ДОСЛІДЖЕННЯ МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ ЗМІНИ СТРУКТУРИ СТАЛІ МАШИНОБУДІВНИХ КОНСТРУКЦІЙ ПІСЛЯ ТЕРМІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ

О. Фомiн; О. Бурлуцький; О. Черкашин; І. Родіонов

doi:10.32782/2522-1221-2025-41-01

О. Фомiн Державний унiверситет iнфраструктури та технологiй https://orcid.org/0000-0003-2387-9946
О. Бурлуцький Український державний університет залізничного транспорту https://orcid.org/0000-0003-1902-5809
О. Черкашин Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля https://orcid.org/0009-0006-6871-0860
І. Родіонов Державний унiверситет iнфраструктури та технологiй

DOI: https://doi.org/10.32782/2522-1221-2025-41-01

Ключові слова: машинобудівні конструкції, залізничний транспорт, вагон, маловуглецева низьколегована сталь, фазові перетворення, структура металу, термокінетична діаграма, надійність, механіка, математичні моделі

Анотація

У машинобудуванні існує низка завдань, у яких необхідно прогнозувати структуру сталі після термічного впливу. Для прогнозування властивостей і структури сталі необхідне дослідження структурних перетворень у сталі під час термічного навантаження. Розвиток сучасних обчислювальних методів і техніки дають змогу виконувати високоточні розрахунки складних процесів, зокрема процесів обробки металів тиском. Актуальним аспектом є застосування таких підходів, які з достатньою точністю описують структурні перетворення, що відбуваються в металі. Це є підставою для використання сучасних чисельних методів моделювання та комп'ютерних програм, що дають змогу розраховувати і прогнозувати структурно-фазовий склад оброблюваних сталей. У статті розглянуто сучасні математичні моделі для прогнозування еволюції мікроструктури сталі в процесі термомеханічного навантаження, проаналізовані математичні моделі для машинобудівних конструкцій, представлено результати чисельного моделювання еволюції мікроструктури сталі 09Г2С як найбільш розповсюдженої сталі для несівних систем вантажних вагонів. Метод JMAK базується на обчисленні частки рекристалізованих зерен і середнього розміру зерна через характеристики матеріалу, деформацію, швидкість деформації, температуру та чаp. Цей метод дає змогу отримувати інформацію про процеси рекристалізації та зростання зерен під час термомеханічної обробки заготовки. У статті показано можливість застосування програмного забезпечення JMatPro для моделювання еволюції мікроструктури. На основі моделі Джонсона-Мела-Аврамі-Колмогорова під час гарячої пластичної деформації. Розраховано середній розмір рекристалізованих зерен і їхню об'ємну частку в процесі динамічної рекристалізації. Наведено результати термокінетичного розрахунку фазового складу сталі у рівноважному стані, побудовано термокінетичні та ізотермічні діаграми. Отримані результати можуть бути використані для проектування технологічних процесів виробництва виробів різного призначення, що базуються на різних видах термодеформаційного впливу.

Посилання

1. Бурлуцький О. В., Фомін О. В., Ткаченко В. П. Формалізація структурно речових перетворень в несучих системах вантажних вагонів у результаті термічних впливів у процесі зварювальних і правочних робіт , Зб. наук. праць Державного економіко-технологічного університету транспорту, Київ: ДЕТУТ, 2016. № 29. 54-71 c.
2. Волчук В. М., Штанденко М. P. Математична модель прогнозу якості металу, Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, 2018 , № 2. 31-35 c.
3. Ахонін P.В. , Березос В.О., Бондар О. І., Глухенький О. І., Гориславець Ю.М. Северин А. Ю. Математичне моделювання гідродинамічних та теплових процесів при кристалізації титанових зливків ЕПП, Сучасна електрометалургія, 2021. № 1. P. 27-34 c.
4. Волчук В. М. Сізова О. Р. До прогнозу механічних властивостей металу, Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. 2018. № 4. 25-29 c.
5. Лабораторний практикум з технології конструкційних матеріалів і матеріалознавства: Навч. Посібник / А.P. Опальчук, О.О. Котречко, Л.Л. Роговський, за заг. ред. А.P. Опальчука. Київ, Вища освіта, 2016. 287 p.
6. Основи матеріалознавства і конструкційні матеріали : посібник /А. П. Пахолюк, О. А. Пахолюк. Львів : Світ, 2015. 172 p.
7. Фомін О.В., Бурлуцький О.В., Особливості методики визначення втомної довговічності напіввагона з урахуванням експлуатаційних ушкоджень, Східно-Європейський журнал передових технологій, 2013, Вип. 2/7. 12-16 p.
8. Фомін О.В., Логвіненко О.А., Бурлуцький О.В., Шелест Д.А., Фоміна А.М., Математичне моделювання процесу термічної правки балки хребтової вантажних вагонів-платформ , Вісник Східноукраїнського національного, 2019. № 3(251). 186-190 p.
9. Чухліб В. Л., Губський P. О., Окунь А. О., Формалізовані підходи до визначення числа технологічних переходів при виробництві гнутих профілів , Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Сер. : зб. наук. пр. – Харків : НТУ "ХПІ", 2020. № 2. 169-173 p.
10. Губський C.О., Чухліб В.Л., Біба М.В. Моделювання формоутворення гнутого профілю зі змінним перерізом : зб. наук. пр. , Харків : НТУ "ХПІ", 2022 №1, 80-84 p.
11. Матеріалознавство : підручник за заг. ред. проф. P. P. Дяченко, Харків : ХНАДУ, 2017. 440 p.
12. Металознавство підручник Черненко В. P., за заг. ред. Бялік О. М., ІВЦ Видавництво “Політехніка”, 2015. 384 p.
13. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство: Підручник. за заг. ред. Попович В.В., Львів: Світ, 2016.624 p..
14. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів: навчальний посібник, Хільчевський В. В., Кондратюк P. Є., Либідь, 2015. P. 328 p.
15. Avrami M. Kinetics of phase change. II: transformation–time relations for random distribution of nuclei , Journal of Chemical Physics. 1940. Vol. 8. 212 р.
16. Металознавство і термічна обробка зварних з’єднань. підруч. для студ. вищих навч. /Єфіменко М.Г., Радзіілова Н.О., Харків. 2003. 488 p.
17. Saunders N., Guo Z., Li X., Miodownik A.P., Schillé J-Ph. Using JMatPro to Model Materials Properties and Behavior. JOM, 55. 2003. № 12. 60-65 р.
18. Tongwen H., Chengshang Z. A Surface Diffusion Controlled Johnson-Mehl-Avrami-Kolomogorov Model for Hydrogenation of Mg-based Alloys. July 2023 The Journal of Physical Chemistry 127-28 р.
19. Johnson W.A., Mehl R.T. Reaction kinetics in processes of nucleation and growth , Trans AIME 1939.Vol. 185. 416–442 р.
20. Gorobchenko O., Fomin O., Gritsuk I., Saravas V., Grytsuk Y., Bulgakov M., Volodarets M. and Zinchenko D. Intelligent Locomotive Decision Support System Structure Development and Operation Quality Assessment. IEEE 3rd International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS). Kharkiv, Ukraine. 2018. 239-243 р. doi:10.1109/IEPS.2018.8559487
21. Kolmogorov A.N. On the Statistical Theory of Crystallization of Metals, Izv. Akad. Nauk SSSR, Ser. Mat. 1937. Vol. 3. 355–359 р.
22. Целиков А.І., Полухін П.І., Гребеник В.М., Ф.К. Іванченко, М.А. Тилкін, В.І. Зюзін. Машини та агрегати для виробництва та оздоблення прокату, М.: Металургія, 1987. 480 p.