Фрактальний аналіз структури та властивостей металів

Abstract

UK: Вступ. Дослідження впливу структури матеріалів на їх властивості являється важливою задачею матеріалознавства. Однак ця задача ускладняється у зв’язку зі складною конфігурацією структурних елементів. Особливо це стосується ідентифікації структури маловуглецевих сталей, де продукти розпаду аустеніту – перліт, ферит, бейніт, мартенсит, гольчатий та відманштетовий ферит та інші відзначаються складністю будови і тому доволі часто описуються баловими оцінками. Для аналізу структури та властивостей маловуглецевої сталі 20 в роботі запропоновано застосувати фрактальний підхід. Матеріали та методика. Проведено дослідження мікроструктури маловуглецевої сталі 20 шляхом обчислення фрактальної розмірності її складових та розглянуто можливості застосування фрактальної розмірності для оцінки критеріїв якості сталі. Результати експерименту. У ході проведених досліджень було зафіксовано, що зі збільшенням фрактальної розмірності перліту з 1,64 до 1,82 у ферито-перлітній структурі сталі 20 в стані заводської поставки показники твердості та міцності та твердості також збільшуються. При збільшенні фрактальної розмірності фериту зі 1,75 до 1,93 збільшуються пластичні показники (відносне звуження та видовження). Побудовані математичні моделі залежності механічних властивостей сталі 20 від фрактальної розмірності ферито-перлітної структури. Висновки. Результати досліджень підтверджують, що фрактальна розмірність складових структури впливає на ряд механічних властивостей маловуглецевої сталі 20. В результаті проведених експериментів було встановлено, що зв'язок між фрактальною розмірністю перліту та механічними властивостями сталі коливається в межах коефіцієнта парної кореляції рівнянь регресії R2 = 0,65‒0,88. Зв'язок між фрактальною розмірністю фериту та механічними властивостями коливається в межах коефіцієнта парної кореляції рівнянь регресії R2 = 0,72‒0,85. Дані результати є важливим кроком в розробці неруйнівних методів контролю маловуглецевих сталей з ферито-перлітною будовою та дають змогу досліджувати нові зв’язки між структурою та властивостями металів.

EN: Introduction. The study of the influence of the structure of materials on their properties is an important task of materials science. However, this task is complicated by the complex configuration of structural elements. This is especially true for identifying the structure of low-carbon steels, where the decomposition products of austenite ‒ pearlite, ferrite, bainite, martensite, needle and Widmannstedt ferrite and others ‒ are characterized by the complexity of the structure and therefore are quite often described by point estimates. To analyze the structure and properties of low-carbon steel 20, the work proposes to apply a fractal approach. Materials and methods. The microstructure of low-carbon steel 20 was studied by calculating the fractal dimension of its components and the possibilities of using fractal dimension to assess steel quality criteria were considered. The results of the experiment. In the course of the conducted research, it was recorded that with an increase in the fractal dimension of pearlite from 1.64 to 1.82 in the ferrite-pearlite structure of steel 20 in the factory delivery state, the hardness and strength and hardness indicators also increase. With an increase in the fractal dimension of ferrite from 1.75 to 1.93, the plastic indicators (relative narrowing and elongation) increase. Mathematical models of the dependence of the mechanical properties of steel 20 on the fractal dimension of the ferrite-pearlite structure have been constructed. Conclusions. In the course of the conducted research, it was recorded that with an increase in the fractal dimension of pearlite from 1.64 to 1.82 in the ferrite-pearlite structure of steel 20 in the factory delivery state, the hardness and strength and hardness indicators also increase. With an increase in the fractal dimension of ferrite from 1.75 to 1.93, the plastic indicators (relative narrowing and elongation) increase. Mathematical models of the dependence of the mechanical properties of steel 20 on the fractal dimension of the ferrite-pearlite structure have been constructed.