ПРОГНОЗУВАННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТАЛІ 40ХМФА НА ОСНОВІ МУЛЬТИФРАКТАЛЬНОГО АНАЛІЗУ МІКРОСТРУКТУРИ

Анотація

Мета роботи. Метою дослідження є розробка та наукове обґрунтування методу кількісної оцінки й прогнозування механічних властивостей (межі міцності на розрив, межі текучості, відносного подовження) та стійкості до сірководневого корозійно-механічного руйнування сталі 40ХМФА на основі мультифрактального аналізу параметрів її бейнітно-мартенситної мікроструктури після різних режимів термічної обробки.

Методи дослідження. Дослідження проводили на сталі 40ХМФА (0,42 % C; 0,87 % Cr; 0,25 % Mo; 0,14 % V). Зразки піддавали гартуванню з 860 °C в олії з подальшим високим відпуском у діапазоні температур 660–740 °C (крок 20 °C) з витримками 5, 30, 60 та 90 хвилин. Механічні випробування включали статичний розтяг на стандартних циліндричних зразках, визначення ударної в’язкості на зразках Шарпі з V-подібним надрізом та вимірювання твердості за методами Роквелла і Віккерса. Мікроструктурний аналіз виконували за допомогою оптичної металографії після механічного шліфування, полірування, електролітичного полірування та травлення в 4 % ніталі. Мультифрактальний аналіз зображень мікроструктури здійснювали шляхом розрахунку узагальнених розмірностей Реньї (Dq), спектру сингулярностей f(α) та похідних параметрів: D₀, Δ, K і ширини спектру Δf(α) окремо для бейнітної та мартенситної складових. Стійкість до сірководневого розтріскування оцінювали відповідно до стандартизованих методик у середовищі, насиченому H₂S.

Отримані результати. Зі збільшенням температури та тривалості відпуску спостерігається закономірне зниження міцнісних характеристик (σ_в і σ_t) та зростання пластичності (δ₅). Мультифрактальні параметри чутливо відображають еволюцію мікроструктури: зменшення D₀ сприяє покращенню пластичності, а зростання параметрів Δ та K — підвищенню опору пластичній деформації. Розроблено регресійні моделі з високими коефіцієнтами детермінації (R² = 0,86–0,95), які дозволяють достовірно прогнозувати механічні властивості виключно за мультифрактальними характеристиками мікроструктури. Показано, що тривалий відпуск при 700 °C зберігає ацикулярну морфологію, але супроводжується коагуляційним ростом карбідних частинок.

Наукова новизна. Наукова новизна роботи полягає в першому системному застосуванні мультифрактального аналізу для кількісної характеристики бейнітно-мартенситної мікроструктури сталі 40ХМФА з метою прогнозування її механічних властивостей і стійкості до сірководневого корозійно-механічного руйнування. Вперше встановлено кількісні кореляції між параметрами D₀, Δ, K, Δf(α) та показниками міцності й пластичності, а також розроблено регресійні залежності, які дозволяють проводити безруйнівну оцінку властивостей матеріалу. Доведено вищу інформативність мультифрактального підходу порівняно з традиційними методами кількісної металографії при аналізі субструктурних змін.

Практична цінність. Розроблений мультифрактальний метод і регресійні моделі можуть бути використані для створення цифрових систем безруйнівного контролю якості та прогнозування довговічності трубопроводів і елементів конструкцій, що працюють в агресивних сірководневих середовищах нафтогазової та атомної енергетики. Запропонований оптимальний режим термічної обробки - гартування з 860 °C в олії з подальшим відпуском при (700 ± 10) °C протягом 90 хвилин - забезпечує раціональний баланс міцності, пластичності та корозійної стійкості сталі 40ХМФА. Це дає змогу скоротити обсяг руйнівних механічних випробувань у виробництві труб подвійного призначення.