних складових фігурами Евкліда вносить похибку і їх аналіз. Вуглець − один з основних компонентів хімічного складу сталей, що значною мірою впливає на їх структуру та службові характеристики. Запропоновано дослідити вплив вуглецю на фрактальну розмірність сталі. Матеріали та методика. Як матеріал для дослідження обирались сталі Ст3пс, 20, 40 та У8. Сталі мали феритно-перлітну структуру. Хімічний склад сталей змінювався в межах існуючих ГОСТ. Фрактальна розмірність феритно-перлітної структури визначалася за допомогою розробленого способу, що базується на збіжності клітинної та точкової розмірностей. Результати експерименту. Отримано залежності, що описують зв'язок між вмістом вуглецю в межах 0,14...0,84 % та фрактальною розмірністю перліту, фериту і меж їх зерен. Ці залежності мають експоненціальний вигляд завдяки збільшенню вмісту перліту до граничних значень, що спостерігається в евтектоїдних сталях. Коефіцієнти парної кореляції отриманих експоненціальних моделей змінюються в межах 0,75...0,80, що підтверджує вплив умісту перліту в сталі на його фрактальну розмірність. Порівняльний аналіз фрактальних розмірностей феритно-перлітної структури з показниками твердості НВ сталей після відпалу згідно зі штатною технологією виробництва свідчать про існування чутливості між цими показниками. Висновки. Досліджено вплив вуглецю на феритно-перлітну структуру доевтектоїдної та евтектоїдної сталі, що фіксується за допомогою фрактальної розмірності. Отримані результати можна використовувати в дослідженнях впливу вуглецю на геометричну форму перліту, фериту та границь зерен.

RU: Введение.В результате формирования структуры сталей в открытых системах их элементы зачастую имеют сложную геометрическую конфигурацию. С этих позиций аппроксимация структурных составляющих фигурами Евклида вносит погрешность при их анализе. Углерод является одним из основных компонентов химического состава сталей, в значительной мере влияет на их структуру и служебные характеристики. В работе предложено исследовать влияние углерода на фрактальную размерность стали. Материалы и методика. В качестве материалов для исследования выбирались стали Ст3пс, 20, 40 и У8. Стали имели ферритно-перлитную структуру. Химический состав сталей менялся в пределах существующих ГОСТ. Фрактальная размерность ферритно-перлитной структуры определялась с помощью разработанного способа, основанного на сходимости клеточной и точечной размерностей. Результаты эксперимента. Получены зависимости, описывающие связь между содержанием углерода в пределах 0,14...0,84 % и фрактальной размерностью перлита, феррита и границ их зерен. Эти зависимости имеют экспоненциальный вид благодаря увеличению содержания перлита к предельным значениям, что наблюдается в эвтектоидных сталях. Коэффициенты парной корреляции полученных экспоненциальных моделей изменяются в пределах 0,75...0,80, что подтверждает влияние содержания перлита в стали на его фрактальную размерность. Сравнительный анализ фрактальных размерностей ферритно-перлитной структуры с показателями твердости НВ сталей после отжига согласно штатной технологии производства свидетельствуют о существовании чувствительности между этими показателями. Выводы. В работе исследовано влияние углерода на ферритно-перлитную структуру доэвтектоидной и эвтектоидной стали, которое фиксируется с помощью фрактальной размерности. Полученные результаты можно использовать при исследованиях влияния углерода на геометрическую форму перлита, феррита и границ зерен.

EN: Introduction.As a result of the formation of the steel structure in open systems, their elements often have a complex geometric configuration. From these positions, the approximation of structural components by Euclidean figures introduces an error in their analysis. Carbon is one of the main components of the chemical composition of steels, significantly affects their structure and performance characteristics. It is proposed to study the effect of carbon on the fractal dimension of steel. Materials and methodology. As the materials for the study, Cт3пс, 20, 40, and У8 steels were chosen. Steel had a ferrite-pearlite structure. The chemical composition of steels has changed within the existing industry standard (ГОСТ). The fractal dimension of the ferrite-pearlite structure was determined using the developed method based on the convergence of the cellular and point dimensions. The results of the experiment. Dependencies are obtained that describe the relationship between the carbon content in the range 0,14…0,84 % and the fractal dimension of perlite, ferrite and their grain boundaries. These dependencies have an exponential form due to an increase in the perlite content to the limiting values that is observed in eutectoid steels. The pair correlation coefficients of the obtained exponential models vary within 0,75…0,80, which confirms the influence of the perlite content in steel on its fractal dimension. A comparative analysis of the fractal dimensions of the ferrite-pearlite structure with hardness indices of HB steels after annealing according to standard production technology indicates the existence of sensitivity between these indices. Conclusions. The influence of carbon on the ferrite-pearlite structure of the hypereutectoid and eutectoid steel, which is fixed using the fractal dimension, is studied. The results can be used to study the effect of carbon on the geometric shape of perlite, ferrite and grain boundaries.