Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород, Россия:

Ю. Г. Кабалдин, профессор кафедры «Технология и оборудование машиностроения» Института промышленных технологий машиностроения (ИПТМ), докт. техн. наук
М. С. Аносов, доцент кафедры «Технология и оборудование машиностроения» ИПТМ, канд. техн. наук, эл. почта: anosov-maksim@list.ru
М. А. Чернигин, инженер кафедры «Технология и оборудование машиностроения» ИПТМ, аспирант, эл. почта: honeybadger52@yandex.ru

Проведено исследование особенностей накопления структурной поврежденности сплавов Св-09Г2С и Св-07Х25Н13, полученных путем аддитивной электродуговой наплавки. Для оценки накопления повреждений в процессе усталостного нагружения проведена серия микроструктурных исследований с последующим фрактальным анализом полученных микроструктур на различных этапах испытания и при разных амплитудах напряжений в цикле. В процессе усталостного нагружения в микроструктуре анализируемых сплавов наблюдается появление большого числа полос скольжения уже на начальных этапах испытания, после чего их число и общая площадь увеличиваются, что количественно показывает изменение фрактальной размерности изображения микроструктур. По результатам исследования установлено существенное влияние масштаба анализируемого изображения на результат оценки фрактальной размерности. Так, наиболее интенсивные структурные изменения наблюдаются на уровне отдельных, наиболее благоприятно расположенных зерен. В качестве критерия образования макротрещины для сплава Св-09Г2С могут быть приняты значения приращения фрактальной размерности изображения –0,0075, –0,009 и –0,0175 для увеличений ×100, ×200 и ×500 и более соответственно. Зарождение макротрещины наблюдалось при достижении значений фрактальной размерности изображения микроструктуры D_F = 1,863 ± 0,007. При анализе изменения фрактальной размерности сплава Св-07Х25Н13 установлено, что область, в которой в дальнейшем происходило зарождение микротрещин и наблюдалось появление макротрещины, имела наименьшие значения фрактальной размерности изображения. Зарождение макротрещины происходило при достижении значений фрактальной размерности изображения микроструктуры D_F = 1,87 ± 0,006, при этом масштаб изображения для исследуемого сплава практически не влияет на указанный критерий. Исходя из полученных данных, предложен алгоритм оценки структурной поврежденности с помощью показателя фрактальной размерности изображения микроструктуры сплавов, полученных на основе аддитивной наплавки. Данный алгоритм и программное обеспечение может быть использовано для оценки остаточного ресурса и стадии деформации и разрушения материалов.

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-79-00095 «Разработка научно-технологических основ структурообразования конструкционных материалов полученных путем аддитивного электродугового выращивания для формирования механических свойств при усталости с использованием подходов искусственного интеллекта».

1. Бородин А. Н., Бородин Е. М. Анализ неразрушающих методов контроля металлоконструкций // Научно-методический электронный журнал «Концепт». 2016. Т. 11. С. 2246–2250.
2. Абед Аль-Зобайде А. М., Чигарева Ю. А. Фрактальная модель накопления повреждений в твердых телах // Наука и техника. 2014. № 6. С. 42–48.
3. Яковлева С. П., Буслаева И. И., Махарова С. Н., Левин А. И. Структурная поврежденность пружинно-рессорной стали после эксплуатации в зоне холодного климата // Фундаментальные исследования. 2017. № 10-3. С. 530–535.
4. Терентьев В. Ф., Кораблева С. А. Усталость металлов. — М. : Наука, 2015. — 484 с.
5. Конева Н. А., Теплякова Л. А., Соснин О. В., Целлермаер В. В., Коваленко В. В. Дислокационные субструктуры и их трансформация при усталостном нагружении (обзор) // Известия вузов. Физика. 2002. № 3. С. 87–98.
6. Savenkov G. G., Barakhtin B. K. Relation of the fractal dimension of the fracture surface with a set of standard tensilon characteristics of the material // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2011. Vol. 52. P. 997–1003.
7. Carney L. R., Mecholsky J. J. Relationship between fracture toughness and fracture surface fractal dimension in AISI 4340 steel // Materials Sciences and Applications. 2013. Vol. 4. No. 4. DOI: 10.4236/msa.2013.44032
8. Иванова В. С., Баланкин А. С., Бунин И. Ж. и др. Синергетика и фракталы в материаловедении. — M. : Наука, 1994. — 384 с.
9. Hilders O. A., Zambrano N., Caballero R. Microstructure, strength, and fracture topography relations in AISI 316L stainless steel, as seen through a fractal approach and the hall-petch law // International Journal of Metals. 2015. Vol. 2015. 624653. DOI: 10.1155/2015/624653
10. Kabaldin Y. G., Anosov M. S., Shatagin D. A. Evaluation of the mechanism of the destruction of metals based on approaches of artificial intelligence and fractal analysis // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 709. 033076. DOI: 10.1088/1757-899X/709/3/033076
11. Williams S., Filomeno M., Adrian A., Ding Jialuo, Pardal G., Colegrove P. Wire+arc additive manufacturing // Materials Science and Technology. 2016. Vol. 32, Iss. 7. P. 641–647. DOI: 10.1179/1743284715Y.0000000073
12. Jackson M. A., Van Asten A., Morrow J. D., Min S., Pfefferkorn F. E. Energy consumption model for additive-subtractive manufacturing processes with case study // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. 2018. Vol. 5 (4). P. 459–466. DOI: 10.1007/s40684-018-0049-y
13. Pinto-Lopera J. E. et al. Real-time measurement of width and height of weld beads in GMAW processes // Sensors. 2016. Vol. 16, Iss. 9. 1500. DOI: 10.3390/s16091500
14. Johnnieew Zhong Li, Mohd Rizal Alkahari, Nor Ana Rosli. Review of wire arc additive manufacturing for 3D metal printing // International Journal of Automation Technology. 2019. Vol. 13. No. 3. P. 346–353. DOI: 10.20965/ijat.2019.p0346
15. Осколков А. А., Матвеев Е. В., Безукладников И. И., Трушников Д. Н., Кротова Е. Л. Передовые технологии аддитивного производства металлических изделий // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2018. Т. 20. № 3. С. 90–105. DOI: 10.15593/2224-9877/2018.3.11
16. Williams S. Large scale metal wire + arc additive manufacturing of structural engineering parts. WAAM. URL: https://waammat.com/documents/s-williams-large-scale-metal-wire-arc-additivemanufacturing-of-structural-engineering-parts (дата обращения : 12.01.2023).
17. WAAM vs machining from solid - a cost comparison. WAAM. URL: https://waammat.com/documents/waam-vs-machining-from-solid-a-costcomparison (дата обращения : 12.01.2023).
18. Cunningham C. R., Wikshåland S., Xu F. et al. Cost modelling and sensitivity analysis of wire and arc additive manufacturing // Procedia Manufacturing. 2017. Vol. 11. P. 650–657. DOI: 10.1016/j.promfg.2017.07.163
19. Кабалдин Ю. Г., Шатагин Д. А., Аносов М. С., Колчин П. В., Киселев А. В. Диагностика процесса 3D-печати на станке с ЧПУ с использованием подходов машинного обучения // Вестник машиностроения. 2021. № 1. С. 55–59.
20. Кабалдин Ю. Г., Аносов М. С., Шатагин Д. А., Рябов Д. А., Колчин П. В., Киселев А. В. Исследование влияния режимов 3D-печати на структуру и хладостойкость стали 08Г2С // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2021. Т. 19. № 4. С. 64–70. DOI: 10.18503/1995-2732-2021-19-4-64-70
21. Kim V. A., Mokritskii B. Y., Morozova A. V. Multifractal analysis of microstructures after laser treatment of steels // Solid State Phenomena. 2020. Vol. 299SSP. P. 926–932.
22. Кабалдин Ю. Г., Аносов М. С., Желонкин М. В., Шатагин Д. А., Михайлов А. М. Программа для оценки показателей микроструктуры и структурной поврежденности материалов. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2022676932, 12.09.2022. Заяв. № 2022366406 от 07.09.2022.
23. Kesireddy A., McCaslin S. Application of image processing techniques to the identification of phases in steel metallographic specimens // Elleithy K., Sobh T. (eds) New Trends in Networking, Computing, E-learning, Systems Sciences, and Engineering. Lecture Notes in Electrical Engineering. 2015. Vol. 312. P. 425–430. DOI: 10.1007/978-3-319-06764-3_53
24. Gadalov V. N., Bashkov O. V., Vornacheva I. V., Filonovich A. V. Digital image processing of metallographic microstructures in MATLAV environment // Methodology. 2015. No. 12 (21). P. 43–46.
25. ГОСТ 25.502–79. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. — Введ. 01.01.1981.
26. Gonchar A. V., Kurashkin K. V., Andreeva O. V., Anosov M. S., Klyushnikov V. A. Fatigue life prediction using acoustic birefringence and characteristics of persistent slip bands // Fatigue Fract Eng Mater Struct. 2022. No. 45 (1). P. 101–112. DOI: 10.1111/ffe.13586
27. Гончар А. В., Аносов М. С., Рябов Д. А. Оценка структурной деградации зоны термического влияния при усталостном разрушении сварного соединения // Дефектоскопия. 2022. № 9. С. 25–34. DOI: 10.31857/S0130308222090032