CC BY
55
-►
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621.791.7:620.1 7:620.18
Э.Р. Галимов, A.C. Маминов, A.B. Беляев
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТОДОМ МУЛЬТИФРАКТАЛЬНОГО АНАЛИЗА
Оценку изменения структуры металлических материалов осуществляют традиционными методами металлографических исследований и механических испытаний. Однако определение механических свойств, в том числе и сварных соединений, требует трудоемкой подготовки образцов и многочисленных испытаний (на твердость, временное сопротивление и др.).
Подобные испытания можно не проводить, если использовать методологию мультифрак-тальной параметризации структур. В связи с этим возникло перспективное направление исследований — установление взаимосвязи механических свойств металлов с результатами мультифрактальной параметризации цифровых изображений микроструктуры.
Методология мультифрактальной параметризации структур материалов, разработанная в И МЕТ им. A.A. Байкова РАН в начале 1990-х годов и подробно описанная в трудах А. Г. Кол-макова, Г.В. Встовского, И.Ж. Бунина, находит все более широкое применение в материаловедении [1,2].
Мультифрактальная параметризация считается более совершенным видом представления теории фракталов. Теория мультифрактального формализма благодаря дополнительному математическому анализу позволяет оценивать параметры однородности и упорядоченности, характеризующие меру нарушения самоподобия и отражающие геометрическую неоднородность составляющих изображения.
Однако необходимо провести соответствующие экспериментально-теоретические исследования, направленные на адаптацию методики
мультифрактальной параметризации для оценки механических свойств различных зон сварных соединений (основной металл, зона термического влияния, линия сплавления, сварной шов), и выработать практические рекомендации по подготовке металлографических изображений к мультифрактальному анализу.
Цель нашей работы — установление взаимосвязи механических свойств с мультифракталь-ными параметрами сварных соединений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
адаптация методологии мультифрактальной параметризации для анализа изображений структур сварного шва;
установление взаимосвязи мультифракталь-ных параметров с изображениями металлографической поверхности структуры;
установление взаимосвязи механических свойств на примере твердости НУ с мультифрак-тальными параметрами однородности и упорядоченности.
В качестве объекта исследования были выбраны сварные швы наружного корпуса камеры сгорания газотурбинного двигателя НК-16СТ, изготовленные из аустенитной стали 10Х11Н20Т2Р, которая широко применяется в качестве нержавеющего, коррозионностойкого и жаропрочного материала. Химический состав данной стали (в %) следующий:
С.................................................<0,10
Si................................................< 1,0
<
Cr............................................... 10-12,5
Ni............................................... 18-21
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование В'2010
Ti................................................2,3-2,8
AI................................................< 0,8
ß.................................................< 0,008
S..................................................0,020
Р.................................................0,030
Были изготовлены образцы для проведения спектрального анализа с целью установления поэлементного химического состава, металлографических исследований и измерения твердости по Виккерсу. Измерение твердости образцов, вырезанных из сварных швов наружных корпусов камер сгорания, осуществлялось на твердомере ХГЮ-250 по ГОСТ 2999-75. Для выявления границ аустенитных зерен стали 10Х11Н20Т2Р применялся реактив Круппа (соляная кислота 500 мл, азотная кислота 50 мл, вода 450 мл), время травления составляло 20 с.
Проведена серия замеров твердости сварных соединений корпуса камеры сгорания. Аппроксимацией и сглаживанием получены кривые твердости по Виккерсу в зависимости от расстояния до центра сварного шва. По результатам радиографического анализа были исследованы также образцы с дефектами — горячими трещинами. Установленные зависимости представляют собой полиноминальные кривые вида
НУ30 =0,008х4 +0,145х3 -1,759х2 +
+ 1,860* +1655; Я2 =0,97, где НУ,Ц — твердость по Виккерсу; х — расстояние до центра сварного шва.
Расчет мультифрактал ьных характеристик осуществлялся с помощью программы МРЯОгот,
первая версия которой разработана Г. В. Встовским [2]. Данная программа использует алгоритмы автоматического выбора масштабов и статистического анализа мультифрактальных канонических и псевдоспектров. Зависимость упорядоченности от размера изображения приведена на рис. 1.
Однако данная программа требует определенной подготовки изображений к анализу, которая заключается в обработке фотографий микроструктур с помощью программы Adobe PhotoShop 7.0 с целью их преобразования в битовый формат "bmp" (черно-белый) с разрешением 300 пикселей на дюйм из цветного формата "jpeg" определенного размера. Принимаемый размер изображений в наших исследованиях — 512x512 пикселей.
В местах замеров твердости по Виккерсу (рис. 2) получены микроструктуры, цифровое изображение которых было проанализировано программой MFRDrom.
Для проведения металлографических исследований использовали микроскоп со встроенной цифровой фотокамерой. Полученные изображения имеют вертикальное и горизонтальное разрешение 150 пикселей/дюйм.
Видно, что на значения упорядоченности размер изображения оказывает незначительное влияние — лишь при высоких баллах зерна анализируемой стали или сплава.
Установлено, что на результаты мультифрак-тальной параметризации влияет также затемнен-ность фотографий. В случаях, когда анализируется перетравленная структура или она
-•-250 -■-300 —±—350
-«-400 -Ж-450 —О—500
—I—512
-600
-800
Рис. 1. Зависимость упорядоченности от размера изображения
4
Материаловедение.
1700 1600 1500 1400
1300 |—'—'■—1—'—'■—'—'—1— 111—1—1—'—1 -20 -10 0 10 20 1,мм
Рис. 2. Графики упорядоченности сварного шва:
—*--твердость НУ по сечению сварного шва;
--полиномиальная твердость НУ по сечению сварного шва
представлена темными составляющими (перлит, графит), мультифрактальные параметры искажаются. Например, ферритная, феррито-перлит-ная и аустенитная структуры с одинаковым баллом зерна будут иметь различные значения однородности и упорядоченности, что необходимо учитывать при оценке величины зерна по значениям однородности и упорядоченности.
Определены значения однородности и упорядоченности для структур, располагающихся рядом с отпечатком твердомера. Аналогично аппроксимацией и сглаживанием получены кривые однородности и упорядоченности структуры в зависимости от удаленности от центра сварного шва (рис. 3).
Получено совместное решение уравнений распределения твердости и однородности/упо-
рядоченности с целью установления зависимости механических свойств (на примере твердости по Виккерсу) и мультифрактальных параметров. Данное решение позволяет определить с заданной степенью вероятности значение твердости по изображению структуры аустенитной стали 10Х11Н20Т2Р при однократном замере твердости.
Проведение подобного мультифрактального анализа и измерение механических свойств различных марок, структурных классов, других металлов и сплавов, в том числе сварных соединений, после наплавки, напыления покрытий и других видов обработки позволит создать программу на основе алгоритма МР1Югот и базу данных материалов с мультифрактальными параметрами, что в свою очередь даст возможность
Упорядоченность
Рис. 3. График упорядоченности для сварного шва
^Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование В'2010
определять механические свойства по изображению структуры.
Для этого требуется решение системы уравнений вида
^зо = 0,008х4 + 0,145х3 - 1,759х2 +
+ 1,860х + 1655;
Ц - Д200 = 2• Ю-6 х6 -9• Ю-6х5 +
+ 0,006х2 - 0,002х + 0,093;
/200 = 2 40-6х6 + 240-5х5 -0,001х3 -
-0,014х2 +0,006х + 0,303,
где £>¡—£>200 ~ упорядоченность; Гт — однородность; х — расстояние до центра сварного шва.
Выражая из уравнений механическое свойство — твердость по Виккерсу НУ30 —как функции от упорядоченности /),—/)200 или однородности Гш при одинаковых значениях расстояния
от центра сварного шва х, получаем соответствующие зависимости твердости от мультифрак-тальных параметров.
На упорядоченность и однородность, полученные в результате анализа с помощью программы МРЯОгот, оказывают влияние ряд факторов, основные из которых — разрешение изображений, затемненность изображения структурными составляющими и протравлен-ность границ зерен. Размер изображения оказывает влияние в меньшей мере и лишь при высоких (8—10) баллах зерна анализируемой стали или сплава.
Установлена взаимосвязь между механическим свойством стали (твердость по Виккерсу) и результатами мультифрактального анализа. Это позволяет определять механические свойства, в том числе и сварных соединений, по изображению их металлографической структуры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Встовский, Г.В. Элементы информационной физики |Текст| / Г.В. Встовский,— М.: МГИУ, 2002. - 260 с.
2. Встовский, Г.В. Введение в мультифракталь-ную параметризацию структур материалов [Текст] / Г.В. Встовский, А.Г. Колмаков, И.Ж.. Бунин // Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2001,- 116 с.
3. ГОСТ 5632—72. Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.
4. Авдеева, Л.Г. Определение мультифрактальных характеристик стали 20Х23Н18 до и после эк-сплуатациитт / Л.Г. Авдеева, А.Г. Чиркова // 53-я конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. - Уфа, 2002. - С.8.
УДК620.22:419.8
Д.Е. Жарин, Л.Н. Шафигуллин, К.В. Симонова
ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ МАТРИЧНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Увеличение скоростей и мощностей машин и оборудования в машиностроении привело к значительному возрастанию вредных шумов, существенно ухудшающих условия труда на производстве.
Решение данной проблемы видится в разработке и применении в конструкциях, подверженных воздействию динамических нагрузок, например, элементах станочной системы, ком-
позиционных материалов (КМ) с высокими звукопоглощающими свойствами.
Периодические шумы, возникающие при механической обработке металлов резанием, оказывают нежелательное воздействие на условия труда (уровень шума более 70 дБА) [1]. В этой связи задача разработки эффективных звукопоглощающих полимерных материалов для производства установочных пластин под
