DOI: https://doi.org/10.30838/J.PMHTM.2413.261218.10.559

Method of forecast of mechanical properties of Ст3пс steel

M. O. Aksakov

Abstract


Abstract. Problem statement. The prediction of mechanical properties of metals is mainly based on the analysis of statistical data and the results of direct experiments. When comparing these results, in some cases there are discrepancies between the results of the prediction of mechanical properties based on the quantitative indicators of the structure and the data of field tests. One of the reasons for the divergence of results may be the incompleteness of formal axiomatics in describing the real elements of a structure. Therefore, the paper proposes to use the fractal approach based on the determination of fractal dimensions of the constituents of the structure for the prediction of the mechanical properties of the metal, such as Ст3псsteel. Materials and methodology. Using the methods of regression analysis  and fractal theory,  we obtained a  mathematical  model  for the prediction of the quality criteria  for structural  low-alloy steel Ст3псdepending on the influence of the parameters of the structure and elements of the chemical composition. Research results.The influence of the chemical composition and fractal dimension of the ferrite-pearlite structure on the mechanical properties of the steel was analyzed: tensile strength, yield strength, relative narrowing and elongation, hardness. The adequacy of the obtained results is confirmed by the Kochren and Fisher criteria. By studying the coefficients of the obtained dependences, a histogram describing the effect of the fractal  dimension  of  the  metal  on  the  mechanical  properties  was  obtained.  As  a  result  of  experiments,  it  was  found  that  the  fractal dimension  of  perlite  grains  varies  in  the  range  of 1,662…1,790,  and  the  fractal  dimension  of  ferrite  grains  зер  in  the  range  of 1,955…1,978 with a change in the amount of carbon from 0,14 to 0,22 %. The highest degree of correlation among those considered is established between the fractal dimension of perlite and the indices of strength and hardness of steel 3, and the highest correlation of plasticity indices is set to the fractal dimension of ferrite. The results obtained indicate the possibility of applying fractal geometry to the prediction  of  the  mechanical  properties  of  low  carbon  low  alloy  structural  steels. Conclusions. The  technique of  forecasting  the mechanical  properties  of Ст3пс steel  is  presented  based  on  the  analysis  of  the  influence  of  the  chemical  composition  and  fractal characteristics of the ferrite-perlite structure. It was found that when forecasting the strength and hardness characteristics of steel based on  the  fractal  dimension  of  perlite,  a  correlation  was  observed  within  0,50...0,59;  and  in  the  prediction  of  plastic  properties,  the correlation of 0,64...0,86 is fixed for the fractal dimension of ferrite.


Keywords


mechanical properties; steel; perlite; ferrite; fractal dimension; forecasting technique

GOST Style Citations


1. Berns H. Ferrous materials: Steel and Cast Iron : monograph / [H. Berns, W. Theisen]. − Berlin Heidelberg : Springer, 2008. − 418 p.

2. Волчук В. Н. Исследования влияния химического состава чугунных прокатных валков на их механические свойства / В. Н. Волчук // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – 2014. - № 5. – С. 12–18. - Режим доступа : http://visnyk.pgasa.dp.ua/article/view/40698

3. Большаков В. И. О прогнозировании качества целевого продукта в периодических технологиях / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров // Доповіді НАН України. - 2014. - № 11. - С. 77-81. – Режим доступа : https://doi.org/10.15407/dopovidi2014.11.0771

4. Иванцов С. В. Влияние размера аустенитного зерна на кинетику разрушения высокопрочных строительных сталей / С. В. Иванцов, В. И. Большаков, Д. В. Лаухин, А. В. Бекетов, А. В. Мурашкин // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2014. - № 1. - С. 70-72.

5. Mishutn А. Modified expanded clay lightweight concretes for thin-walled reinforced concrete floating structures / А. Mishutn, S. Kroviakov, O. Pishev, B. Soldo // Technical Journal. - 2017. - Vol. 11. - № 3. - Pр. 121-124. – Режим доступу : https://hrcak.srce.hr/186657

6. Kroviakov S. Production technology of modified expanded clay lightweight concrete for floating structures / S. Kroviakov, A. Mishutn // The Scientific Journal of Cihan University – Sulaimanyia. - 2017. - Vol. 1. - № 4. - Рр. 2-10.

7. Mishutin A. V. Modified expanded clay lightweight concretes for thin-walled floating structures / A. V. Mishutin, S. O. Kroviakov, N. V. Mishutin, V. L. Bogutsky // Proceeding of the Second International Conference on Concrete Sustainability (ICCS16), held in Madrid, Spain on 13-15 June 2016 – Barcelona, Spain: International Center for Numerical Method in Engineering, 2016. – Pр. 743−749.

8. 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

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

10. 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 доступу: http://www.dopovidi.nas.gov.ua/2008-11/08-11-17.pdf

11. Основы организации фрактального моделирования : монография / [В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров]. - Киев : Академпериодика НАН Украины, 2017. - 170 с.

12. Fractals and properties of materials : monograph / [V. Bol’shakov, V. Volchuk, Yu. Dubrov]. − Saarbrucken : Lambert Academic Publishing, 2016. − 140 p.

13. Волчук В. Н. Применение вейвлет-анализа для оценки зеренной структуры металлов / В. Н. Волчук // Металознавство та термічна обробка металів. – 2009. − № 4. − С. 24−32. - Режим доступа : http://mtom.pgasa.dp.ua/article/view/23-30

14. 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 доступу : http://mtom.pgasa.dp.ua/article/view/12-19

15. Большаков В. И. Организация фрактального моделирования / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров // Доповіді НАН України. - 2018. - № 6. - С. 67-72. – Режим доступу : https://doi.org/10.15407/dopovidi2018.06.067

16. 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.

17. Volchuk V. Method of material quality estimation with usage of multifractal formalism / V. Volchuk, I. Klymenko, S. Kroviakov, M. Orešković // Tehnički glasnik - Technical Journal. - 2018. - Vol. 12. - № 2. - P. 93-97. – Режим доступу : https://doi.org/10.31803/tg-20180302115027

18. 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

19. Волчук В. Н. Определение чувствительности мультифрактальных характеристик металла / В. Н. Волчук // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – 2015. - № 12. – С. 10–14. - Режим доступу : http://visnyk.pgasa.dp.ua/article/view/58941

20. Волчук В. Н. Фрактальный анализ балловой системы / В. Н. Волчук // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – 2018. - № 5. – С. 47–53. - Режим доступу : http://visnyk.pgasa.dp.ua/article/view/58941

21. Волчук В. Н. К применению фрактального формализма при ранжировании критериев качества многопараметрических технологий  / В. Н. Волчук // Металлофизика и новейшие технологии. - 2017. - Т. 39. - № 3. - С. 949—957. - Режим доступу: http://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v39/i07/0949.html

22. 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. – 2018. − № 2. − С. 10−16. - Режим доступу : http://mtom.pgasa.dp.ua/article/view/9-16

23. Bolshakov V. I. Regularization of One Conditionally Ill-Posed Problem of Extractive Metallurgy / V. I. Bolshakov, V. M. Volchuk, Yu. I. Dubrov // Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. - 2018. - Vol. 40. - № 9. - Pр. 1165-1171. - Режим доступу : https://DOI: 10.15407/mfint.40.09.1165

24. 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 доступу : https://doi.org/10.15407/dopovidi2017.06.00

25. 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.