Моделювання властивостей конструкційних матеріалів

Abstract

UK: Пошук співвідношення між структурою та властивостями матеріалів залишається одним із пріоритетних завдань матеріалознавства. Оскільки процеси структуроутворення відбуваються для більшості матеріалів у відкритих системах, на їх властивості впливають багато параметрів технології. Елементи структури при цьому можуть мати складну геометричну конфігурацію. Наприклад, під час термічної обробки конструкційних сталей отримують різні структури. Виходячи з продуктів розпаду аустеніту, це можуть бути: відманштетів та голчастий ферит, мартенсит, бейніт та ін. Моделювання фігурами Евкліда елементів подібних структур має певні труднощі, що криються в пошуку адекватної метрики для їх апроксимації. Це впливає на точність результатів оцінювання властивостей матеріалів на основі аналізу їх структури. Тому зі спиранням на публікації останніх років, запропоновано для моделювання властивостей конструкційних матеріалів застосувати фрактальний підхід. Матеріали та методики. Досліджувався вплив феритно-бейнітної структури на механічні властивості конструкційної сталі Ст3 (0,16 % С). Такий підхід реалізовувався шляхом співставлення результатів обчислення фрактальної розмірності бейніту та механічних властивостей. Розрахунок фрактальної розмірності структури проводився за запатентованою методикою. Зразки сталі піддавалися термічній обробці. Результати та їх обговорення. Побудовано моделі прогнозу механічних властивостей сталі Ст3 на основі аналізу фрактальної розмірності бейніту та фериту. Встановлено кореляцію між цими характеристиками в межах R2 = 0,39…0,81. Результати роботи свідчать про можливість застосування фрактального формалізму для оцінювання бейніту та фериту на мікроструктурному рівні (500). Наукова новизна. Зафіксовано чутливість відносного видовження та ударної в’язкості до фрактальної розмірності відманштетового фериту; межі плинності, границі міцності і відносного видовження до фрактальної розмірності бейніту. Показники міцності і твердості сталі найбільш чутливі до меж зерен. Висновки. Реалізовано підхід до прогнозу механічних властивостей конструкційної сталі Ст3 з феритно-бейнітною структурою шляхом фрактального моделювання.

RU: Поиск соотношения между структурой и свойствами материалов остается одной из приоритетных задач материаловедения. Поскольку процессы структурообразования проходят для большинства материалов в открытых системах, на их свойства влияют многие параметры технологии. Элементы структуры при этом могут иметь сложную геометрическую конфигурацию. Например, при термической обработке конструкционных сталей получают различные структуры. Исходя из продуктов распада аустенита, это могут быть: видманштеттов и игольчатый феррит, мартенсит, бейнит и др. Моделирование фигурами Евклида элементов подобных структур имеет определенные трудности, заключающиеся в поиске адекватной метрики при их аппроксимации. Это влияет на точность результатов оценки свойств материалов на основе анализа их структуры. Поэтому на основании публикаций последних лет предложено для моделирования свойств конструкционных материалов применить фрактальный подход. Материалы и методики. В работе исследовалось влияние ферритно-бейнитной структуры на механические свойства конструкционной стали Ст3 (0,16 % С). Такой подход реализовывался путем сопоставления результатов вычисления фрактальной размерности бейнита и механических свойств. Расчет фрактальной размерности структуры проводился по запатентованной методике. Образцы стали подвергались термической обработке. Результаты и их обсуждение. Построены модели прогноза механических свойств стали Ст3 на основе анализа фрактальной размерности бейнита и феррита. Установлена корреляция между этими характеристиками в пределах R2 = 0,39…0,81. Результаты работы свидетельствуют о возможности применения фрактального формализма для оценки бейнита и феррита на микроструктурном уровне (500). Научная новизна. Зафиксирована чувствительность относительного удлинения и ударной вязкости к фрактальной размерности видманштетова феррита; предела текучести, предела прочности и относительного удлинения к фрактальной размерности бейнита. Показатели прочности и твердости стали наиболее чувствительны к границам зерен. Выводы. Реализован подход к прогнозу механических свойств конструкционной стали Ст3 с ферритнобейнитной структурой путем фрактального моделирования.

EN: The search for the relationship between the structure and properties of materials remains one of the priority tasks of materials science. Since the processes of structure formation take place for most materials in open systems, based on this, many parameters of the technology influence their properties. The elements of the structure may have a complex geometric configuration. For example, in the heat treatment of structural steels various structures are obtained. Proceeding from the decomposition products of austenite, they can be Widmanstett and needle ferrite, martensite, bainite, and others. Modeling Euclidean figures of elements of such structures encounters certain difficulties, which consists in finding an adequate metric for their approximation. This affects the accuracy of the results of evaluating the material properties based on their structure analysis. Therefore, based on recent publications, it is proposed to apply the fractal approach to modeling the properties of structural materials. Materials and methods. In the work the effect of ferrite-bainitic structure on the mechanical properties of Ст3 structural steel (0,16 % C) was studied. This approach was implemented by comparing the results of calculating the fractal dimension of bainite and mechanical properties. The calculation of the fractal dimension of the structure was carried out according to a patented method. Steel samples were heat treated. Results and discussion. Models for predicting the mechanical properties of Ст3 steel are constructed based on the analysis of the fractal dimension of bainite and ferrite. A correlation within R2 = 0,39...0,81 was established between these characteristics. The results of the work indicate the possibility of using the fractal formalism for evaluating bainite and ferrite at the microstructural level (500). Scientific novelty. The sensitivity of relative elongation and impact strength to fractal dimension of the abrasive ferrite, as well as yield strength, strength limit and elongation relative to the fractal dimension of bainite was recorded. The strength and hardness indices became the most sensitive to grain boundaries. Conclusions. An approach to forecasting the mechanical properties of Ст3 structural steel with a ferritic-bainitic structure by fractal modeling is implemented