CC BY
14
УДК 669.017:519.21
DOI: 10.30838/J.BPSACEA.2312.250918.36.194
РАНЖУВАННЯ ЕЛЕМЕНТ1В Х1М1ЧНОГО СКЛАДУ МЕТАЛУ
ВОЛЧУК В. М.1, д-р техн. наук, проф., ЖИВИЦЯ О. Р.2, студ.
'Кафедра матерiалознавства та обробки матерiалiв, Державний вищий навчальний заклад «Придтпровська державна академiя будiвництва та архггектури», вул. Чернишевського, 24-а, 49600, Дшпро, Украша, тел. +38 (0562) 47-39-56, e-mail: volchuky@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-7199-192X
2Кафедра матерiалознавства та обробки матерiалiв, Державний вищий навчальний заклад «Придтпровська державна академiя будiвництва та архггектури», вул. Чернишевського, 24-а, 49600, Дшпро, Украïна, тел. +38 (0562) 47-39-56, e-mail: Lelja200397@rambler.ru
Анотащя. Постановка проблеми. Зв'язок мiж складом матерiалiв, ïx структурою та властивостями - одне з головних питань матерiалознавства. Вибiр методик вдентифшаци властивостей матерiалiв визначаеться конкретними завданнями та iнструментарiем. Для дослвдження впливу xiмiчного складу матерiалiвна меxанiчнi властивосп у статгi запропоновано методику ранжування елементiв xiмiчного складу металу. Матершли та методика. Ранжування елементiв xiмiчного складу металу за ïx впливом на критерiï його якостi проводилося на основi оцiнки величини коефщенпв рiвняння регресiï, що описуе ïx залежтсть. Результати експерименту. Встановлено, що найбшьше впливають на мiцнiсть сталi Ст6пс вуглець (9,250), марганець (5,000) та хром (5,000). Для зменшення похибки у ранжуваннi елементiв х1шчного складу враховувався 1х фiзико-xiмiчний вплив на показники мiцностi (стТ). Отримана математична модель адекватна зпдно з критерiями Фшера (F = 1,580) та Кочрена (F = 0,380). Висновки. Проведено ранжування елеменпв xiмiчного складу сталi Ст6пс вщносно ï\ впливу на показники мiцностi. Такий пiдxiд дозволяе регулювати показники мщносп металопрокату в процесi його виробництва шляхом коригування вмiсту елементiв хтшчного складу.
Ключовi слова: ранжування; метал; хжгчний склад; математична модель; твердгсть
РАНЖИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МЕТАЛЛА
ВОЛЧУК В. Н.1, д-р техн. наук, проф., ЖИВИЦА Е. Р.2, студ.
*Кафедра материаловедения и обработки материалов, Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского, 24-а, 49600, Днипро, Украина, тел. +38 (0562) 47-39-56, e-mail: volchuky@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-7199-192X
2Кафедра материаловедения и обработки материалов, Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского, 24-а, 49600, Днипро, Украина, тел. +38 (0562) 47-39-56, e-mail: Lelja200397@rambler.ru
Аннотация. Постановка проблемы. Связь между составом материалов, их структурой и свойствами является одним из главных вопросов материаловедения. Выбор методик идентификации свойств определяется конкретными задачами и инструментарием. Для исследования влияния химического состава материалов на механические свойства в работе предложена методика ранжирования элементов химического состава металла. Материалы и методика. Ранжирование элементов химического состава металла по их влиянию на критерии его качества проводилось на основе оценки величины коэффициентов уравнения регрессии, описывающего их зависимость. Результаты эксперимента. Установлено, что больше всего влияют на прочность стали Ст6пс углерод (9,250), марганец (5,000) и хром (5,000). Для уменьшения погрешности при ранжировании элементов химического состава учитывалось их физико-химическое влияние на показатели прочности (стТ). Полученная математическая модель адекватна согласно критериям Фишера (F = 1,580) и Кочрена (F = 0,380). Выводы. Проведено ранжирование элементов химического состава стали Ст6пс по отношению к их влиянию на показатели прочности. Такой подход позволяет регулировать показатели прочности металлопроката в процессе его производства путем корректировки содержания элементов химического состава.
Ключевые слова: ранжирование; металл; химический состав; математическая модель; твердость
RANKING OF ELEMENTS OF CHEMICAL COMPOSITION OF METAL
VOLCHUK V. M.1, Dr. Sc. (Tech.), Prof., ZHIVITSIA O. R.2, student
'Department of Materials Science, State Higher Educational Establishment «Pridneprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture», Chernishevskogo str., 24-a, 49600, Dnipro, Ukraine, tel. +38 (0562) 47-39-56, e-mail: volchuky@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-7199-192X
2Department of Materials Science, State Higher Educational Establishment «Pridneprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture», Chernishevskogo str., 24-a, 49600, Dnipro, Ukraine, tel. +38 (0562) 47-39-56, e-mail: Lelja200397@rambler.ru
Abstract. Introduction. The relationship between the composition of materials, their structure and properties is one of the main issues of materials science. The choice of methods for identifying properties is determined by specific tasks and tools. To study the influence of the chemical composition of materials on the mechanical properties, a method of ranking the elements of the chemical composition of the metal was proposed. Materials and methods. The ranking of the elements of the chemical composition of the metal according to their influence on the criteria of its quality was carried out on the basis of an assessment of the magnitude of the coefficients of the regression equation describing their dependence. Results of the experiment. It has been established that carbon (9,250), manganese (5,000) and chromium (5,000) have the greatest influence on the strength of St6ps steel. To reduce the error in the ranking of the elements of chemical composition, their physico-chemical effect on strength indicators (ctt) was taken into account. The resulting mathematical model is adequate according to the criteria of Fisher (F = 1,580) and Kochren (F = 0,380). Conclusions. The ranking of the elements of the chemical composition of St6ps steel in relation to their effect on strength indicators was carried out. This approach allows you to adjust the strength of the metal during its production by adjusting the content of elements of chemical composition.
Keywords: ranking; metal; chemical composition; mathematical model; hardness
Вступ. Для встановлення зв'язку мiж складом, структурою та властивостями ма-терiалiв застосовуються рiзнi фiзичнi методики: прямi юпити на об'ектах досль дження; структурний та фазовий аналiзи iз застосуванням оптичних та рентгешвських методiв, рiзноманiтнi види моделювання тощо [1-6]. Для дослщження впливу пара-метрiв технологи на властивосп матерiалiв у деяких випадках проводять !х ранжуван-ня.
Ранжування тих чи шших параметрiв здшснюеться, здебшьшого, для встановлення зв'язюв мiж дослщжуваними величинами. Критерп ранжування мехашчних, службових та шших властивостей, хiмiч-ного, мшерального та фазового складу, елемешив структури на рiзних масштабних
piBrax для рiзних матерiалiв вибираються залежно вщ поставлено!' мети. Найчаспше ц критерп можуть формуватися залежно вщ потреб замовника, числових показниюв кое-фщенпв piвнянь, аналiзу област самоподiб-ност паpаметpiв технологи та багатьох шших вимог [7-12].
У статп розглянуто методику ранжування елеменпв xiмiчного складу металу залежно вщ ix впливу на мщшсть сталi Стбпс. Вибip ще'1 марки сталi зумовлений тим, що з не'! ви-готовляються сортовий та фасонний прокат: листи, штаби, с^чки, а також труби.
Матер1али та методика. Сталь Стбпс дослщжувалася в сташ заводсько'! поставки. Хiмiчний склад сталi Стбпс наведено в таблиц 1.
Таблиця 1
3Micm елеменmiв хiмiчного складу cmani Стбпс, % (ГОСТ 380-2005)
Вмкт у % вiдповiдно до маси С Si Mn Ni S P Cr N Cu As
Стбпс 0,38 -0,49 0,05 -0,15 0,50 -0,80 до 0,3 до 0,05 до 0,04 до 0,3 до 0,008 до 0,3 до 0,08
Межа текучост аТ змшювалася в iнтеpвалi 295...315 МПа згiдно з нормативними документами.
Дослщжувалася сталь iз феpитно-пеpлiтною
структурою, що найчаспше зус^чаеться в сташ заводсько'! поставки (рис. 1).
Структура, наведена на рисунку 1, складаеться з феритно'! сiтки по границях зерен та пластинчатого пеpлiту.
Рис. 1. Феритно-перлтна структура сталi Ст6пс, х800
Результати експерименту. В робот застосовувався статистичний шдхщ планування експерименпв, коли одночасно змшюються багато фактор1в, що дослщжуються. Такий шдхщ дозволяе досшджувати динамшу змши функци мети. Матриця планування експерименпв на 16 стовпшв реал1зовувалася з експериментальними показниками функци мети Уекс та оцшками 11 прогнозу Yроз (див. табл. 2), де ЗР - загальний р1вень значень аргуменпв (Хь..Х10); НР - нижнш р1вень; ВР - верхнш р1вень та 1В - штервал вар1ювання аргуменпв. Аргументами функци (меж1 текучосп) виступали вуглець (Х1), кремнш (Х2), марганець (Х3), шкель (Х4), арка (Х5), фосфор (Х6), хром (Х7), азот (Х8), мщь (Х9) та миш'як (Х10).
У ход1 пасивного експерименту отримано математичну модель прогнозу меж1 текучосп стал1 Ст6пс:
Yроз = 244,928 + 102,273-Х1 + 94,091-Х2+ + 16,667-Хэ + 4,167-Х4-50,000-Х5-- 12,500Х + 16,667-Х7 + 312,500Х +
+ 5,833-Х9 + 6,250-Х10-181,818-ХгХ2.
Коефщент парно!' кореляци становив R2 = 0,91.
Ранжування елеменпв х1м1чного складу сташ Ст6пс проводилося на основ1 анал1зу ощнки 1х впливу на дослщжувану характеристику мщносп (див. рис. 2).На г1стограм1 рисунка наведено 2 числов1 значення «ваги» впливу кожного з елеменпв х1м1чного складу на межу текучосп, отримаш шляхом но-рмування коефщенпв р1вняння регреси.
Анал1з наведеного вище р1вняння регреси тдтверджуе той факт, що найсильшший зв'я-зок спостер1гаеться м1ж функщею мети (пока-зником меж1 текучосп У) та аргументами Х] (вуглець), х3 (марганець) 1 х7 (хром). Орка (Х5) та фосфор (Х6), як шк1длив1 домшки, знижують мщшсть, оскшьки за 1х вмюту по-над 0,045 % сталь за тдвищених температур робиться червоноламкою та холодноламкою вщповщно. Зв'язок тдтверджуеться вщносно високим коефщентом кореляци = 0,91), що обгрунтовуеться ф1зико-х1м1чною штерп-реташею впливу складу металу на його влас-тивосп. Вуглець, що мютиться в стал1 зазви-чай у вигляд1 х1м1чно! сполуки FeзC (карбщ зал1за), з1 збшьшенням його вмюту до 1,2 % тдвищуе твердють, мщшсть 1 пружшсть стал1 та зменшуе в'язюсть 1 здатшсть 1! до зварюва-носп.
У свою чергу, марганець, що мютиться в звичайнш вуглецевш стал1 в межах вщ 0,3 до 0,8 %, зменшуе шкщливий вплив кисню та арки, тдвищуе твердють 1 мщшсть стал1, 11 р1зальш властивосп, але при цьому знижуе здатшсть опору металу до динам1чних наван-тажень, зокрема, до ударних. Хром тдвищуе мщшсть, загартованють 1 жаростшюсть, р1за-льш та триболопчш властивосп, але знижуе в'язкють 1 теплопровщшсть металу [1].
Незначний вплив шших елеменпв: Si (ко-ефщ1ент впливу зпдно з розрахунками стано-вить 1,500), Ni (1,250), Си (1,750) та As (0,500) на мщшсть стал1 Ст6пс компенсуеться част-ково д1ею бшьш «вагомих» елеменпв х1м1ч-ного складу, наприклад, С (9,250). Кр1м того, щ елементи за сво'1м призначенням можуть бшьше впливати на 1нш1 службов1 характеристики. Так, Sii Мп вводяться у сталь як актив-ш розкислювачi i не чинять бшьш помiтного впливу на властивостi [1].
Для перевiрки на працездатнiсть та адек-ватнiсть отриману математичну модель оць нювали за критерiями Фшера та Кочрена. Згiдно з крш^ем Фiшера модель адекватна:
Fспостережень 1,580; Fкритич 2,400.
Згiдно з критерiем Кочрена модель також адекватна:
Fспостережень 0,380; Fкритич 0,547.
Таблиця 2
Матрица планування eKcnepuMeHmie для стали Ст6пс_
ЗР 0,44 0,10 0,65 0,15 0,04 0,03 0,15 0,004 0,15 0,04 Межа текучосп От, МПа
IB 0,05 0,05 0,15 0,15 0,01 0,01 0,15 0,004 0,15 0,04
BP 0,49 0,15 0,В0 0,30 0,05 0,04 0,30 0,00В 0,30 0,0В
HP 0,3В 0,05 0,50 0,00 0,03 0,02 0,00 0,00 0,00 0,00
№ Xo X1 (С) Х2 (Si) Х3 (Mn) Х4 (Ni) Х5 (S) Х6 (P) Хт (Cr) Хв (N) Х9 (Cu) Х10 (As) Y 1 екс Y 1 роз
1 + + + + + + + + + + + 31 5 31 В
2 + + + + - + + + - - + 31 0 31 3
3 + + + - + + - - + + - 31 2 30 7
4 + + + - - + - - - - - 30 5 30 2
5 + + - + + - - - - + + 31 3 31 6
6 + + - + - - - - + - + 31 4 31 5
7 + + - - + - + + - + - 30 7 30 5
В + + - - - - + + + - - 30 6 30 5
9 + - + + + - - + + 30 4 30 9
10 + - + + - - - + - + 30 3 30 6
11 + - + - + - + - + + 30 2 29 9
12 + - + - - - + - - + + 30 0 29 7
13 + - - + + + - - - 30 2 30 2
14 + - - + - + - - + + 30 4 30 5
15 + - - - + + + + - + 29 5 29 3
16 + - - - - + + + + + + 29 В 29 6
10 9
8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1
XI (9,25( )|
ХЗ (5,000 1 31 Х7 (5,000 1 1
IYÄ П
.....IY? С «Mil 1
Х4 (1,230)1
■
|Хб (-0,250)1
|Х5 (-1,000)|
XI (9,250) Х2 (1,500) ХЗ (5,000) Х4 (1,250) Х5 (-1,000) Хб (-0,250) Х7 (5,000) ХВ (2,500) Х9 (1,750) Х10 (0,500)
Рис. 2. Пстограма впливу зм1нних на функцЮ мети (межу текучост1)
Висновки. Ранжування показниюв xi-м1чного складу сталi Стбпс проведено на основ1 аналiзу ïx фiзико-xiмiчного впливу на показники межi текучосп залежно вiд величини коефiцieнтiв отримано'' матема-
тично'' моделi. Такий пщхщ дозволяе регу-лювати, за необхщносп, показники мщно-стi металу в процес його виробництва шляхом коригування вмiсту елементiв xi-мiчного складу.
СПИСОК BMOPTCTAHOÏ Л1ТЕРАТУРИ
1. Большаков В. И. Субструктурное упрочнение конструкционных сталей / В. И. Большаков. - Изд. 2 е, доп. и перераб. - Канада, Торонто : Базилиан Пресс, 1998. - 316 с.
2. Большаков В. И. Влияние структуры аустенита и продуктов его распада на квазихрупкое разрушение высокопрочного толстолистового проката для строительства / В. И. Большаков, Д. В. Лаухин, С. В. Иванцов // Строительство, материаловедение, машиностроение : сб. науч. тр. / Приднепр. гос. акад. стр-ва и архитектуры. - Днепропетровск, 2016. - Вып. 89 : Серия : Стародубовские чтения. - С. 30-36.
3. Modified expanded clay lightweight concretes for thin-walled reinforced concrete floating structures / А. Mishutn, S. Kroviakov, O. Pishev, B. Soldo // Tehnicki glasnik. - 2017. - Vol. 11, № 3. - P. 121-124. - Режим доступу: https://hrcak.srce.hr/186657. - Перевiрено 1.11.2017.
4. Method of material quality estimation with usage of multifractal formalism / V. Volchuk, I. Klymenko, S. Kroviakov, M. Oreskovic // Tehnicki glasnik-Technical Journal. - 2018. - Vol. 12. - № 2. - P. 93-97. - Режим доступу: https://hrcak.srce.hr/202359. - Перев1рено 1.11.2017.
5. Журавель I. М. Вимiрювання усередненого розмiру зерен металу з використанням фрактально'' розмiрностi / I. М. Журавель, Л. М. Свiрська // Фiзико-xiмiчна мехашка матерiалiв. - 2010. - Т. 46. - № 3. - С. 126-12. -Режим доступу: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135345. - Перевiрено 1.11.2017.
6. Uzlov О. Investigation of Acicular Ferrite Structure in HSLA Steel / O. Uzlov, V. Bolshakov // Proceedings of the "Materials Week 2002". Frankfurt, Germany : Werkstoff-Informationsgesellschaft, 2002.
7. Волчук В. Н. К применению фрактального формализма при ранжировании критериев качества многопараметрических технологий / В. Н. Волчук // Металлофизика и новейшие технологии. - 2017. - Т. 39. - Вып 7. - С. 949-957. - Режим доступу: http://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v39/i07/0949.html. - Проверено: 26.10.2018.
8. Большаков В. И. Основы организации фрактального моделирования : монография / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров. - Киев : Академпериодика, 2017. - 170 с.
9. Дубров Ю. Пути индентификации периодических многокритериальных технологий : монография / Ю. Дубров, В. Большаков, В. Волчук. - Saarbrücken : Palmarium Academic Publishing, 2015. - 236 с. - Режим доступу: https://www.palmarium-publishing.ru/extern/listprojects. - Перев1рено 1.11.2017.
10. Большаков В. И. Идентификация многопараметрических, многокритериальных технологий и пути их практической реализации / В. И. Большаков, В. Н. Волчук, Ю. И. Дубров // Металознавство та термiчна обробка металiв. - 2013. - № 4. - С. 5-11.
11. Волчук В. Н. Исследования влияния химического состава чугунных прокатных валков на их механические свойства / В. Н. Волчук // Вюник Придншровсько! державно! академп будiвництва та архггектури : зб. наук. пр. - Дшпропетровськ, 2014. - № 5. - С. 12-18. - Режим доступу: http://visnyk.pgasa.dp.ua/article/view/40698. - Перевiрено 1.11.2017.
12. Большаков В. И. Способ определения области компромисса критериев качества многокритериальных технологий / В. И. Большаков, А. А. Фортыгин // Металознавство та термiчна обробка металiв. - 2016. -№ 2. - С. 40-46.
REFERENCES
1. Bol'shakov V.I. Substrukturnoye uprochneniye konstruktsionnykh staley [Substructural strengthening of structural steels]. Ed. 2, Kanada, Toronto: Bazilian Press, 1998, 316 p. (in Russian).
2. Bol'shakov V.I., Lauhin D.V. and Ivantsov S.V. Vliyaniye struktury austenita i produktov ego raspada na kvazikhrupkoye razrusheniye vysokoprochnogo tolstolistovogo prokata dlya stroitel'stva [Influence of austenite structure and its decay products on the quasi-brittle fracture of high strength plate for building construction]. Stroitel'stvo, materialovedenie, mashynostroenie [Building, materials science, mechanical engineering]. Pridnepr. gos. akad. stroitel'stva i arhetektury [Pridneprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture]. Dnipropetrovsk, 2016, no. 89, pp. 30-36. (in Russian).
3. Mishutn А., Kroviakov S., Pishev O. and Soldo B. Modified expanded clay lightweight concretes for thin-walled reinforced concrete floating structures. Technical Journal. 2017, vol. 11, no. 3, pp. 121-124. Available at: https://hrcak.srce.hr/186657
4. Volchuk V., Klymenko I., Kroviakov S., and Oreskovic M. Method of material quality estimation with usage of multifractal formalism. Tehnicki glasnik - Technical Journal. 2018, vol. 12, no. 2, рр. 93-97.
5. Zhuravel I.M. and Svirska L.M. Vymiriuvannia userdnenogo rozmiru zeren metaly z vykorystanniam fraktaloi rozmirnosti [Measurement of the mean grain size in a metal by using fractal dimensions]. Fizyko - khimichna mekhchanika materialiv [Materials Science]. 2010, vol. 46, no 3, рp. 418-420. (in Ukrainian).
6. Uzlov O., and Bolchakov V. Investigation of Acicular Ferrite Structure in HSLA Steel. Proceedings of the „Material Week 2002". Werkstoffwoche-Partnerschaft GbR, Publisher: Werkstoff-Informationsgesellschaft, Frankfurt, 2002.
7. Volchuk V.M. Kprimeneniyu fraktal'nogo formalizma pri ranzhirovanii kriteriyev kachestva mnogoparametricheskikh tekhnologiy [Concerning the application of fractal formalism for ranging criteria of quality of multiparametric technologies]. Metallofizika i noveyshiye tekhnologii [Metal hysics and advanced technologies]. 2017, vol. 39, no 3, рp. 949-957. Available at: http://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v39/i07/0949.html. (in Russian).
8. Bolshakov V.I., Volchuk V.M. and Dubrov Yu.I. Osnovy organizatsii fraktal'nogo modelirovaniya [Fundamentals of fractal modeling]. Kiev: Akademperiodika, 2017, 170 p. (in Russian).
9. Dubrov Yu., Bolshakov V. and Volchuk V. Puti identifikatsii periodicheskikh mnogokriterial'nykh tekhnologiy [Ways of periodic identification of multi-criteria technology]. Saarbrucken: Palmarium Academic Publishing. 2015, 236 p. Available at: https://www.palmarium-publishing.ru/extern/listprojects. (in Russian).
10. Bolshakov V.I., Volchuk V.N. and Dubrov Yu.I. Identifikatsiya mnogoparametricheskikh, mnogokriterial'nykh tekhnologiy i puti ikh prakticheskoy realizatsii [Multiparameter identification, multicriteria techniques and ways of their implementation]. Metaloznavstvo ta termichna obrobka metaliv [Metall Science and Heat Treatment of Metals]. 2013, no. 4. pp. 5-11. (in Russian).
11. Volchuk V.N. Issledovaniya vliyaniya khimicheskogo sostava chugunnykh prokatnykh valkov na ikh mekhanicheskiye svoystva [Studies of the influence of the chemical composition of cast iron rolls on their mechanical properties]. Visnyk Prydniprovs'koyi derzhavnoyi akademiyi budivnytstva ta arkhitektury [Bulletin of Prydniprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture]. 2014, no. 5, pp. 12-18. (in Russian).
12. Bolshakov V.I. and Fortigin A.A. Sposob opredeleniya oblasti kompromissa kriteriyev kachestva mnogokriterial'nykh tekhnologi [The field determining method of the quality criteria compromise of multicriteria technology]. Metaloznavstvo ta termichna obrobka metaliv [Metall Science and Heat Treatment of Metals]. 2016, no. 2, pp. 40-46. (in Russian).
Рецензент: Дубров Ю. I., д-р техн. наук, проф.
Надшшла до редколеги: 16.03.2018 р.
