Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

СВЯЗЬ МЕЖДУ МИКРОТВЕРДОСТЬЮ СПЛАВОВ Ni–Cr–Mo И ЭНЕРГИЕЙ ВНЕДРЕНИЯ ИНДЕНТОРА В ВЕЩЕСТВО

Никифоров А.Г. 1 Ковалева А.А. 1 Аникина В.И. 1
1 Сибирский федеральный университет
Исследована зависимость микротвердости HV трехкомпонентных твердых растворов системы Ni–Cr–Mo на основе никеля от состава. Установлена линейная зависимость между микротвердостью образцов и концентрацией примесей в области 0–22 ат. % для хрома и 0–16 ат. % для молибдена. Показано, что использование энергии внедрения индентора в образец позволяет оценить не только прочность кристаллической решетки вещества, но и связать ее с энергией кристаллической решетки. Предложена формула, связывающая микротвердость HV с количеством образующих его компонентов, выраженным в ат. %. Наряду с микротвердостью введена величина, названная нами работой разрушения, позволяющая оценить энергию разрыва межатомных связей при внедрении индентора в сплав. Показано, что на величину микротвердости больше влияет введение хрома и молибдена, чем взаимодействие между этими компонентами.
микротвердость
никелевые сплавы
твердые растворы
1. Глазов В.М. Микротвердость металлов и полупроводников / В.М. Глазов, В.Н. Вигдорович. – М.: Металлургия, 1969. – 248 с.
2. Самойлов Ю.В. Поверхностное натяжение расплава и структура никелевых сплавов / Ю.В. Самойлов, Э.И. Цвирко, В.Е. Самойлов, В.В. Кудин // ISSN 1607-6885. Новi матерiали i тенологii в металлургii та машинобудуванii. – 2008. – № 1.
3. Хансен М. Структуры двойных сплавов / М. Хансен, К. Андерко. – М.: Металлургия, 1962. – 1487 с.
4. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. – М.: Наука, 1976, – 230 с.
5. Леонов В.В. Микротвердость тройных твердых растворов Ni-Cu-Nb на основе никеля // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3. – 2009. – № 2. – С. 334–336.
6. Никифоров А.Г. Определение молярных объемов трехкомпонентных сплавов на основе никеля через молярные объемы двухкомпонентных сплавов / А.Г. Никифоров, Л.Н. Комарова // Научное пространство Европы: материалы IV научно-практической конференции. – 2008. – Т 28, Физика, Математика. – София: Бял. ГРАД-БГ, 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.


Библиографическая ссылка

Никифоров А.Г., Ковалева А.А., Аникина В.И. СВЯЗЬ МЕЖДУ МИКРОТВЕРДОСТЬЮ СПЛАВОВ Ni–Cr–Mo И ЭНЕРГИЕЙ ВНЕДРЕНИЯ ИНДЕНТОРА В ВЕЩЕСТВО // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-7. – С. 1517-1520;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35094 (дата обращения: 29.11.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074