zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2021-87-9-59-67zldm-1493Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSИсследование малоцикловой усталости стали 12X18H10T на основе подходов фрактального анализа и искусственного интеллектаStudy of the low cycle fatigue of 12Cr18Ni10Ti steel based on fractal analysis and artificial intelligence approachesХлыбовА. А.KhlybovA. A.

Александр Анатольевич Хлыбов

603155, Нижний Новгород, Нижегородская обл., ул. Минина, д. 24

Alexander A. Khlybov

24, Minina ul., Nizhny Novgorod, 603950

hlybov_52@mail.ruКабалдинЮ. Г.KabaldinYu. G.

Юрий Георгиевич Кабалдин

603155, Нижний Новгород, Нижегородская обл., ул. Минина, д. 24

Yury G. Kabaldin

24, Minina ul., Nizhny Novgorod, 603950

 

АносовМ. С.AnosovM. S.

Максим Сергеевич Аносов

603155, Нижний Новгород, Нижегородская обл., ул. Минина, д. 24

Maksim S. Anosov

24, Minina ul., Nizhny Novgorod, 603950

 

РябовД. А.RyabovD. A.

Дмитрий Александрович Рябов

603155, Нижний Новгород, Нижегородская обл., ул. Минина, д. 24

Dmitry A. Ryabov

24, Minina ul., Nizhny Novgorod, 603950

ШатагинД. А.ShataginD. A.

Дмитрий Александрович Шатагин

603155, Нижний Новгород, Нижегородская обл., ул. Минина, д. 24

Dmitry A. Shatagin

24, Minina ul., Nizhny Novgorod, 603950

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. АлексееваРоссияR. E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical UniversityRussian FederationНижегородский государственный технический университет им. Р. Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical UniversityRussian Federation2021230920218795967Copyright © Хлыбов А.А., Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Рябов Д.А., Шатагин Д.А., 20212021Хлыбов А.А., Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Рябов Д.А., Шатагин Д.А.Khlybov A.A., Kabaldin Y.G., Anosov M.S., Ryabov D.A., Shatagin D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1493

Исследована эволюция структуры стали 12Х18Н10Т в процессе усталостного нагружения и оценен ее ресурс с использованием нейросетевого моделирования и подходов фрактального анализа микроструктуры. Разработан алгоритм обработки изображений микроструктур для улучшения их качества. В качестве количественного показателя оценки эволюции микроструктуры поверхностного слоя металла предложен показатель фрактальной размерности изображения. Проведена количественная оценка структур при различных амплитудах напряжений в широком диапазоне пониженных температур с использованием показателя фрактальной размерности, показана его связь с наработкой материала образца. Появление магистральной трещины наблюдали в диапазоне 0,7 - 0,8 от числа циклов до разрушения, после чего начиналось увеличение скорости ее роста. При пониженной температуре магистральная трещина возникала позже и фиксировали более высокую скорость ее роста в процессе дальнейшего нагружения. Образование вторичных фаз в аустенитной стали при пониженной температуре происходило на более ранних стадиях, чем при температуре t = +20 °C, что приводило к упрочнению материала. Разработана и обучена искусственная нейронная сеть (ИНС) оценки структурных изменений металла на основе показателя фрактальной размерности изображений микроструктур на различных стадиях усталостного нагружения. Нейронная сеть позволила с достаточно высокой точностью оценить количество циклов до разрушения образца и остаточный ресурс материала. Установлено, что разработанная ИНС может быть использована для оценки текущего состояния материала в широком диапазоне пониженных температур.

The evolution of the structure and assessment of the age limit of steel 12Cr18Ni10Ti upon fatigue loading is considered using neural network modeling and approaches of fractal analysis of the microstructure. An algorithm for processing images of the microstructures has been developed to improve their quality. An indicator of the fractal dimension of the image is used as a quantitative indicator for assessing the evolution of the microstructure of the surface metal layer. A quantitative assessment of the structures at different stress amplitudes is carried out in a wide range of low temperatures using the fractal dimension index. Correlation of the fractal dimension index with the run of the sample material is shown. The appearance of the main crack was observed in the range of 0.7 - 0.8 from the number of cycles to failure, after which the crack growth rate increased. At a lower temperature, the main crack is formed later, but further loading results in a higher crack growth rate. Formation of the secondary phases in austenitic steel at a lower temperature occurred at earlier stages than that at a temperature of t = +20°C, which led to hardening of the material. An artificial neural network (ANN) has been developed and trained for assessing structural changes in metal proceeding from the fractal dimensionality of the microstructure images at different stages of fatigue loading. The developed neural network made it possible to estimate with a sufficiently high accuracy the number of cycles before damage of the sample and the residual life of the material. Thus, the developed ANN can be used to assess the current state of the material in a wide range of low temperatures.

сталь 12Х18Н10Тмикроструктурафрактальная размерностьпониженные температурыискусственный интеллекттрещинакарбидыsteel 12Cr18Ni10Timicrostructurefractal dimensionlow temperaturesartificial intelligencecrackcarbidesИсследование выполнено по гранту РНФ № 19-19-00332ReferencesТерентьев В. Ф., Кораблева С. А. Усталость металлов. — М.: Наука, 2015. — 484 с.Terent’ev V. F., Korableva S. A. Fatigue of metals. — Moscow: Nauka, 2015. — 484 p. [in Russian].Финкель В. М. Физика разрушения: рост трещин в твердых телах. — М.: Металлургия, 1970. — 376 с.Finkel V. M. Physics of destruction: growth of cracks in solid bodies. — Moscow: Metallurgiya, 1970. — 376 p. [in Russian].Cui W., Huang X., Wang F. Current Understanding of Fatigue Mechanisms of Metals / Towards a Unified Fatigue Life Prediction Method for Marine Structures. Advanced Topics in Science and Technology in China. — Berlin - Heidelberg: Springer, 2014. DOI: 10.1007/978-3-642-41831-0_2Cui W., Huang X., Wang F. Current Understanding of Fatigue Mechanisms of Metals / Towards a Unified Fatigue Life Prediction Method for Marine Structures. Advanced Topics in Science and Technology in China. — Berlin - Heidelberg: Springer, 2014. DOI: 10.1007/978-3-642-41831-0_2Polak J., Petras R., Mazanova V Basic Mechanisms Leading to Fatigue Failure of Structural Materials / Trans. Indian Inst. Met. 2016. Vol. 69. P.289-294. DOI: 10.1007/s12666-015-0753-zPolak J., Petras R., Mazanova V. Basic Mechanisms Leading to Fatigue Failure of Structural Materials / Trans. Indian Inst. Met. 2016. Vol. 69. P 289-294. DOI: 10.1007/s12666-015-0753-zKhlybov A. A., Kabaldin Yu. G., Anosov M. S., et al. The effect of low temperatures on the operability of products 20GL steel / Journal of Physics: Conference Series. VIII International Conference “Deformation and Fracture of Materials and Nanomaterials”. 2020. 012063. DOI: 10.1088/1742-6596/1431/1/012063Khlybov A. A., Kabaldin Yu. G., Anosov M. S., et al. The effect of low temperatures on the operability of products 20GL steel / Journal of Physics: Conference Series. VIII International Conference “Deformation and Fracture of Materials and Nanomaterials”. 2020. 012063. DOI: 10.1088/1742-6596/1431/1/012063Конева H. А., Теплякова Л. А., Соснин О. В., Целермаер В. В., Коваленко В. В. Дислокационные субструктуры и их трансформация при усталостном нагружении / Изв. вузов. Физика. 2002. № 3. С. 87 - 98.Koneva N. A., Teplyakova L. A., Sosnin O. V., Tselermaer V. V., Kovalenko V. V. Dislocation substructures and their transformation under fatigue loading / Izv. Vuzov. Fiz. 2002. N 3. P. 87 - 98 [in Russian].Савенков Г. Г., Барахтин Б. К. Связь фрактальной размерности поверхности разрушения с комплексом стандартных характеристик материала на растяжение / ПМТФ. 2011. Т. 52. № 6. С. 177 - 184.Savenkov G. G., Barakhtin B. K. Relationship between the fractal dimension of the fracture surface and the complex of standard characteristics of the material in tension / PMTF. 2011. Vol. 52. N6.P 177 - 184 [in Russian].Carney L. R. and Mecholsky J. J. Relationship between Fracture Toughness and Fracture Surface Fractal Dimension in AISI 4340 Steel / Mater. Sci. Appl. 2013. Vol. 4. N 04. DOI: 10.4236/msa.2013.44032Carney L. R. and Mecholsky J. J. Relationship between Fracture Toughness and Fracture Surface Fractal Dimension in AISI 4340 Steel / Mater. Sci. Appl. 2013. Vol. 4. N 04. DOI: 10.4236/msa.2013.44032Иванова В. С., Баланкин А. С., Бунин И. Ж. и др. Синергетика и фракталы в материаловедении. — М.: Наука, 1994. — 384 с.Ivanova V. S., Balankin A. S., Bunin I. Zh., et al. Synergetics and fractals in materials science. — Moscow: Nauka, 1994. — 384 p. [in Russian].Кузнецов П. В., Петракова И. В., Шрайбер Ю. Фрактальная размерность как характеристика усталости поликристаллов металлов / Физ. Мезомех. 2004. Т. 7. № Спец 1. С. 389 - 392.Kuznetsov P. V, Petrakova I. V., Shreiber Yu. Fractal dimension as a characteristic of fatigue of metal polycrystals / Fiz. Mezomekh. 2004. Vol. 7. N Special 1. P 389 - 392 [in Russian].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 / Int. J. Met. 2015. Vol. 2015. P. 10. Article ID 624653. DOI: 10.1155/2015/624653Hilders 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 / Int. J. Met. 2015. Vol. 2015. P. 10. Article ID 624653. DOI: 10.1155/2015/624653Kim V. A., Mokritskii B. Y., Morozova A. V. Multifractal analysis of microstructures after laser treatment of steels / Solid State Phen. 2020. Vol. 299SSP P 926 - 932.Kim V. A., Mokritskii B. Y., Morozova A. V. Multifractal analysis of microstructures after laser treatment of steels / Solid State Phen. 2020. Vol. 299SSP P 926 - 932.Сагарадзе В. В., Уваров А. И. Упрочнение и свойства аустенитных сталей. — Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2013. — 720 с.Sagaradze V. V, Uvarov A. I. Hardening and properties of austenitic steels. — Yekaterinburg: RIO UrO RAN, 2013. — 720 p. [in Russian].Ким В. А., Башков О. В., Попкова А. А. и др. Основы количественной и компьютерной металлографии: учебное пособие. — Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2013. — 133 с.Kim V. A., Bashkov O. V, Popkova A. A., et al. Fundamentals of quantitative and computer metallography: a tutorial. — Komsomolsk-on-Amur: KnAGTU. 2013. — 133 p. [in Russian].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. Vol. 312. — Springer, 2015. DOI: 10.1007/978-3-319-06764-3_53Kesireddy 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. Vol. 312. — Springer, 2015. DOI: 10.1007/978-3-319-06764-3_53Гадалов В. H., Башков О. В., Ворначева И. В., Филонович А. В. Цифровая обработка изображений металлографических микроструктур в среде MATLAB. Методика / Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). 2015. № 12(21). С. 43 - 46.Gadalov V. N., Bashkov O. V., Vornacheva I. V., Filonovich A. V. Digital processing of images of metallographic microstructures in MATLAB environment. Methodology / Evraz. Soyuz Uch. (ESU). 2015. N 12(21). P. 43 - 46 [in Russian].Vedom. SPbPU. Estestv. Inzh. Nauki. 2019. Vol. 25. N 4. P. 83 - 93 [in Russian]. DOI: 10.18721/JEST.25407Кабалдин Ю. Г., Аносов М. С., Шатагин Д. А. и др. Механизмы усталостного разрушения материалов при низких температурах / Вестник машиностроения. 2017. № 7. С. 51 - 58.Kabaldin Yu. G., Anosov M. S., Shatagin D. A., et al. Mechanisms of fatigue destruction of materials at low temperatures / Vestn. Mashinostr. 2017. N 7. P 51 - 58 [in Russian].Вологжанина С. А., Иголкин А. Ф., Петкова А. П. Исследование влияния низких температур и деформаций на свойства аустенитной стали 12Х18Н10Т / Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019. Т. 25. № 4. С. 83 - 93. DOI: 10.18721/JEST.25407Vologzhanina S. A., Igolkin A. F., Petkova A. P. Investigation of the effect of low temperatures and deformations on the properties of austenitic steel 12Cr18Ni10Ti / Nauch.-Tekhn.Снежной Г. В., Ольшанецкий В. Е. Об особенностях образования и трансформации е-мартенсита при пластической деформации аустенитных хромоникелевых сталей / Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. 2016. № 2. С. 43 - 49.Snezhnoy G. V, Olshanetsky V. E. On the peculiarities of the formation and transformation of e-martensite during plastic deformation of austenitic chromium-nickel steels / Nov. Mater. Tekhnol. Metallurg. Mashinostr. 2016. N 2. P 43 - 49 [in Russian].Солнцев Ю. П., Вологжанина С. А., Иголкин А. Ф. Материаловедение: Учебник. — М.: Академия, 2016. — 288 с.Solntsev Yu. P., Vologzhanina S. A., Igolkin A. F. Materials science: textbook. — Moscow: Akademiya, 2016. — 288 p. [in Russian]Котречко С. А. Локальный подход к анализу хрупкого разрушения и его физическая интерпретация / Проблемы прочности. 2003. № 4. С. 14 - 31.Kotrechko S. A. Local approach to the analysis of brittle fracture and its physical interpretation / Probl. Prochn. 2003. N 4. P. 14 - 31 [in Russian]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.