The method of the metal quality prediction

V. I. Bolshakov, A. A. Fortigin

Abstract


Formulation of the problem. Establishing the relationship between the structure and properties of materials is one of the main tasks of modern materials science. This problem is mainly due to the incompleteness of formal axiomatics in the identification of the structure of materials. In this paper, it is proposed to use fractal analysis to predict the mechanical characteristics of tubular steels to partially compensate for the incompleteness of the formal structure axiomatics. The urgency of the choice of this approach is due to the need for non-destructive testing of these pipe characteristics during their operation. Object of study. Ferrite-pearlite structure of domestic steel tubes. Materials and methods of research. To study the ferrite-pearlite structure of tube steels, we used optical microscopy and a patented technique for determining the fractal dimension of the metal structure. Results and its discussion. The fractal dimension of ferrite and perlite of low- and medium-carbon steels for pipe production is determined. Regularities are obtained that describe the relationships between the fractal dimension of the ferrite-pearlite structure of tubular steels of various grades and their hardness. It is established that as the fractal dimension of perlite increases, the hardness of the metal increases. The increase in the fractal dimension of perlite grains on the considered plane of the section (D ® 2) is due to an increase in their equiaxiality. Steels having a grain structure close to equiaxial have better mechanical properties than non-equiaxed structures. A mathematical model is proposed for predicting the hardness of tubular steels with a ferrite-perlite structure, the error of which is up to 6%. Conclusions. Application as a criterion for estimating the structure of a metal of fractal dimension allows us to establish the relationship between structural components and their mechanical properties at minimal cost.


Keywords


tubular steel; hardness; ferrite-pearlite structure; fractal analysis; mathematical model

References


Большаков В. И. Термомеханическая обработка конструкционных сталей : монография / [В. И. Большаков]. - Канада: Базилиан Пресс, 1998. - 316 с.

Сосновский Л. А. Влияние длительной эксплуатации на сопротивление усталости трубной стали / Л. А. Сосновский, В. В.Воробьев // Проблема прочности. - 2000. - № 6. - С. 44-53.

Котречко С. А. Влияние длительности эксплуатации на вязкость трубной стали 17ГС / С. А. Котречко, А. Я. Красовский, Ю. Я. Мешков, Г. С. Меттус, Ю. А. Полушкин, В. М. Тороп // Проблемы прочности. - 2002. - № 6. - С. 21-30.

Mandelbrot B. B. The Fractal Geometry of Nature : monograph / [B. B. Mandelbrot]. - New-York, San Francisco : Freeman, 1982. - 480 p. – Режим доступа : http://www.amazon.com/Fractal-Geometry-Nature-Benoit-Mandelbrot/dp/0716711869

Большаков В. И. Фрактальный подход при идентификации сложных систем / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров // Доповіді НАН України. - 2017. - № 6. - С. 46-50. – Режим доступа : https://doi.org/10.15407/dopovidi2017.06.00

Большаков В. И. К вопросу о постановке задачи идентификации фрактальной структуры металла / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – 2016. - № 5. – С. 35–39. - Режим доступа : http://visnyk.pgasa.dp.ua/article/view/68905/63995

Большаков В. И. Материаловедческие аспекты применения частичной компенсации неполноты формальной аксиоматики / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – 2015. - № 5. – С. 10–16. - Режим доступа : http://visnyk.pgasa.dp.ua/article/view/47385/43497

Волчук В. Н. О возможности применения вейвлетно-мультифрактального подхода для оценки структуры и свойств стали / В. Н. Волчук // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. – 2010. - № 38. – С. 115–121.

Большаков В. И. К определению метрики объекта идентификации / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров // Металознавство та термічна обробка металів. - 2016. - № 4. - С. 10—14. Режим доступа : http://mtom.pgasa.dp.ua/article/view/10-14/85306

Большаков В. И. К определению класса металла / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров // Металознавство та термічна обробка металів. - 2016. - № 1. - С. 26-31. - Режим доступа : http://mtom.pgasa.dp.ua/article/view/24-31/62203

Волчук В. Н. К вопросу о применении теории мультифракталов для оценки механических свойств металла / В. Н. Волчук // Металознавство та термічна обробка металів. – 2014. - № 3. – С. 12–19. - Режим доступа : http://mtom.pgasa.dp.ua/article/view/12-19

Фракталы в материаловедении : учебное пособие / [В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров] Днепропетровск: ПГАСА, 2006. - 253 с.

Большаков Вад. І. Часткова компенсація неповноти формальної аксіоматики при ідентифікації структури металу / Вад. І. Большаков В. І. Большаков, В. М. Волчук, Ю. І. Дубров // Вісник НАН України. - 2014. - № 12. - С. 45-48. – Режим доступу : http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/73434

Пути идентификации периодических многокритериальных технологий : монография / [Ю. Дубров, В. Большаков, В. Волчук]. – Саарбрюккен : Palmarium Academic Publishing, 2015. - 236 с. - Режим доступа : https://www.palmarium-publishing.ru/extern/listprojects

Пути применения теории фракталов: монография / [В. Большаков, В. Волчук, Ю. Дубров]. – Саарбрюккен: Palmarium Academic Publishing, 2016. - 146 с. - Режим доступа : https://www.palmarium-publishing.ru/extern/listprojects

Fractals and properties of materials : monograph / [V. Bol’shakov, V. Volchuk, Yu. Dubrov]  Saarbrucken : Lambert Academic Publishing, 2016. - 140 p. – Режим доступа : https://www.lap-publishing.com/catalog/details/store/tr/book/978-3-330-01812-9/fractals-and-properties-of-materials?search=Fractals

Большаков В. І., Дубров Ю. І., Криулін Ф. В., Волчук В. М. Патент на винахід № 51439А. Спосіб визначення фрактальної розмірності зображення. − Бюл. № 11. − 15.11.2002.

Большаков В. И. Разработка и исследование метода определения механических свойств металла на основе анализа фрактальной размерности его микроструктуры / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров // Металознавство та термічна обробка металів. – 2004. - № 1. - С. 43-54.

. Большаков В. И. Особенности применения мультифрактального формализма в материаловедении / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров // Доповіді НАН України. - 2008. - № 11. - С. 99-107. – Режим доступа : http://www.dopovidi.nas.gov.ua/2008-11/08-11-17.pdf

Большаков В. И. Материаловедческие аспекты применения вейвлетно-мультифрактального подхода для оценки структуры и свойств малоуглеродистой стали / Большаков В. И., Волчук В. Н. // Металлофизика и новейшие технологии. - 2011. - Т. 33. - № 3. - С. 347-360.

Большаков В. И. Топологические и фрактальные инварианты структуры для оценки качества металла / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров // Доповіді НАН України. - 2017. - № 4. - С. 42-48. - Режим доступа : https://doi.org/10.15407/dopovidi2017.04.00

Большаков В. И. Исследование микроструктурной однородности стали У8 с применением мультифрактального анализа / В. И. Большаков, В. Н. Волчук // Металознавство та термічна обробка металів. – 2010. - № 4. - С. 31–38.

Большаков В. И. К вопросу о постановке задачи идентификации фрактальной структуры металла / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – 2016. - № 5. – С. 35–39. - Режим доступа : http://visnyk.pgasa.dp.ua/article/view/68905/63995

REFERENCES

Bolshakov V.I. Termomekhanicheskaya obrabotka konstruktsionnykh staley [Thermomechanical treatment of structural steels]. Kanada : Bazilian Press Publ., 1998, 316 p. (in Russian).

Sosnovskiy L.A. and Vorob'yov V.V. Vliyaniye dlitel'noy ekspluatatsii na soprotivleniye ustalosti trubnoy stali [Influence of long-term operation on fatigue resistance of pipe steel]. Problemy prochnosti [Problems of Strength.]. 2000, no. 6, pp. 44–53. (in Russian).

Kotrechko S.A., Krasovskii A.Ya., Meshkov Yu.Ya., Mettus G.S., Polushkin Yu.A. and Torop V.М. Vliyaniye dlitel'nosti ekspluatatsii na vyazkost' trubnoy stali 17ГС [Effect of operating time on the viscosity of 17ГС pipe steel]. Problemy prochnosti [Problems of Strength.]. 2002, no. 6, pp. 21–30. (in Russian).

Mandelbrot B.B. The Fractal Geometry of Nature. New-York, San Francisco : Freeman, 1982, 480 p.

Bolshakov V.I., Volchuk V.M. and Dubrov Yu.I. Fraktal'nyy podkhod pri identifikatsii slozhnykh sistem [Fractal approach to the identification of complex systems]. Dopovidi Natsionalnoi akademii nauk Ukrainy [Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine]. 2017, no. 6, pp. 46-50. (in Russian).

Bol’shakov V.I., Volchuk V.N. and Dubrov Yu.I. K voprosu o postanovke zadachi identifikatsii fraktal'noy struktury metalla [Statement on the issue of the problem identification of fractal metal structures]. Visnyk Prydniprovsʹkoyi derzhavnoyi akademiyi budivnytstva ta arkhitektury [Bulletin of Prydniprovs’ka State Academy of Civil Engineering and Architecture]. 2016, no. 5, pp. 35–39. (in Russian).

Bol’shakov V.I., Volchuk V.N. and Dubrov Yu.I. Materialovedcheskiye aspekty primeneniya chastichnoy kompensatsii nepolnoty formal'noy aksiomatiki [Material aspects of use of partial compensation of incompleteness of formal axiomatics]. Visnyk Prydniprovsʹkoyi derzhavnoyi akademiyi budivnytstva ta arkhitektury [Bulletin of Prydniprovs’ka State Academy of Civil Engineering and Architecture]. 2015, no. 5, pp. 10–16. (in Russian).

Volchuk V.N. O vozmozhnosti primeneniya veyvletno-mul'tifraktal'nogo podkhoda dlya otsenki struktury i svoystv stali [On the possibility of using the wavelet-multifractal approach to evaluate the structure and properties of steel]. Visnyk Odesʹkoyi derzhavnoyi akademiyi budivnytstva ta arkhitektury [Bulletin of the Odessa State Academy of Civil Engineering and Architecture]. 2010, no. 38, pp. 115–121. (in Russian).

Bol’shakov V.I., Volchuk V.N. and Dubrov Yu.I. K opredeleniyu metriki ob"yekta identifikatsii [To the definition of the identity metric]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov [Metall Science and Heat Treatment of Metals]. 2016, no. 4, pp. 10–14. (in Russian).

Bol’shakov V.I., Volchuk V.N. and Dubrov Yu.I. K opredeleniyu klassa metalla [To the definition of a class of metal]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov [Metall Science and Heat Treatment of Metals]. 2016, no. 1, pp. 26–31. (in Russian).

Volchuk V.N. K voprosu o primenenii teorii mul'tifraktalov dlya otsenki mekhanicheskikh svoystv metalla [On the application of the theory of multifractals for the evaluation of the mechanical properties of a metal]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov [Metall Science and Heat Treatment of Metals]. 2014, no. 3, pp. 12–19. (in Russian).

Bol’shakov V.I., Volchuk V.N. and Dubrov Yu.I. Fraktaly v materialovedenii [Fractals in materials]. Dnipropetrovsk : PSACEA, 2005, 253 p. (in Russian).

Bol'shakov Vad.I., Bolshakov V.I., Volchuk V.N. and Dubrov Yu.I. Chastkova kompensatsiya nepovnoty formalʹnoyi aksiomatyky pry identyfikatsiyi struktury metalu [The partial compensation of incompleteness of formal axiomatics in the identification of the metal structure]. Visnyk akademiyi nauk Ukrayiny [Bulletin of the National Academy of Sciences of Ukraine]. 2014, no. 12, pp. 45−48. (in Ukrainian).

Dubrov Yu., Bolshakov V. and Volchuk V. Puti identifikatsii periodicheskikh mnogokriterial'nykh tekhnologiy [Road periodic identification of multi-criteria Technology]. Saarbrucken : Palmarium Academic Publishing, 2015, 236 p. (in Russian).

Bolshakov V., Volchuk V. and Dubrov Yu. Puti primeneniya teorii fraktalov [Ways of applying the theory of fractals]. Saarbrucken : Palmarium Academic Publishing, 2016, 146 p. (in Russian).

Bolshakov V., Volchuk V. and Dubrov Yu. Fractals and properties of materials. Saarbrucken : Lambert Academic Publishing, 2016, 140 p.

Bol’shakov V.I., Dubrov Yu.I., Kryulin F.V. and Volchuk V.N. Sposib vyznachennya fraktalʹnoyi rozmirnosti zobrazhennya [Method for Determining the Dimensionality of Images]. Patent product no. 51439А, UA. MPK 7 G06K9/00, bulletin no. 11, 2002. (in Ukrainian).

Bol’shakov V.I., Volchuk V.N. and Dubrov Yu.I. Razrabotka i issledovaniye metoda opredeleniya mekhanicheskikh svoystv metalla na osnove analiza fraktal'noy razmernosti yego mikrostruktury [Development and study of the method for determining the mechanical properties of a metal based on an analysis of the fractal dimension of its microstructure]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov [Metall Science and Heat Treatment of Metals]. 2004, no. 1, pp. 43–54. (in Russian).

Bolshakov V.I., Volchuk V.N. and Dubrov Yu.I. Osobennosti primeneniya mul'tifraktal'nogo formalizma v materialovedenii [Features of the multifractal formalism in materials]. Dopovidi Natsionalnoi akademii nauk Ukrainy [Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine]. 2008, no. 11, pp. 99-107. (in Russian).

Bolshakov V.I. and Volchuk V.N. Materialovedcheskiye aspekty primeneniya veyvletno-mul'tifraktal'nogo podkhoda dlya otsenki struktury i svoystv malouglerodistoy stali [Material science aspects of the use of wavelet and multifractal approach for assessing of the structure and properties of low-carbon steel]. Metallofizika i noveyshiye tekhnologii [Metal Physics and Advanced Technologies]. 2011, vol. 33, no 3, рp. 347−360. (in Russian).

Bolshakov V.I., Volchuk V.M. and Dubrov Yu.I. Topologicheskiye i fraktal'nyye invarianty struktury dlya otsenki kachestva metalla [Topological and fractal invariants of a structure to assess the quality of a metal]. Dopovidi Natsionalnoi akademii nauk Ukrainy [Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine]. 2017, no. 4, pp. 42-48. (in Russian).

Bolshakov V.I. and Volchuk V.N. Issledovaniye mikrostrukturnoy odnorodnosti stali У8 s primeneniyem mul'tifraktal'nogo analiza [Investigation of the microstructural homogeneity of У8 steel with the use of multifractal analysis]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov [Metall Science and Heat Treatment of Metals]. 2010, no. 4, pp. 31–38. (in Russian).

Bol’shakov V.I., Volchuk V.N. and Dubrov Yu.I. K voprosu o postanovke zadachi identifikatsii fraktal'noy struktury metalla [Statement on the issue of the problem identification of fractal metal structures]. Visnyk Prydniprovsʹkoyi derzhavnoyi akademiyi budivnytstva ta arkhitektury [Bulletin of Prydniprovs’ka State Academy of Civil Engineering and Architecture]. 2016, no. 5, pp. 35–39. (in Russian).


GOST Style Citations