DOI: 10.52150/2522-9117-2025-39-16

С. О. Федоряченко^1,*, к.т.н. доцент, ORCID 0000-0002-8512-3493
К. А. Зіборов¹, к.т.н., доцент, ORCID  0000-0002-4828-3762
Д. В. Лаухін¹, д.т.н., проф., ORCID 0000-0002-9842-499X
О. В. Щукін², к.т.н, доцент, ORCID 0000-0001-6332-1811
О. В. Орел², к.т.н, доцент, ORCID 0000-0003-0265-7527
В. М. Король¹,аспірант, ORCID 0009-0004-6433-1797
Д. В. Гаркавенко¹, аспірант ORCID 0009-0004-5011-9015

¹ Національний технічний університет “Дніпровська політехніка”
² Харківський національний автомобільно-дорожнійуніверситет
^* Автор для листування: fedoriachenko.s.o@nmu.one

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОЗВИТКУ МІКРОТРІЩИН ЗА УМОВ ІСНУВАННЯ ВНУТРІШНІХ ДЕФЕКТІВ МЕТАЛЕВИХ ВИЛИВКІВ

Анотація. У статті розглянуто проблему формування та розвитку мікродефектів у литих виробах із металевих сплавів, зокрема мікропористості та мікротріщин, що визначають довговічність і надійність конструкцій. Показано, що мікропорожнини розміром близько 10 мкм важко виявити традиційними методами контролю, проте вони значно знижують опір втомі, пластичність і границі міцності та плинності при розтязі. Просторовий розподіл і морфологія пор визначають механізм зародження тріщин, а їх коалесценція у зонах концентрації напружень пришвидшує руйнування. Узагальнено сучасні методи дослідження – оптичну та електронну мікроскопію, рентгенівську комп’ютерну томографію та морфометричний аналіз, які дають змогу визначати частку пористості, геометрію дефектів і ступінь їхньої зв’язаності. Значущість чисельного моделювання підкреслено на прикладі програмних комплексів типу Thercast, де використання критерію Нійами забезпечує прогнозування пороутворення та оптимізацію параметрів лиття. Особливу увагу приділено впливу адитивних технологій, де поєднання пористості з анізотропією мікроструктури та дефектами неповного проплавлення підвищує чутливість матеріалу до тріщиноутворення. Для чавунів і сталей показано залежність рівня пористості від вуглецевого еквівалента та сфероїдальності графіту, що визначає якість виливків. Запропоновано механіко-математичну модель, яка поєднує положення теорії пружності, лінійної механіки руйнування та вплив мікроструктурних факторів. Уведено ефективні параметри – модуль пружності, границю плинності й тріщиностійкість – з поправками на дефекти, включення та температурно-швидкісні умови. Сформульовано рівняння росту тріщини при динамічному навантаженні, проведено чисельну верифікацію. Отримані результати мають практичне значення для оптимізації лиття й адитивного виробництва та забезпечення надійності конструкцій у критично навантажених системах.

Ключові слова: мікропористість, мікротріщини, литі сплави, механіко-математичне моделювання, критерій Нійами, адитивні технології, тріщиностійкість, Thercast.

Посилання для цитування: Математичне моделювання розвитку мікротріщин за умов існування внутрішніх дефектів металевих виливків / С. О. Федоряченко, К. А. Зіборов, Д. В. Лаухін, О. В. Щукін, О. В. Орел, В. М. Король, Д. В. Гаркавенко // Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2025. Вип. 39. С. 274-284. https://doi.org/10.52150/2522-9117-2025-39-16

Перелік посилань

1. Lesoult G. R. Microporosity in cast alloys: Simple considerations on its formation. International Journal of Cast Metals Research. 2009. Vol. 22, № 1–4. P. 2–7. https://doi.org/10.1179/136404609X367696
2. Ломакін В. М., Клименко В. В., Пукалов В. В., Кузик О. В., Дубодєлов В. І., Горюк М. С. Дослідження процесу затвердіння та прогнозування структури литих чавунних молольних тіл. Збірник наукових праць Центральноукраїнського національного технічного університету. 2018. № 31. С. 66–74.
3. Kang M., Gao H., Wang J., Ling L., Sun B. Prediction of Microporosity in Complex Thin-Wall Castings with the Dimensionless Niyama Criterion. Materials. 2013. Vol. 6, № 5. P. 1789–1802. DOI: https://doi.org/10.3390/ma6051789
4. M’Hamdi M. On modelling the interplay between microporosity formation and hot tearing in aluminium direct-chill casting. Materials Science and Engineering: A. 2005. Vol. 413–414. P. 105–108. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.09.050
5. Réger M., Gáti J., Oláh F., Horváth R., Fábián E. R., Bubonyi T. Detection of Porosity in Impregnated Die-Cast Aluminum Alloy Piece by Metallography and Computer Tomography. Crystals. 2023. Vol. 13, № 7. P. 1014. https://doi.org/10.3390/cryst13071014
6. Yao L., Cockcroft S., Maijer D., Zhu J., Reilly C. Study of Microporosity Formation under Different Pouring Conditions in A356 Aluminum Alloy Castings. In: Lindsay S.J. (ed.). Light Metals 2011. Springer, Cham, 2011. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48160-9_135
7. Forestier R., Costes F., Jaouen O., Bellet M. Finite element thermomechanical simulation of steel continuous casting. Proceedings MCWASP XII, 12th International Conference on Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes. Vancouver, Canada, Jun 2009. P. 295–302. ISBN 978-0-87339-742-1.
8. Ломакін В. М., Молокост Л. А. Ударостійкий чавун для молольних тіл. Збірник наукових праць Центральноукраїнського національного технічного університету. 2020. № 34. С. 65–72.
9. Zsolt S., Marton B. Investigation of microporosity in die-cast AlSi12(Cu) alloys by neutron- and X-ray radiography. Nuclear Society of Slovenia. 1999. P. 703–708.

Рукопис надійшов до редакції  26.07.2025
Рекомендовано до друку 21.10.2025
Опубліковано онлайн 01.12.2025