Застосування фрактального аналізу до вивчення зон зварного з’єднання із сталі 09Г2С

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorШтофель, Ольга Олександрівна
dc.contributor.authorМарковська, Софія Дмитрівна
dc.date.accessioned2026-01-08T11:31:57Z
dc.date.available2026-01-08T11:31:57Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractСучасне машинобудування, енергетика та зварювальні технології потребують матеріалів із прогнозованими механічними властивостями. Ці властивості визначаються не лише хімічним складом, а й структурними параметрами металу — розміром і формою зерен, наявністю пор та включень. Оскільки мікроструктура металів має складну, багаторівневу організацію, традиційні методи аналізу не завжди дають повну кількісну оцінку. Застосування фрактального аналізу дозволяє описати складність і неоднорідність структури, визначити зв’язок між фрактальними параметрами та механічними характеристиками металу, що робить цей підхід актуальним для оцінювання якості та прогнозування властивостей металу зварних швів. Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами Робота виконана в межах тематичного напряму наукової групи кафедри загальної фізики та моделювання фізичних процесів ФМФ КПІ імені Ігоря Сікорського, узгодженого з дослідженнями Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України щодо фрактальної параметризації структур зварних з’єднань. Об’єкт дослідження зварний зразок металу зі сталі 09Г2С. Предмет дослідження взаємозв’язок між механічними, хімічними та фрактальними характеристиками у різних зонах зварного з’єднання. Мета роботи дослідження структури зон зварного з’єднання зі сталі 09Г2С методом фрактального аналізу та встановити зв’язок фрактальної розмірності з механічними властивостями матеріалу. Методи дослідження 1) Короткочасні випробування зразків зварного з’єднання на одновісний розтяг були виконані при кімнатній температурі на установці Instron 8802 згідно ДСТУ ISO 6892-1:2019. 2) Випробування на ударний вигин проведено згідно зі стандартом ISO 14556-2000 на вертикальному інструментальному маятниковому копрі ИО 5003-0,3.8 3) Хімічний аналіз для визначення елементного складу металу досліджуваних зразків зварного з’єднання здійснено на рентгенфлуоресцентному спектрометрі та засобами детектора електроного мікроскопа TESCAN VEGA 4) Металографічні дослідження мікроструктури шліфів здійснено на мікроскопі NEOPHOT-32 зі застосуванням цифрової фотокамери OLYMPUS та на електроному мікроскопі TESCAN VEGA 3. Задачі дослідження 1) Здійснити теоретичний аналіз наукових першоджерел для формування теоретичних засад фрактального аналізу структур металів: поняття самоподібності, фрактальної розмірності та методів її визначення; узагальнити існуючі підходи до оцінювання фрактальних параметрів у матеріалознавстві та зварювальній металургії. Проаналізувати результати інших авторів щодо впливу структурних та фрактальних характеристик металу зварних швів на його механічні властивості. 2) Дослідити процес отримання зразків зі сталі 09Г2С, їх підготовку до металографічного аналізу, встановити структурні, механічні та хімічні характеристики. 3) Дослідити зв’язок структурних параметрів із механічними характеристиками зразків зі сталі 09Г2С у різних зонах зварного з’єднання (зона сплавлення, зона термічного впливу, основний метал). Визначити кореляції між механічними, хімічними, фрактальними та структурними параметрами. 4) Здійснити теоретичний аналіз підходів до вивчення структурних складових металу та охарактеризувати роль меж зерен та неметалічних включень, які впливають на механічні характеристики матеріалу. Оцінити чутливість фрактальної розмірності до локальних неоднорідностей мікроструктури. Наукова новизна одержаних результатів Встановлено для зварних з’єднань сталі 09Г2С кількісні кореляції між фрактальною розмірністю меж зерен і механічними властивостями: ударною в’язкістю, границями плинності та міцності. Виявлено, що зменшення фрактальної розмірності D у зоні термічного впливу відповідає зростанню крихкості металу, тоді як більш розгалужена структура (вища D) асоціюється з підвищеною енергоємністю руйнування. Отримані закономірності узагальнено у вигляді емпіричних залежностей, придатних для прогнозування властивостей зварних швів. Практичне значення одержаних результатів Результати можуть бути використані для оцінювання якості зварних з’єднань, оптимізації технологічних режимів зварювання та діагностики пошкоджень за фрактальними параметрами. Встановлені зв’язки між структурними й механічними характеристиками створюють основу для нових методів неруйнівного контролю з використанням фрактального аналізу.
dc.description.abstractotherModern mechanical engineering, energy sector, and welding technologies require materials with predictable mechanical properties. These properties are determined not only by the chemical composition but also by the structural parameters of the metal — the size and shape of grains, the presence of pores and inclusions. Since the microstructure of metals has a complex, multi-level organization, traditional methods of analysis do not always provide a complete quantitative assessment. The application of fractal analysis makes it possible to describe the complexity and heterogeneity of the structure, to determine the relationship between fractal parameters and the mechanical characteristics of the metal, which makes this approach relevant for evaluating quality and predicting the properties of welded metal joints. Relationship of work with scientific programs, plans, themes the work was carried out within the thematic direction of the scientific group of the Department of General Physics and Modeling of Physical Processes of the Faculty of Physics and Mathematics of the Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, coordinated with the research of the E.O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine regarding the fractal parameterization of welded joint structures. Object of research welded metal sample made of steel 09G2C. Subject of research interrelation between mechanical, chemical, and fractal characteristics in different zones of the welded joint. Purpose of work investigation the structure of the welded joint zones of 09G2C steel by the method of fractal analysis and to establish the relationship of the fractal dimension with the mechanical properties of the material. Research methods 1) Short-term uniaxial tensile tests of welded joint samples were carried out at room temperature using the Instron 8802 testing machine in accordance with DSTU ISO 6892-1:2019. 2) Impact bending tests were carried out according to ISO 14556-2000 on the vertical instrumental pendulum impact testing machine IO 5003-0.3.12 3) Chemical analysis to determine the elemental composition of the metal in the studied welded joint samples was performed using an X-ray fluorescence spectrometer and the tools of the TESCAN VEGA 3 electron microscope detector. 4) Metallographic studies of the microstructure of polished sections were carried out using a NEOPHOT-32 microscope with a digital OLYMPUS camera and a TESCAN VEGA 3 electron microscope. Tasks of research 1. To carry out a theoretical analysis of scientific primary sources in order to form the theoretical foundations of fractal analysis of metal structures: the concept of selfsimilarity, fractal dimension, and methods of its determination; to summarize existing approaches to the evaluation of fractal parameters in materials science and welding metallurgy. To analyze the results of other authors regarding the influence of structural and fractal characteristics of welded metal joints on their mechanical properties. 2. To study the process of obtaining 09G2C steel samples, their preparation for metallographic analysis, and to establish structural, mechanical, and chemical characteristics. 3. To investigate the relationship between structural parameters and mechanical characteristics of 09G2C steel samples in different zones of the welded joint (fusion zone, heat-affected zone, base metal). To determine correlations between mechanical, chemical, fractal, and structural parameters. 4. To carry out a theoretical analysis of approaches to studying the structural components of metal and to characterize the role of grain boundaries and non-metallic inclusions that affect the mechanical characteristics of the material. To evaluate the sensitivity of the fractal dimension to local heterogeneities of the microstructure. Scientific novelty of the results For the first time, quantitative correlations between the fractal dimension of grain boundaries and mechanical properties — impact toughness, yield strength, and ultimate strength — have been established for welded joints of 09G2C steel. It was found that a decrease in fractal dimension D in the heat affected zone corresponds to an increase in the brittleness of the metal, while a more branched structure (higher D) is associated with higher fracture energy capacity. The obtained patterns are generalized in the form of empirical dependencies suitable for predicting the properties of welded joints. The practical significance of the results The results can be used for evaluating the quality of welded joints, optimizing welding process regimes, and diagnosing damage based on fractal parameters. The established relationships between structural and mechanical characteristics form the basis for new methods of non-destructive testing using fractal analysis.
dc.format.extent82 с.
dc.identifier.citationМарковська, С. Д. Застосування фрактального аналізу до вивчення зон зварного з’єднання із сталі 09Г2С : магістерська дис. : 104 Фізика та астрономія / Марковська Софія Дмитрівна. – Київ, 2025. – 82 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/77983
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectфрактал
dc.subjectфрактальний аналіз
dc.subjectфрактальна розмірність
dc.subjectмікроструктура
dc.subjectзони зварного з’єднання
dc.subjectзони термічного впливу
dc.subjectметалографія
dc.subjectметоди дослідження
dc.subjectfractal
dc.subjectfractal analysis
dc.subjectfractal dimension
dc.subjectmicrostructure
dc.subjectwelded joint zones
dc.subjectheat-affected zones
dc.subjectmetallography
dc.subjectresearch methods
dc.subject.udc62-405, 539.5, 5 3.08, 519.711:53.072
dc.titleЗастосування фрактального аналізу до вивчення зон зварного з’єднання із сталі 09Г2С
dc.typeMaster Thesis

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Markovska_magistr.pdf
Розмір:
3.09 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Магістерські роботи (КЗФМФП)
Магістерські роботи