CC BY
56
УДК 621.785.796
Е.М. Гринберг, д-р техн. наук, проф., (4872)35-05-81 (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.В. Маркова, асп., (4872)35-05-81, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Н.Б. Фомичева, канд. техн. наук, доц., (4872)35-05-81, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
МУЛЬТИФРАКТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОЙ СТАЛИ ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Для оценки количественного описания неоднородности изучаемых структур применяли мультифрактальную параметризацию, которая в отличие от традиционных способов описания структуры предоставляет широкие возможности для идентификации сложной структуры стали, а также описания материалов с неразличимыми или трудноразличимыми структурными особенностями.
Ключевые слова: закалка, отпуск, однородность, упорядоченность, обработка холодом, остаточный аустенит, псевдоспектры.
Важным направлением в современном машиностроении является развитие и совершенствование методов контроля структуры и на основе этого прогнозирование механических свойств сталей.
Существующие традиционные методы исследования структуры и определения механических свойств материалов не всегда могут быть применены для получения достаточно точной количественной оценки фазового состояния структуры и определения её влияния на свойства изделий, так как в ряде случаев процесс вырезки образцов для испытаний трудоёмок, а иногда и недопустим. В связи с этим перспективно применение методологии мультифрактальной параметризации, которая является экономичным и точным средством анализа структуры и хорошо зарекомендовала себя при выявлении закономерностей формирования микроструктуры сталей и оптимизации технологических процессов [1].
В основе методологии мультифрактальной параметризации структур материалов лежит использование промежуточной асимптотики, что позволяет характеризовать любой неоднородный спектр (структуру) спектром статистических размерностей, каждая из которых имеет свой физический смысл [1,2].
По сравнению с фрактальной параметризацией мультифракталь-ность имеет ряд достаточно веских преимуществ, а именно способна количественно оценить свойства неоднородности, пространственной упорядоченности, периодичности и организованности структуры материала [2].
Для исследований была выбрана мартенситная, коррозионно-стойкая сталь 09Х16Н4БЛ (табл. 1), имеющая сложный цикл термической
обработки.
Изучаемая сталь имеет сложный фазовый состав и структуру, которые формируются в процессе кристаллизации после литья по выплавляемым моделям, а также в ходе последующих операций предварительной и окончательной термической обработки (рис. 1).
В качестве окончательной термической обработки на машиностроительных предприятиях для стали 09Х16Н4БЛ применяют два повторяющихся цикла, состоящих их закалки (1050 °С), обработки холодом
(-70 0С, 2 ч.) и отпуска (600 0С, 2 ч.).
Такая длительная термическая обработка должна способствовать уменьшению количества остаточного аустенита, наличие которого недопустимо в прецизионных изделиях.
Таблица 1
Химический состав стали 09Х16Н4БЛ (ГОСТ 977-88)
Легирующие элементы, масс.%
Марка стали С Si Мп № S Р Сг №
09Х16Н4БЛ 0,08- до до 4,0- до до 15- 0,05-
0,12 0,6 0,5 4,5 0,015 0,03 16,5 0,15
Рис. 1. Штатный цикл окончательной термической обработки
стали 09Х16Н4БЛ
Химическая и структурная неоднородность стали, наличие в структуре 5-феррита и остаточного аустенита, влияют на процесс гомогенизации аустенитной фазы при высокотемпературном нагреве в ходе термической обработки. Степень гомогенизации аустенита влияет не только на кинетику его распада при охлаждении, но и на формирование конечных структур и свойств стали.
Для эффективного количественного описания структуры стали не-
обходимо знать параметры однородности и упорядоченности, которые могут быть определены с помощью мультифрактального анализа.
Мультифрактальная параметризация структуры стали основана на генерации с использованием определённого распределения меры. Для этого исследуемый объект с неупорядоченной структурой «помещается» в евклидового пространство, которое разбивается на ячейки характерного размера. Каждой ячейке сопоставляется мера в виде некоторого положительного числа, а полученная совокупность значений задаёт глобальную меру на определённом масштабе дискретизации изображения структуры [1].
Предварительно полученные с помощью микроскопа Axio Observer. Dim в диапазоне увеличений от х100 до х1000, цифровые изображения структуры обрабатывались с использованием средств компьютерной графики (программа Adobe Photoshop 7).
Для этого из полученных с цифровой камеры фотографий вырезали 9 участков размером 480x480 пикселей (по углам, из центра и из середины сторон) и преобразовали в битовый формат BMP. Обработка серии структур заключалась в их загрузке в программу MFRDrom [3], выборе типа спектра (Canon или Pseudo), количества знаков после запятой, основного цвета структуры, площади покрытия. Оценивались как канонические, так и псевдоспектры.
Все изображения обрабатывали программой MFRDrom с генерацией меры как по белым (т.е. по областям соответствующим мартенситной фазе), так и по чёрным пикселям.
В табл. 2 приведены результаты мультифрактального исследования структуры стали 09Х16Н4БЛ в ходе окончательной термической обработки, а также значения ударной вязкости.
Таблица 2
Результаты мультифрактального исследования структуры
стали 09Х16Н4БЛ
Вид т/о (последо- Мультифрактальные параметры Механические А sT-ocm*
вательное прове- свойства, KCU, %
дение) кДж/м2
Do Di D2 D200 А200 f200
Закалка (1050 0С) 1,641 1,785 1,805 1,83 0,157 0,599 750 8
Холод (-70 0С) 1,802 1,880 1,91 1,96 0,193 0,450 720 5
Отпуск (600 0С) 1,644 1,802 1,82 1,85 0,124 0,712 820 12
Закалка (1050 0С) 1,763 1,826 1,85 1,91 0,188 0,40 710 9
Холод (-70 0С) 1,818 1,85 1,89 1,95 0,243 0,174 660 5
Отпуск (600 0С) 1,74 1,83 1,86 1,88 0,16 0,65 810 10
По данным табл. 2 видно, что мультифрактальные характеристики
псевдоспектров Do , D¡, D2, D200, А200, f200 коррелируют с показателями ударной вязкости термообработанной стали.
На основании исследований, проведённых в работе [4] можно утверждать, что мультифрактальные характеристики эффективно отражают структурный состав стали. Так характеристики D0, D¡, D2, D200 определяют содержание мартенсита в структуре, а А200, ^00 соответственно упорядоченность и однородность распределения мартенсита.
Увеличение значений показателей D0, D¡, D2, D200 говорит о росте доли мартенситной структуры, однако при этом её распределение становится менее упорядоченным (увеличение А200), но более однородным (уменьшение ^00). Напомним, что расчёт вёлся на псевдоспектрах, появление которых объясняется тем, что они рассчитываются при малых масштабах разбиения изображения, где в первую очередь проявляется микронеоднородность структуры стали [1,2].
Увеличение количества мартенситной фазы и вместе с тем уменьшение количества остаточного аустенита способствует уменьшению ударной вязкости, что фиксируется мультифрактальными параметрами структуры (таблица 2, рис. 2).
в
Рис. 2. Корреляция ударной вязкости с мультифрактальными характеристиками однородности f2oo (а) при КСи= 596+299^00; Я2=0,90, упорядоченности Л200 (б) при КСи= 995-1407А200; Я2=0,82, фрактальной размерности D0 (в) при KCU=¡732-569D0; Я =0,75
Термин «отпуск» для данной термической обработки ошибочен: для стали 09Х16Н4БЛ температура Ас1= 575 °С [5], а следовательно, нагрев до 600 0С является закалкой из межкритического температурного интервала, а значит это может сопровождаться увеличением количества остаточного аустенита, что было подтверждено результатами фазового магнитного и рентгеноструктурного анализа проведённого на установке ДРОН-2 в СоКа излучении (табл. 2).
Результаты, приведённые в табл. 2 и на рис. 2 показывают, что мультифрактальные характеристики отслеживают структурные изменения происходящие в стали 09Х16Н4БЛ, а именно зависят от процентного содержания остаточной аустенитной фазы. Получено, что увеличение количества остаточного аустенита, сопровождается повышением ударной вязкости стали, что не противоречит полученным ранее результатам [6].
В ходе исследований была получена линейная корреляция между значениями ударной вязкости и мультифрактальными характеристиками (рис. 2).
Таким образом, в данной работе была проведена апробация метода мультифрактальной параметризации для количественного описания структурного состояния сплава при определённой термической обработке, которая показала, что с помощью мультифрактальной параметризации можно определять не только фрактальную размерность, но и характеристики упорядоченности и однородности распределения фаз в структуре, а именно аустенита остаточного и мартенсита.
Список литературы
1. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Бунин И.Ж. Введение в мультиф-рактальную параметризацию структур материалов. М.-Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. 116с.
2. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Терентьев В.Ф. Методология мультифрактальной параметризации структур материалов // Вестник ВГТУ. Сер. Материаловедение, 1999, Вып.6, с.46-52.
3. Встовский Г.В. Фрактальная параметризация структур в металлах и сплавах: дис. ... д-ра физ.-мат. наук. М., 2001. 257с.
4. Кривоносова Е. А., Рудакова О. А., Встовский Г. В. Мультифрак-тальный анализ структурного состава зоны термического влияния сталей с карбонитридным упрочнением // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. № 6. С. 26-30.
5. Гринберг Е.М., Гончаров С.С., Маркова Е.В. Влияние режимов термической обработки на количество остаточного аустенита в стали 09Х16Н4БЛ // Изв. ТулГУ. Технические науки. Вып. 6 Ч. 2 часть, 2011. С. 280-285.
6. Садовский В.Д., Фокина К.А. Остаточный аустенит в закалённой
стали. М.: Наука, 1986. 82с.
E.M.Grinberg, E.V. Markova, N.B. Fomicheva
MULTIFRACTAL ANALYSIS OF THE STRUCTURE OF THE CORROSION-RESISTANT STEEL AFTER VARIOUS STAGES OF HEAT TREATMENT
Multifractal parametrization used to assess the quantitative description of the heterogeneity of the structures, which in contrast to traditional methods of describing structure provides great opportunity to identify the complex structure of steel, as well as descriptions of materials with undifferent or hard different structural features.
Key words: quenching, tempering, homogeneity, regularity, cold treatment, the residual austenite, pseudospectra.
Получено 20.07.12
УДК 621.83.05
Д. А. Насонов, канд. техн. наук, доц., 8-910-547-86-11, [email protected] (Россия, Калуга, КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана), М. Ю. Леонтьев, канд. техн. наук, доц., 8-910-592-13-82, newell-kaluga@mail.ги (Россия, Калуга, КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана)
К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОДИЛА ПЛАНЕТАРНОГО РЕДУКТОРА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Сформулирована задача определения погрешностей изготовления водила планетарного редуктора по результатам их косвенных измерений и обоснована ее актуальность. Выведены основные соотношения, связывающие результаты измерений и искомые величины - фактические координаты центров расточек в водиле под сателлиты и опорные шейки. Полученная система уравнений относится к разряду некорректно заданных задач. Предложен и программно реализован алгоритм её решения.
Ключевые слова: планетарный редуктор, математическое моделирование, некорректно заданные задачи.
Требования по уровням вибрации и шума, предъявляемые к редукторам главных судовых турбозубчатых агрегатов (ГТЗА), непрерывно ужесточаются. Основным источником возбуждения колебаний в редукторах ГТЗА является процесс пересопряжения зубьев. В зубчатых планетарных механизмах, широко используемых в качестве редукторов судовых ГТЗА [1], интенсивность этого источника во многом определяется погрешностями изготовления и сборки сателлитных узлов [2].
В работе [3] было предложено в процессе сборки редуктора минимизировать указанные погрешности посредством регулировки расположе-
