Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

THE RELATIONSHIP BETWEEN MICROHARDNESS ALLOYS NI–CR–MO AND THE ENERGY OF THE INDENTER INTRODUCING INTO THE SUBSTANCE

Nikiforov A.G. 1 Kovaleva A.A. 1 Anikina V.I. 1
1 Siberian Federal University
The dependence of the microhardness HV of ternary solid solutions of Ni–Cr–Mo based on the composition of the nickel is investigated. The formula relating the microhardness HV with the amount of its constituent components, expressed in at. %, is suggested. The linear dependence between microhardness of samples and concentration of impurities is set in the 0–22 at. % Chromium and 0–16 atm. % Molybdenum. It is shown that the using the energy of indenter’s implementation into the sample allows us to estimate not only the strength of the crystal lattice of the substance, but also to link it with the energy of the crystal lattice. Along with microhardness introduced the quantity, called the work we do destruction, allowing to estimate the energy gap of the interatomic bonds in the implementation of the indenter into the alloy. Along with microhardness we introduced the quantity, that was called the work of destruction, allowing to estimate the energy of the gap of the interatomic bonds when implementing of the indenter into the alloy. It is shown that introduction of chromium and molybdenum has a greater effect on the value of microhardness, than the interaction between these components.
microhardness
nickel alloys
solid solutions
1. Glazov V.M. Mikrotverdost of metals and semiconductors / V.M. Glazov, V.N. Vigdorovich. M.: Metallurgy, 1969. 248 p.
2. Samoylov Yu. V. Superficial tension of fusion and structure of nickel alloys / Yu.V. Samoylov, E.I. Tsvirko, V.E. Samoylov, V.V. Kudin // ISSN 1607-6885. Новi матерiали i тенологii in металлургii that машинобудуванii no. 1, 2008.
3. Hansen M. Structures of double alloys / M Hansen, K. Anderko. M.: Metallurgy, 1962. 1487 с.
4. Grigorovich V.K. Tverdost and microhardness of metals. M.: Science, 1976, 230 p.
5. Leonov V.V. Mikrotverdost of threefold firm solutions Ni–Cu–Nb on the basis of nickel. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2009 2), рр. 334–336.
6. Nikiforov A.G. Determination of molar volumes of three-component alloys on the basis of nickel through molar volumes of two-component alloys / A.G. Nikiforov, L.N. Komarova // Materials IV scientific the practical conference «Scientific Space of Europe», 2008, T 28, Physics, Mathematics. Sofia. Byal. GRAD-BG 2008.

Измерение микротвердости является одним из методов исследования, позволяющим количественно оценить прочность металлических сплавов [1, 2]. В настоящей работе приведены результаты измерения микротвердости трехкомпонентного твердого раствора на основе никеля Ni–Cr–Mo. При этом была найдена зависимость микротвердости от химического состава не только для трехкомпонентного сплава Ni–Cr–Mo, но и для бинарных систем Ni–Cr и Ni–Mo, а также оценивались результаты взаимного влияния двух примесей. В качестве растворителя был выбран никель, который часто является одним из основных компонентов жаропрочных и нержавеющих сталей. Растворимость молибдена в никеле достигает 12 ат. %, а растворимость хрома в никеле более 30 ат. % [3].

Наряду с определением микротвердости, нами была получена величина, названная работой разрушения. Смысл этой величины заключается в следующем: как известно, кристаллическую решетку можно разрушить двумя методами – термически и механически. Зная теплоту сублимации, мы, по сути, имеем энергию, затраченную на разрушение моля вещества. Определив экспериментально энергию, затраченную на внедрение индентора в образец, и пересчитав её на моль вещества, мы можем выяснить какая доля межатомных связей была разрушена механическим путем.

Материалы и методика эксперимента

Для исследований было выплавлено 77 металлических однофазных сплавов системы Ni–Cr–Mo. Концентрации компонентов были таковы, что все сплавы представляли собой твердые растворы на основе никеля. Плавка металлов производилась электрической дугой в медной водоохлаждаемой изложнице в атмосфере аргона. Перед измерениями образцы шлифовались, полировались и отжигались в вакуумной печи при температуре 800 °С в течение 8 часов. Микротвердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3 в 10 точках по стандартной методике [4], относительная погрешность измерений составляла 1–3 %.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты измерений микротвердости приведены в табл. 1.

Полученные результаты показывают, что между микротвердостью образцов и концентрацией примесей наблюдается линейная зависимость в области 0–22 ат. % для хрома и 0–16 ат. % для молибдена. Учитывая вышесказанное, можно записать уравнение

HV = a + b(XCr + XMo), (1)

где – a и b коэффициенты; XCr и XMo – концентрации хрома и молибдена соответственно, выраженные в ат. %.

Коэффициент а = 0,615 ГПа – это микротвердость чистого никеля, определенная экспериментально.

Таблица 1

Зависимость микротвердости, ГПа, для Ni–Cr–Mo от состава сплавов

Отношение XMo/(XCr + XMo)

XCr + XMo , ат. %

4

7

10

13

16

19

22

0

0,8978

1,0035

1,0149

1,402

1,5388

1,857

2,1624

0,1

1,0751

1,1157

1,3477

1,5229

1,7048

2,1575

2,2505

0,2

1,0448

1,2098

1,3052

1,636

1,7826

2,043

2,6332

0,3

1,151

1,3703

1,4199

1,7413

1,897

2,3664

2,7449

0,4

1,1427

1,1862

1,4536

1,8388

2,0402

2,6596

2,8017

0,5

1,1548

1,4549

1,5739

1,9285

2,049

2,5281

2,8978

0,6

1,1872

1,5218

1,7131

2,0104

2,1905

2,5498

3,355

0,7

1,1823

1,5798

1,6334

2,0845

2,2655

3,1913

4,3636

0,8

1,1585

2,116

1,7862

2,1508

2,2604

2,8089

5,3433

0,9

1,2776

1,5331

1,7702

2,2093

2,4162

3,1652

4,6734

1

1,4695

1,4431

2,0535

2,26

2,6987

4,6579

5,222

В свою очередь, обработка результатов показала, что коэффициент b линейно зависит от соотношения XMo/(XCr + XMo) следующим образом:

b = 0,07035 + 0,5024XMo/(XCr + XMo). (2)

В итоге получается соотношение

HV = 0,615 + 0,07035XCr + 0,1206XMo. (3)

Таблица 2

Зависимость микротвердости, ГПа, для Ni-Cr-Mo от состава сплавов, ат. %

Отношение XMo/(XCr + XMo)

HV = HV0 + b(XCr + XMo)

Достоверность

0

HV = 0,615 + 0,068(XCr + XMo)

R2 = 0,958

0,1

HV = 0,615 + 0,073(XCr + XMo)

R2 = 0,974

0,2

HV = 0,615 + 0,082(XCr + XMo)

R2 = 0,959

0,3

HV = 0,615 + 0,085(XCr + XMo)

R2 = 0,968

0,4

HV = 0,615 + 0,1(XCr + XMo)

R2 = 0,973

0,5

HV = 0,615 + 0,096(XCr + XMo)

R2 = 0,982

0,6

HV = 0,615 + 0,096(XCr + XMo)

R2 = 0,984

0,7

HV = 0,615 + 0,101(XCr + XMo)

R2 = 0,969

0,8

HV = 0,615 + 0,102(XCr + XMo)

R2 = 0,869

0,9

HV = 0,615 + 0,122(XCr + XMo)

R2 = 0,974

1,0

HV = 0,615 + 0,123(XCr + XMo)

R2 = 0,959

Среднее

HV = 0,615 + b(XCr + XMo)

 

 

b = 0,07035 + 0,5024XMo/(XCr + XMo)

R2 = 0,911

Итоговое

HV = 0,615 + 0,07035XCr + 0,1206XMo

 

Полученное соотношение показывает, что на величину микротвердости больше влияет введение хрома и молибдена, чем взаимодействие между этими компонентами.

Наряду с измерением микротвердости мы попытались определить энергию, затраченную на внедрение индентора в сплав. Использование этой величины позволяет оценить не только прочность кристаллической решетки вещества, но и связать ее с энергией кристаллической решетки. Воспользуемся классической формулой по определению работы А:

nikif01.wmf (4)

где Р – давление; V – объем внедрения индентора в сплав.

Свяжем глубину внедрения пирамиды h с диагональю отпечатка d:

nikif02.wmf

где θ – угол между гранями пирамиды.

Получаем:

nikif03.wmf (5)

nikif04.wmf

nikif05.wmf (6)

где S – площадь отпечатка.

Объем пирамиды:

V = S∙h/3. (7)

В нашем случае объем равен:

nikif06.wmf (8)

nikif07.wmf (9)

Работа внедрения индентора:

nikif08.wmf (10)

Свяжем работу внедрения индентора А с микротвердостью HV:

А = HV∙S∙h = 3HV∙Vp, (11)

где Vp – объем внедрения индентора.

Определим работу, которая придется на один моль вещества:

АМ = А∙VM/Vp = 3HV∙VM, (12)

где VM – молярный объем сплава.

Величину АМ мы назвали работой разрушения. Она показывает, какая энергия затрачивается на разрушение одного моля вещества под воздействием индентора.

По результатам измеренной микротвердости и молярным объемам, взятым из статьи [6], были построены графики зависимости работы разрушения от состава сплавов. Полученные результаты приведены на рис. 1–2.

pic_78.tif

Рис. 1. Зависимость работы разрушения сплавов Ni–Cr–Mo от содержания хрома и молибдена в сплаве

pic_79.tif

Рис. 2. Зависимость работы разрушения сплавов Ni–Cr–Mo от содержания хрома и молибдена в сплаве

Выводы

В результате проделанной работы были получены зависимости микротвердости от состава сплавов:

HV = (0,6148 + 0,07035XCr + + 0,1206XMo) ГПа,

где XCr и XMo – содержание хрома и молибдена в сплаве, выраженное в ат. %.

Наряду с микротвердостью была определена величина работы разрушения, показывающая какая энергия затрачивается на механическое разрушение одного моля твердого вещества, и выявлена зависимость этой величины от состава сплава.

Рецензенты:

Прошкин А.В., д.т.н., профессор, начальник ЛУФМ департамента новых технологий ООО «РУСАЛ ИТЦ», г. Красноярск;

Миронов П.В., д.х.н., профессор, декан факультета переработки природных соединений, Сибирский государственный технологический университет, г. Красноярск.

Работа поступила в редакцию 05.08.2014.