MODELING PROPERTIES OF STRUCTURAL MATERIALS

V. M. VOLCHUK

Abstract


Relevance of the work. 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.


Keywords


steel Ст3; microstructure; fractal; mechanical properties; model

References


Mishutin A., Kroviakov S., Pishev O., Soldo B. Modified expanded clay light weight concretes for thin-walled reinforced concrete floating structures. Tehnički glasnik-Technical Journal. 2017. Vol. 11. № 3. Pp. 121-124.

Kroviakov S., Mishutin A., Pishev O. Management of the Properties of Shipbuilding Expanded Clay Lightweight Concrete. International Journal of Engineering & Technology. 2018. [S.l.]. Vol. 7. №. 3.2. Рp. 245-249.

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

Uzlov О., Bolshakov V. Investigation of acicular ferrite structure in HSLA steel. Proceedings of the "Materials Week 2002". Frankfurt : Werkstoff-Informationsgesellschaft, 2002. Pp. 14-20. URL: www.irbis- nbuv.gov.ua/.../ cgiirbis_64.exe?

Дубров Ю. И., Волчук В. Н., Большаков В. И. Применение экспертной информации при формировании активного эксперимента в материаловедении. Моделирование и оптимизация в материаловедении : матер. к 40-й междунар. сем. по моделированию и оптимизации композитов. Одесса : АстроПринт, 2001. С. 25-26.

Kroviakov S., Zavoloka M., Dudnik L., Kryzhanovskyi V. Comparison of strength and durability of concretes made with sulfate-resistant portland cement and portland cement with pozzolana additive. Electronic Journal of the Faculty of Civil Engineering Osijek-e-GFOS. 2019. Vol. 10. № 19. Pр. 81-86. URL: https://doi.org/10.13167/ 2019.19.8

Lyashenko Т., Voznesensky V., Krovyakov S. Analysis of water effect on fracture toughness in cement-based composites using computational materials science methods. International symposium on brittle matrix composites. 2000. Pp. 210−219. URL: http://pascal-francis.inist.fr/vibad/index.php?action=getRecordDetail&idt=1141801

Большаков В. И., Волчук В. Н., Дейнеко Л. Н., Дубров Ю. И. Композиция метода планирования экстремальных экспериментов и экспертной информации для формирования системы прогноза качества материалов. Перспективные задачи инженерной науки. Вып. 2. Днепропетровск : GАUDEAMUS, 2001. C. 203-208.

Большаков В. И., Волчук В. Н., Дейнеко Л. Н., Дубров Ю. И. Формирование модели прогноза качества материала, основанной на экспертной оценке и активном эксперименте. Компьютерное материаловедение и обеспечение качества : матер. к 45-му Междунар. сем. по моделированию и оптимизации композитов. Одесса : АстроПринт, 2006. С. 146-150.

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

Большаков Вад. І., Большаков В. І. , Волчук В. М., Дубров Ю. І. Системний аналіз технології виробництва масивного металевого лиття. Вісник НАН України. 2015. № 9. С. 69–73. URL: http://dx.doi.org/10.15407/visn2015.09.069

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

Большаков В. И., Волчук В. Н., Дубров Ю. И. О применении фрактального формализма при математическом описании структур. Металознавство та термічна обробка металів. 2016. № 2. С. 26–33. URL: http://mtom.pgasa.dp.ua/article/view/27-33

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

Большаков В., Волчук В., Дубров Ю. Пути применения теории фракталов : монография. Саарбрюккен : Palmarium Academic Publishing, 2016. 146 с.

Volchuk V., Dubrov Yu. Ways of compensation of incomplete formal axiomatics in identification of complex objects. Металознавство та термічна обробка металів. 2018. № 4. С. 31–35. URL: https://doi.org/ 10.30838/ J.PMHTM.2413.261218.31.562

Gödel K. Über formal unentscheidbare Sätze der Principia Mathematica und verwandter Systeme I. Monatshefte für Mathematik und Physik. 1931. Vol. 38. № 1. Pp. 173-198.

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

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

Mandelbrot B. B. The Fractal Geometry of Nature : monograph. Nev-Yuork, San Francisco : Freeman, 1982. 480 p. URL: http://www.amazon.com/Fractal-Geometry-Nature-Benoit-Mandelbrot/dp/0716711869

Zhuravel' I. M., Svirs'ka L. M. Measurement of the mean grain size in a metal by using fractal dimensions. Materials Science. 2010. Vol. 46. № 3. Pр. 418−420.

Zhuravel' I. M. Computer Analysis of the Distribution of Grain Sizes in the Structure of 12Kh1MF Steel After Operation. Materials Science. 2019. Vol. 55. № 2. Pр. 187−192.

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

Bolshakov V. I., Volchuk V. M. , Dubrov Yu. I. Regularization of One Conditionally III-Posed Problem of Extractive Metallurgy. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2018, vol. 40, no 9, рp. 1165−1171. URL: DOI: 10.15407/mfint.40.09.1165

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

Волчук В. Н. Разработка и исследование метода определения качественных характеристик металла на основе анализа фрактальной размерности его микроструктуры : дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук : 05.02.01. Днепропетровск, 2003. 186 с.

Большаков В. И., Волчук В. Н. , Дубров Ю. И. Применение фрактального моделирования при оценке структуры и свойств металлов. Металознавство та термічна обробка металів. 2018. № 1. С. 50–55. URL: https://DOI:10.30838/J.PMHTM.2413.240418.50.105

Volchuk V., Klymenko I., Kroviakov S., Orešković M. Method of material quality estimation with usage of multifractal formalism. Tehnički glasnik - Technical Journal. 2018. Vol. 12. № 2. Pр. 93-97. URL: https://hrcak.srce.hr/202359

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

Волчук В. М. Модель оцінювання твердості чавунних валків СПХН-43 та СШХНФ-47. Металознавство та термічна обробка металів. 2019. № 4. С. 22–35. URL: https://doi.org/10.30838/J.PMHTM.2413.241219.22.597

Kroviakov S., Volchuk V., Zavoloka M., Kryzhanovskyi V. Search for Ranking Approaches of Expanded Clay Concrete Quality Criteria. In: Materials Science Forum. Trans Tech Publications Ltd. 2019. Vol. 968. Pp. 20−25. URL: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.968.20

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

Волчук В. Н., Дубров Ю. И., Большаков В. И. Ранжирование показателей качества металла. Металознавство та термічна обробка металів. 2018. № 2. C. 10−16. URL: https://doi.org/10.30838 /J.PMHTM.2413.240418.10.261

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

Большаков В. И., Волчук В. Н., Дубров Ю. И. Фрактальное моделирование структуры малоуглеродистой стали. Металознавство та термічна обробка металів. 2018. № 2. С. 45-51. URL: https://doi.org/10.30838/J.PMHTM.2413.240418.45.266

Большаков В. І., Дубров Ю. І., Криулін Ф. В., Волчук В. М. Патент на винахід № 51439А України. Спосіб визначення фрактальної розмірності зображення. Заявл. 15.11.2002; Бюл. № 11. URL: http://uapatents.com/3-51439-sposib-viznachennya-fraktalno-rozmirnosti-zobrazhennya.html

Hausdorff G. Dimension und auberes Mab. Mathematische Annalen. 1919. Vol. 79. Pр. 157-179. URL: http://gdz.sub.uni-goettingen.de/dms/load/img/?PID=GDZPPN002266989.

Crownover R. M. Introduction to Fractals and Chaos : monograph. Boston, London : Jones and Bartlett Publishers, Inc., 1995. 306 p.

Большаков В. И., Волчук В. Н., Дубров Ю. И. Фракталы в материаловедении : учеб. пособ. Днепропетровск : ПГАСА, 2006. 253 с.

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

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

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

Бунин К. П., Баранов А. А. Металлография : монография. Москва : Металлургия, 1970. 256 с.

Bhadeshia H. K. D. H. Bainite in Steels: Transformations, Microstructure and Properties. London, UK : 2nd ed.; IOM Communications, 2001. 735 р.

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


GOST Style Citations