Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні

ВПЛИВ УМОВ ДЕГРАДАЦІЇ АУСТЕНІТУ НА ВЛАСТИВОСТІ СТАЛІ 20

Ігор Вакуленко — 2026-04-09

Мета роботи. Досліджено характер зміни властивостей термічно зміцненого бунтового прокату зі сталі 20 залежно від механізму деградації аустеніту.

Методи дослідження. Матеріалом для дослідження обраний дріт діаметром 3 мм з низьковуглецевої сталі, з 0,22 % С, 0,46 % Mn, 0,088 % Si, 0,1 % Cr, 0,03 % S, 0,012 % P. Різний структурний стан сталі отримували після певної обробки. Зразки довжиною 0,3 м піддавали аустенітизації при температурі 920 °С протягом 8 хв, ізотермічно витримували 10 хв, при температурах 650 – 200 °С та піддавали відпуску при температурі ізотермічного перетворення тривалістю 60 хв. Мікроструктуру досліджували з використанням світлової і електронної мікроскопії на просвіт. Розміри структурного елемента визначали за методиками кількісної металографії. Механічні властивості визначали за аналізом кривих розтягу за кімнатної температури та швидкості деформації 10^-3 с^-1.

Отримані результати. Зміна структури і властивостей в більший мірі визначаються механізмом перетворення аустеніту за ізотермічних умов. За дифузійного перетворення аустеніту, диспергування фазових складових супроводжується зростанням пересичення твердого розчину на вуглець. Для області проміжного перетворення додається ще зміна фазового складу сталі. Наступний відпуск визначає кінетику та ступінь завершення процесів структуроутворення термічно зміцненого бунтового прокату. За низьких температур відпуску сталі зі структурою бейніту, зміцнення обумовлено розвитком процесів старіння. За підвищення температури відпуску прискорюється розвиток процесів пом’якшення.

Наукова новизна. Збільшення пластичності сталі з бейнітною структурою обумовлене зниженням дисперсності частинок цементиту, щільності дислокацій, розвитком полігонізації та початкових стадій рекристалізації. Пом’якшення сталі з ферито-перлітною структурою визначається зменшенням фазового наклепу при перетворенні аустеніту.

Практична цінність. За аналізом механізму структурних перетворень визначено, що при виготовленні термічно зміцненого прокату, очікуване пом’якшення після змотки в бунт можливо компенсувати відповідним зниженням температури кінця прискореного охолодження.

ВИЗНАЧЕННЯ ВПЛИВУ МЕТАСТАБІЛЬНОГО АУСТЕНІТУ В ПОВЕРХНЕВОМУ ШАРІ НА АБРАЗИВНУ ЗНОСОСТІЙКІСТЬ СПЛАВІВ НА ОСНОВІ ЗАЛІЗА

Дар'я Бурова — 2026-04-09

Мета роботи. Розглянути і узагальнити результати досліджень, які показують вплив метастабільного аустеніту на поверхневий шар сталей для того, щоб підвищіти абразивну зносостійкость. Показати, що в ряді випадків для підвищення зазначених характеристик у структурі поверхневого шару сплавів слід за рахунок різних обробок отримувати поряд з іншими складовими метастабільний залишковий аустеніт. Привести дані, які показують, що можна отримати ефект самозагартування при навантаженні, в результаті зовнішнього впливу відбувається утворення поновлюваного мартенситного високоміцного шару, що забезпечує захист від руйнування. Представити нові данні о перевагах диференційованого підходу до вибору структури з урахуванням конкретних умов випробувань властивостей чи експлуатації. Стосовно них слід оптимізувати кількість та стабільність аустеніту по відношенню до деформаційного мартенситного перетворення (ДМП).

Методи дослідження. Цементовані сталі 20Х, 18ХГ, 12Х13, 12ХН3А, та 12Х2Н4А, У8, ШХ15 випробовували на абразивну зносостійкість на установці Х4Б. Випробування на абразивне зношування проводили на установці, яку сконструювали за схемою Брінеля-Хауорта. Мікроструктуру вивчали на мікрошліфах, які виготовляли по загальноприйнятій методиці полірування і травлення. Були проведені металографічні та дюрометрічні дослідження. Цементацію проводили у твердому карбюризаторі з добавками, що запобігали окисленню поверхні.

Отримані результати. Встановлено, що для підвищення експлуатаційних властивостей цементованих сталей необхідно використовувати ефект самозагартування при навантаженні. Визначено, що неоднозначні оцінки впливу залишкового аустеніту на властивості цементованих сталей обумовлені тим, що часто не враховуються умови навантаження, кількість та стабільність аустеніту, які мають бути оптимальними для кожного конкретного випадку. Було показано, що доцільно в ряді випадків забезпечити отримання після ХТО великої кількості метастабільного аустеніту, а потім за допомогою деформації або (і) термообробок, а також інших впливів викликати його часткове перетворення на мартенсит.

Наукова новизна. У роботі розглядається альтернативна точка зору, згідно з якою при динамічних навантаженнях дифузійнолегованих сталей слід створювати за рахунок розсмоктування дифузійного шару підшар із метастабільним аустеніт. Для отримання зносостійких термодифузійних шарів великої товщини доцільно створювати структуру білих хромомарганцевих чавунів із метастабільним аустенітом. Ефективне для зміцнення цементованих сталей використання джерел концентрованої енергії, що забезпечує високу твердість поверхні та отримання необхідної кількості метастабільного аустеніту у структурі. Крім того, це дозволяє створювати дискретну структуру, що є чергуванням в заданій послідовності твердих і м'яких складових і істотно підвищити зносостійкість.

Практична цінність. Підвищення механічних властивостей сталей дозволяє збільшити експлуатаційну стійкість деталей машин, що є важливою задачею матеріалознавства. Одним із напрямків її вирішення є отримання в сталях багатофазної структури, однією зі складових якої є метастабільний аустеніт, в якому відбувається при навантаженні динамічне деформаційне мартенситне перетворення (ДДМП) ефект само гартування при навантаженні (СГН). Способи отримання в структурі поверхневого шару сплавів на залізній основі поряд з іншими складовими метастабільного залишкового аустеніту для підвищення зносостійкості при абразивному впливі легко реалізуються в умовах виробництва. Необхідно використати диференційований підхід до вибору структури з урахуванням конкретних умов випробувань властивостей чи експлуатації.

ОЦІНКА СТРУКТУРИ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ ЖАРОМІЦНОГО НІКЕЛЕВОГО СПЛАВУ ЖС32-ВІ ЯК МАТЕРІАЛУ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБІННИХ ДВИГУНІВ

Сергій Пучек — 2026-04-09

Мета роботи. Вивчити макро- та мікроструктурний стан дослідних плавок жароміцного сплаву ЖС32-ВІ для виробництва відповідальних деталей газотурбінного двигуна, оцінити механічні властивості та жароміцність.

Методи дослідження. Параметри структурної стабільності оцінювали за відомими розрахунковими методиками PHACOMP та New PHACOMP. Макро- та мікроструктурний аналіз і дослідження фазового складу проводили методом оптичної металографії. Механічні властивості при кімнатній температурі визначали відповідно до вимог ISO 6892-84, СТ СЕВ 471-88, а випробування на тривалу міцність – відповідно до вимог ДСТУ ISO 204:2019.

Отримані результати. Проведено дослідження структури та властивостей зразків сплаву ЖС32-ВІ,
отриманих у вакуумній печі FM 1-2-100 фірми “ULMAC” методом рівноосної кристалізації. Мікроструктура зразків до термічної обробки відповідає литому стану сплаву, а після термообробки – задовольняє технічним умовам та відповідає затвердженій шкалі мікроструктур. Механічні властивості та жароміцність відповідають вимогам технічної документації до відповідального жароміцного лиття.

Наукова новизна. Отримано нові дані про структуру та фазовий склад жароміцного сплаву ЖС32-ВІ дослідних плавок. Метод розрахунку та аналітичної оцінки підтвердив високий рівень структурної стійкості.

Практична цінність. Отримані результати дають можливість розширити застосування жароміцного нікелевого сплаву ЖС32-ВІ для виготовлення виливків відповідального призначення.

ВПЛИВ СТРУКТУРНОГО ФАКТОРУ ПОРОШКОВОГО МАТЕРІАЛУ НА МІЦНІСТЬ ЕЛЕМЕНТІВ

Андрій Скребцов — 2026-04-09

Мета роботи. Дослідити вплив пористості та хімічного складу на міцність титанових конструкційних компонентів, виготовлених з нелегованого титанового сплаву ВТ1-0, отриманого методом порошкової металургії. Метою роботи є удосконалення методології розрахунку таких компонентів з урахуванням особливостей їхньої структури, оскільки наявність пор суперечить традиційній гіпотезі про суцільність матеріалу.

Методи дослідження. Для експерименту було використано термомеханічний титановий порошок ПТ5. Після пресування (700 МПа) та вакуумного спікання (1250 °C, 180 хв) було отримано сплав ВТ1-0. Було проведено порівняльний аналіз структури та механічних властивостей спеченого матеріалу та його литого аналога.

Отримані результати. Ключовою структурною відмінністю є пористість спеченого сплаву, яка становить 13%, з порами, розташованими переважно вздовж меж зерен. За хімічним складом порошковий ВТ1-0 має вдвічі більший вміст кисню (0,20 мас.%) порівняно з литим сплавом (0,10 мас.%). Відомо, що кисень значно підвищує міцність титанових сплавів. Ключовою структурною відмінністю спеченого сплаву є його пористість, яка становить 13%. За хімічним складом порошковий сплав ВТ1-0 містить вдвічі більше кисню (0,20 мас.%) порівняно з литим сплавом (0,10 мас.%). Відомо, що кисень значно підвищує міцність титанових сплавів; однак границя міцності спеченого сплаву ВТ1-0 становила 330,5 МПа, що на 45,5 МПа менше, ніж у його литого аналога (376,0 МПа). Це пов’язано з наявністю пор у структурі металу. Усунення цих пор збільшить міцність порівняно з литим матеріалом аналогічного хімічного складу та зменшить його дисперсію порівняно з литим сплавом.

Наукова новизна. Основний висновок дослідження полягає в тому, що зменшення ефективного поперечного перерізу металу, що несе навантаження (через 13% пористість), переважує ефект зміцнення від вищого вмісту кисню та інших речовин. Наявність пор також призводить до значного збільшення розкиду значень міцності, а в деяких випадках і мікротвердості. Якщо зробити поправку на ефективну площу поперечного перерізу за вирахуванням пор, фактична міцність порошкового зразка буде вищою через збільшення вмісту кисню та інших речовин.

Практична цінність. В роботі доведено, що фактичний негативний вплив пористості на міцність значно переважає ефект зміцнення, що виникає внаслідок мікролегування домішками при спіканні. Враховуючи високу дисперсію показника міцності, цей ефект можна пояснити тим, що вплив пористості на границю міцності є багатовимірним і залежить від таких факторів, як форма та розмір пор, наявність у них гострих кутів та їх об'ємна частка.

УДОСКОНАЛЕНА КОНСТРУКЦІЯ МУФТИ ГВИНТОВОГО ПРЕСУ

Василь Обдул — 2026-04-09

Мета роботи. Підвищення енергоефективності та експлуатаційної надійності важких гвинтових пресів шляхом створення нової конструкції приводу, яка забезпечує стабілізацію навантаження на електромережу та усуває теплові перевантаження електродвигуна.

Методи дослідження. Критичний аналіз сучасних технічних рішень від провідних виробників (Weingarten, Hasenclever), зокрема серії RZS із прямим приводом. Для аналізу енергоефективності в перехідних режимах використано загальну теорію електроприводів. Було проведено кінематичний аналіз та аналітичні розрахунки моменту інерції для обґрунтування методу розділення приводної маси (накопичувача енергії) на декілька компонентів з метою зниження інерційних навантажень.

Отримані результати. Визначено експлуатаційні обмеження пресів із прямим приводом, такі як високі пікові струми та теплові перевантаження. Запропоновано нову конструкцію гвинтового преса, яка оснащена накопичувачем кінетичної енергії що складається з центрального ведучого маховика ті бічних приводних мас на валах двигуна. Цей накопичувач з’єднується через муфту з робочим (веденим) маховиком преса. Розділення приводного накопичувача на сегменти дозволяє зменшити масу приводних елементів у 25 разів при збереженні тієї ж кінетичної енергії. Для оптимізації зворотного ходу сам робочий маховик також розділено на дві частини: внутрішній маховик (жорстко закріплений на шпинделі) та зовнішній маховик (що відключається під час підйому повзуна). Надано рекомендації щодо автономної системи зворотного ходу.

Наукова новизна. Запропоновано метод розділення приводної маси на накопичувач енергії, що працює безперервно, та робочий елемент, що підключається циклічно. На відміну від традиційних приводів із жорстким зв’язком, нова кінематична схема використовує проміжну масу маховика та фрикційну муфту, що дозволяє двигуну працювати безперервно без частих пусків із високими струмами.

Практична цінність. Конструкція придатна для пресів з номінальним зусиллям від 2 МН і енергією до 5 МДж, які підходять для точного кування турбінних лопаток і шестерень без штампувальних ухилів. Використання стандартних асинхронних двигунів і зниження металоємності приводу зменшують витрати на виготовлення та модернізацію, водночас покращуючи стабільність електромережі.

ВИБІР МОДИФІКАТОРІВ ВИСОКОМАРГАНЦЕВОЇ СТАЛІ В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД УМОВ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ДЕТАЛЕЙ ГІРНИЧО-ЗБАГАЧУВАЛЬНОГО ОБЛАДНАННЯ

Геннадій Сніжной — 2026-04-09

Мета роботи. Встановити оптимальний модифікатор підвищення міцнісних та пластичних властивостей високомарганцевої сталі Гадфільда, а також і зносостійкості при сухому та мокрому помелі в лужному середовищі.

Методи дослідження. Випробування на ударно-абразивну зносостійкість при мокрому і сухому помелі проводили в кульовому млині. Випробування на розрив проводили на машині УРМ-50. Визначення ударної в'язкості зразків з U-подібним надрізом проводили на маятниковому копрі МК-30А згідно ДСТУ ISO 148-1:2022. Твердість за Брінеллем визначали згідно ДСТУ ISO 6506-1:2007.

Отримані результати. Виходячи з результатів експериментальних досліджень, встановлено, що оптимальним способом підвищення фізико-механічних властивостей і зносостійкості високомарганцевої сталі при сухому подрібненні є комплексне модифікування титаном і ванадієм з попереднім розкисленням алюмінієм. Оптимальним технологічним фактором, який підвищує зносостійкість деталей з високомарганцевої сталі при мокрому помелі в лужному середовищі, є модифікування розплаву 0.05 ... 0.15% Nb з попереднім розкисленням алюмінієм.

Наукова новизна. У сталі, модифікованої алюмінієм, виявлено плівкові нітриди алюмінію, навколо яких, очевидно, відбувається корозійна руйнація. При модифікуванні Nb у межах 0.06–0.12% плівкові нітриди практично відсутні. Основну масу включень склали комплексні нітриди алюмінію та ніобію, а також карбонітриди ніобію. Вплив ніобію на зносостійкість позитивно і при мокрому помелі має яскраво виражений екстремальний характер з оптимумом при вмісті 0.12 % Nb.

Практична цінність. Визначено оптимальний спосіб підвищення фізико-механічних властивостей та зносостійкості високомарганцевої сталі при сухому подрібненні, а саме комплексна модифікація титаном та ванадієм з попереднім розкисленням алюмінієм.Оптимальним технологічним фактором, що підвищує зносостійкість деталей високомарганцевої сталі при мокрому помелі в лужному середовищі, є модифікація розплаву ніобієм. Запропоновані рекомендації дозволять знизити матеріаломісткість гірничо-збагачувального обладнання, удосконалити виробництво, підвищити надійність та довговічність деталей із високомарганцевої сталі.

ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДІВ МАШИННОГО НАВЧАННЯ ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ ЯКОСТІ ТА СТАБІЛЬНОСТІ ПРОЦЕСУ ТОКАРНОЇ ОБРОБКИ

Олексій Приходько — 2026-04-09

Мета роботи. Розробка та валідація методики предиктивного моделювання, що дозволяє проводити багатоцільовий аналіз технологічного процесу точіння шляхом одночасного прогнозування двох ключових параметрів: середньої якості поверхні та стабільності (варіабельності) процесу.

Методи дослідження. Порівняльний аналіз моделей на основі множинної лінійної регресії (емпірична формула) та алгоритму Random Forest. Моделі навчалися на відкритому наборі експериментальних даних для сталі 42CrMo₄+QT. Точність оцінено за метриками R² та MAE на тестовій вибірці. Проведено валідацію на незалежному наборі даних.

Отримані результати. Модель Random Forest продемонструвала дещо вищу прогностичну здатність для середньої шорсткості (R²=0.59 проти 0.53) та особливо для стабільності процесу (R²=0.139 проти негативних значень для формули). Встановлено домінуючий вплив подачі та радіуса інструменту на якість, а також ключову роль швидкості різання та геометрії інструменту на стабільність.

Наукова новизна. Запропоновано підхід до одночасного моделювання якості та стабільності процесу точіння. Кількісно доведено суттєву перевагу гнучких ML-моделей над класичною регресією для аналізу стохастичних аспектів процесу, таких як його варіабельність процесу токарної обробки.

Практична цінність. Розроблена методика є інструментом для багатоцільової оптимізації режимів різання. Сформульовано рекомендації для підвищення надійності процесу: збільшення глибини різання для підвищення продуктивності, уникнення низькошвидкісних режимів (v < 95 м/хв) та використання інструменту з радіусом r=0.8 мм, що знижує максимальну очікувану варіабельність процесу більш ніж на 16%.

ДІЯ РУХОМОГО НАВАНТАЖЕННЯ НА ТРЬОХШАРОВУ ЦИЛІНД-РИЧНУ ОБОЛОНКУ З ТРАНСВЕРСАЛЬНО ІЗОТРОПНИМ ЗАПОВНЮВАЧЕМ

Андрій Пожуєв — 2026-04-09

Мета роботи. Розповсюдити раніше запропонований авторами підхід про застосування для задач динаміки трьохшарових циліндричних оболонок з ізотропним заповнювачем точних рівнянь теорії пружності на один із можливих випадків анізотропії матеріалу середнього шару, а саме ситуацію, коли заповнювач є трансверсально ізотропним. Отримати точні формули і на їх основі побудувати картину напружено-деформованого стану в такій складеній конструкції при русі вздовж зовнішньої поверхні зі сталою швидкістю нормального (радіального) навантаження.

Методи дослідження. Побудована математична модель динаміки трьохшарової циліндричної оболонки, коли рух несучих шарів описується рівняннями теорії тонких оболонок, а для трансверсально ізотропного заповнювача використовуються динамічні рівняння теорії пружності анізотропного середовища у загальному вигляді. При розгляді задачі у стаціонарній постановці застосовується перетворення Галілея, після чого в рухомій системі координат до усіх шуканих і заданих величин застосовується інтегральне перетворення Фур’є у комплексній формі. Для обчислення невласних інтегралів Фур’є розроблено квадратурні формули, які основані на методі Файлона для інтегрування швидко осцилюючих функцій, що дозволило ефективно отримувати чисельні результати із наперед заданою точністю.

Отримані результати. На основі побудованої моделі розглянута задача про рухоме навантаження, яке викликає стаціонарний напружено-деформований стан шаруватої циліндричної оболонки при різних умовах на поверхнях стику заповнювача і несучих шарів. При цьому контакт розглядається як жорсткий, так і ковзний, але виключається відставання оболонок від заповнювача. Складнощі, які виникають при розв’язанні рівнянь руху трансверсально ізотропного заповнювача здолані шляхом введення спеціальним способом з використанням невизначених коефіцієнтів потенціальних функцій. Для усіх можливих варіантів граничних умов результати отримані у вигляді неособливих невласних інтегралів, які обчислені за спеціальними квадратурними формулами. Показані картини розподілу переміщень і напружень як за довжиною так і за товщиною заповнювача, проведено порівняння з результатами для відповідного ізотропного заповнювача і проведено механічний аналіз результатів.

Наукова новизна. Вперше в такій постановці, коли поведінка заповнювача описується точними рівняннями динаміки пружного анізотропного тіла, отримано розв’язання стаціонарної динамічної задачі для трьохшарової циліндричної оболонки. Проведено порівняння з результатами раніше отриманими для випадку ізотропного заповнювача. Застосовано спеціальний прийом для введення потенціальних функцій для знаходження переміщень і напружень в динамічних рівняннях для трансверсально ізотропних матеріалів. Розглянуті важливі частинні граничні умови на границях контактів шарів.

Практична цінність. Отримані при такому підході результати можуть бути використані в якості еталонних при побудові спрощених моделей динамічної поведінки трьохшарових циліндричних оболонок, зокрема таких, які враховують анізотропію заповнювача. До таких можна для прикладу віднести так звані ребристі звукоізолюючі матеріали.

МОДЕЛЮВАННЯ ВПЛИВУ СКЛАДУ ЗАХИСНОГО ГАЗУ НА ГЕОМЕТРІЮ НАПЛАВЛЕНОГО ШАРУ ПРИ ТЕХНОЛОГІЇ ДУГОВОГО АДИТИВНОГО ВИРОБНИЦТВА З ВИКОРИСТАННЯМ ДРОТУ (WAAM)

Руслан Куликовський — 2026-04-09

Мета роботи. Розроблення узагальненого теоретичного підходу до опису впливу складу захисного газу на геометрію наплавленого шару при технології WAAM з урахуванням теплофізики дуги, поверхневих явищ та термогідродинаміки зварювальної ванни.

Методи дослідження. Використано методи аналізу й узагальнення наукових публікацій, положення теорії теплопереносу та механіки рідини з вільною поверхнею, фізичне моделювання термокапілярної конвекції, а також метод напівемпіричного математичного опису із введенням інтегральних індексів газового середовища.

Отримані результати. Сформовано причинно-наслідкову схему впливу складу захисного газу на ефективне тепловкладення, поверхневу активність розплаву та геометричні параметри наплавленого шару. Запропоновано термофізичний індекс газу , що характеризує вплив газової суміші на тепловий стан дуги, та індекс газової активності , який відображає вплив активних компонентів на термокапілярну відповідь ванни розплаву. Побудовано структуру напівемпіричної моделі, яка пов’язує склад газу з шириною валика, висотою шару та глибиною проплавлення.

Наукова новизна. Запропоновано інтегрований підхід до опису впливу захисного газу на формування геометрії наплавленого шару при WAAM, у якому газове середовище розглядається як фізично змістовний параметр процесу. Уперше в межах даної постановки введено систему інтегральних індексів та для формалізованого врахування хімічно-поверхневого та термофізичного каналів впливу газової суміші.

Практична цінність. Отримані результати можуть бути використані як теоретична основа для вибору складу захисного газу, прогнозування геометрії наплавленого шару, подальшої калібровки моделі за експериментальними даними та розроблення алгоритмів керування процесом WAAM.