Вычисление твердости металлических сплавов

12.09.2019

Наряду с высокой температурой плавления, хорошими жаропрочными свойствами, способностью сплавляться с металлами железной группы и химической стойкостью, твердость является важнейшей технической характеристикой твердых соединений тугоплавких металлов. К сожалению, твердость не является определенной физической константой. Под этой характеристикой понимают сопротивление материала внедрению в него постороннего тела. При таком внедрении могут разрушаться связи в решетке (твердость, определяемая царапанием) или же материал пластически и упруго деформируется (твердость, определяемая при деформации). Последняя характеристика твердости обычно определяется при технических испытаниях (твердость по Бринелю, макро- и микротвердость по Виккерсу, микротвердость по Кнупу, твердость по Роквеллу). Следует отметить, что собственно вдавливание, которое служит основой при измерении твердости, несмотря на отсутствие технических трудностей, — процесс сложный.

Было поставлено много опытов для получения сравнимых значений твердости расчетным путем. В основу были положены физические характеристики компонентов особотвердых соединений. Возможность предсказать твердость новых фаз особотвердых соединений имела бы большое значение для практики. Как твердость, определяемая царапанием, так и твердость, определяемая при деформации, зависят от характера и величины сил связи.

Выше были описаны в общем виде современные теории связей в металлических фазах; особо рассматривались связи в фазах внедрения.

Современные теории связи в металлических соединениях не позволяют сделать выводы о различии в твердости тех или иных особотвердых соединений или металлов. У чистых металлов, особенно у интересующих нас переходных металлов IV—VI групп периодической системы, различные параметры атомов металлов (радиусы, атомный объем) тесно связаны с механическими свойствами, в том числе и с твердостью. Небольшими атомными радиусами переходных металлов обусловливается особенно тесное сближение атомов металлов с недостаточно заполненной d-оболочкой, что приводит к появлению значительных междуатомных сил.

Соображения, касающиеся твердости металлов, нельзя автоматически перенести на твердые металлические соединения. Скорее в этом случае можно использовать соображения Гольдшмидта, согласно которым твердость кристаллов соли может быть дана в виде следующего выражения:
Вычисление твердости металлических сплавов

где S — константа, характеризующая тип структуры;

lm и lx — основные валентности;

r — расстояние Me — X;

m — величина, также зависящая от типа структуры.

Отсюда следует, что твердость однозначно зависит от типа структуры; таким образом, имеет смысл сравнение решеток только одинакового типа.

Структуры с более плотной упаковкой при одинаковых между-атомных расстояниях обладают большей твердостью, чем соединения с менее плотной упаковкой; при одинаковых междуатомных расстояниях и координационных числах структуры с кубической решеткой характеризуются большей твердостью, чем некубичеcкие структуры. Влияние междуатомного расстояния при аналогичном строении становится ясным при рассмотрении ряда; алмаз — карбид кремния — карбид титана — кремний.

Мейер и Эйлендер предприняли попытку вычислить твердость карбидов и нитридов по данным о молекулярных объемах и валентности, используя формулы, предложенные рядом авторов. Они пытались также привлечь для расчетов твердости уменьшение объема («дефект объема»), сопровождающее образование фаз внедрения. Крайнер и Конопицкий обнаружили линейную зависимость между «дефектом объема» у карбидов и сжимаемостью металлических компонентов. Согласно данным о «дефектах объемов» (сжимаемости), твердость должна изменяться в следующем порядке: ZrC—>TiC—>VC—>NbC—>ТаС. Это, однако, не вполне соответствует данным фактических измерений микротвердости; на основе последних ZrC должен располагаться рядом с VC, т. е. ниже TiC.

Борн нашел зависимость между механическими, структурными и термическими характеристиками материала. Он установил, что прочность при растяжении находится в линейной зависимости от скрытой теплоты плавления. Некоторое сходство процессов плавления и деформации заключается в том, что в обоих случаях происходит взаимный сдвиг соседних атомных слоев. Поскольку твердость представляет предельное значение сопротивления деформации, которое зависит от величины этого сопротивления и от процесса упрочнения, должна существовать связь между твердостью и скрытой теплотой плавления. При попытках найти математическое выражение для упомянутой зависимости представляется рациональным использовать данные микротвердости, поскольку при этом удается получать сравнимые значения на наименее искаженных кристаллах.

Величина сопротивления деформации в первую очередь зависит от вида связи и структуры решетки. Характеристическим числом для процесса плавления является v (фактор частоты) в формуле Линдемана. Согласно Новотному, эта величина может рассматриваться как Мера взаимного сопротивления сдвигу составляющих структуры; кроме того, она может быть выражена как через внутреннюю (тепловую), так и внешнюю (механическую) энергию.

Таким образом, если у пропорциональна Н, то справедливо следующее соотношение:

где Н — твердость;

А — постоянный множитель;

Ts — температура плавления;

T — температура испытания;

M — молекулярный вес;

V — молекулярный объем.

При использовании формулы для чистых металлов обнаруживается аналогичный ход зависимости между твердостью и фактором частоты.

В табл. 10 представлены вычисленные значения твердости карбидов металлов IV—VI групп периодической системы элементов. Приведены также данные по твердости алмаза, карбида кремния и карбида бора. Расчетные данные сравниваются с результатами экспериментального определения микротвердости.

Анализ этой таблицы показывает, что расчеты по старым формулам Боттона и Фридерика не дают какой-либо зависимости между твердостью и температурой плавления. В то же время использование значений, предложенных Новотным для частотного Фактора, позволяет установить, по крайней мере для изоморфных монокарбидов, определенную связь между твердостью и температурой плавления. При этом формула Линдемана позволяет также объяснить снижение твердости при увеличении температуры плавления монокарбидов с одинаковой структурой и практически аналогичными связями.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна