УДК: 539.31.32;669.715

Взаимосвязь между физическими характеристиками металлических сплавов

Леонов В.В., Никифоров А.Г.

Сибирский федеральный университет

Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79.

ag_nikiforov@mail.ru

Настоящая работа посвящена выявлению закономерностей, которые позволяют связать между собой различные физические свойства металлических сплавов. Для изучения физических свойств сплавов применяют различные экспериметальные методы, многие из которых являются трудоемкими и дорогостоящими. В то же время, некоторые физические свойства веществ определяются легко. Представляется заманчивым найти корреляционные уравнения, связывающие между собой различные свойства сплавов, и находить трудноизмеримые свойства, опираясь на знание тех свойств, которые уже известны. Для проверки гипотезы о взаимосвязи между различными физическими свойствами сплавов, мы выбрали бинарные металлические сплавы на основе алюминия. Выявленные нами закономерности позволяют не только обобщить разрозненные экспериментальные данные, но и прогнозировать свойства еще не изученных сплавав на основе алюминия.

Ключевые слова: алюминиевые сплавы, температура ликвидуса, твердость, относительное удлинение, предел прочности, электросопротивление, корреляционные уравнения.

1. Введение

Для исследования взаимосвязи между различными физическими параметрами металлических сплавов, мы выбрали бинарные металлические сплавы на основе алюминия. Исследовано много бинарных систем и свойства этих систем, но не приведено обобщение, не выявлены закономерности изменения свойств в зависимости от состава. Анализ изменения свойств изучаемых систем, в зависимости концентрации примеси в сплаве, производился в области твердых растворов. Данный выбор обусловлен тем, что при наличии в сплаве нескольких фаз, каждая из фаз, является твердым раствором. Поэтому любое свойство сплава, является комбинацией свойств отдельных фаз. В ходе исследований мы обнаружили, что график зависимости некоторого физического параметра от состава, в области твердых растворов, чаще всего носят линейный характер. Причем изменение тангенса угла наклона различных свойств (температуры ликвидуса, плотности, твердости, относительного удлинения, электросопротивления, предела прочности) зависят от вида примеси. Было выявлено, что элементы 2,4,5 периодов таблицы Д.И. Менделеева, приводят к увеличению тангенса угла наклона в зависимости от номера группы примеси. А элементы 3,6,7 периода влияют на изменение наклона этих же свойств, в сторону уменьшения в зависимости от номера группы примеси. Выявленные закономерности позволяют прогнозировать, как будут меняться физические свойства сплавов, при замене одного вещества на другое, при условии, что эти вещества относятся к одной группе в таблице Д.И. Менделеева.

2.Методика эксперимента

Измеряли тангенс угла наклона изменения нескольких свойств сплавов на основе алюминия в зависимости от концентрации примеси в области их малых концентраций, т.е. в области твердых растворов на основе алюминия, взятые из cправочника [1]. Далее построили изменение этих наклонов в зависимости от номера и периода расположения элемента примеси в периодической системе Д.И.Менделеева и получили линейные закономерности. Получив линейные закономерности, далее построили корреляционные взаимозависимости между изменением различных свойств сплавов на основе алюминия и опять получили линейные зависимости. Эти корреляции позволяют прогнозировать влияние пока еще не исследованных элементов по влиянию уже исследованных свойств элементов. Контролировали тангенс угла наклона изменения следующих свойств сплавов: температуры ликвидуса, плотности, механического предела прочности, твердости предела текучести, электросопротивления, модуля упругости, относительного удлинения,в зависимости от концентрации примеси.

Выявленные закономерности представляли как графически, так и в виде математических уравнений, в зависимости от положения примесного элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.

3. Построение графиков зависимости изменения свойств от положения элемента примеси в таблице Д.И. Менделеева.

Рассмотрим, как обрабатывались результаты и строились графики на примере зависимости температуры ликвидуса от концентрации примеси. При малых концентрациях примесных элементов, то есть в области твердых растворов на основе алюминия, температура ликвидуса, как правило, линейно изменялась при изменении концентрации примеси, что позволяло находить тангенсы угла наклона соответствующих прямых. В дальнейшем строилась зависимость изменения тангенса угла наклона ликвидуса dT/dC-у от номера группы положения примесного элемента в таблице Д.И. Менделеева.

Получили следующие уравнения изменения dT/dC-у от номера № группы примеси, расположенных в разных периодах в таблице Д.И. Менделеева, где R²- достоверность уравнения:

y = -0,85№ + 8,75, R² = 0,6628 период 2; y = 0,4405№ + 6,4897, R² = 0,2338 период 3.

y = 0,9124№ + 3,5873, R² = 0,4848 период 4;y = 0,7644№ + 3,999, R² = 0,5796 период 5.

y = -0,4336№ + 8,195, R² = 0,0415 период 6;y = 1,3№ + 2,24, R² = 1 период 7.

Рис.1. Пример. Зависимость изменения тангенса угла наклона ликвидуса dT/dC (С/вес,%) от положения примесного элемента в таблице Д.И. Менделеева для сплавов на основе Al.

Для периодов 2,3,4,5 зависимость (изменения тангенса угла наклона ликвидуса от концентрации примеси) dT/dC от положения элемента примеси в таблице Д.И. Менделеева для сплавов на основе Al увеличивается, а для периодов 6,7 уменьшается. Достоверность этих уравнений находится в пределах от 0,0415 до 1. При 0,0415 уравнения недостоверны, а при R²= 1 достоверны. Т.е. эту зависимость можно использовать для экстраполирования, интерполирования и выявлению изменения свойств мало или не изученных примесей. А для примесного элемента Pb идет отклонение в сторону увеличения от общей зависимости, т.е. можно принять это значение как выброс (не укладывается в общую зависимость).

Аналогичным образом были изучены изменения тангенсов угла наклона следующих свойств сплавов на основе алюминия: плотности dPо/dC, электросопротивления dρ/dC, твердости dH/dC, относительного удлинения dσ/dC, модуля нормальной упругости dλ/dC, предела прочности dσв/dC, а также текучести dφ/dC. Полученные данные позволяют выявить, как вышеприведенные свойства зависят от номера № группы примеси и периода. В свою очередь, на основе полученных закономерностей, можно прогнозировать изменение свойств еще не изученных сплавов.

4. Выводы:

В ходе работы проанализировали влияние 45 различных примесей на изменения свойств алюминия в зависимости от вида примеси и ее расположения в периодической системе Д.И. Менделеева. Обнаружили что элементы примеси такие как:

1. B, Li, Be, O, C, расположенные во 2 периоде, при увеличении номера группы следующим образом влияют на свойства алюминиевых сплавов. Наблюдается рост температуры ликвидуса, плотности, твердости и относительного удлинения. В то же время, удельное электрическое сопротивление и предел прочности уменьшаются.

2. Примеси Si, Mg, Na, S, расположенные в 3 периоде, увеличивают следующие свойства алюминия при увеличении номера группы: температуру ликвидуса, вязкость. Но, эти же примеси, уменьшают следующие свойства алюминия при увеличении номера группы, такие как: удельное электрическое сопротивление, твердость, предел прочности, модуль нормальной упругости.

3. Примеси V, Ga, Ge, Fe, Ca, Co, Mn, Cu, As, Ni, Se, Ti, Cr, Zn, расположенные в 4 периоде, при увеличении номера группы, увеличивают следующие свойства алюминия: температуру ликвидуса, плотность, удельное электрическое сопротивление, твердость, предел прочности. Но эти же примеси уменьшают свойства алюминия при увеличении номера группы такие как: относительное удлинение, модуль нормальной упругости, вязкость.

4. Примеси In, Cd, Mo, Sn, Pd, Ag, Sr, Sb, Te, Zr, расположенные в 5 периоде, периодической системы Д.И. Менделеева при увеличении номера группы увеличивают следующие свойства алюминия: температуру ликвидуса, плотность, удельное электрическое сопротивление, модуль нормальной упругости, предел прочности, текучесть. Но при этом присходит уменьшение следующих свойств алюминия: твердости и относительного удлинения.

5. Примеси Ba, Bi, W, La, Pt, Hg, Pb, Tl, Ta, Ce, расположенные в 6 периоде, периодической системы Д.И. Менделеева увеличивают следующие свойства алюминия при увеличении номера группы: плотность. Но эти же примеси уменьшают следующие свойства алюминия при увеличении номера группы такие как: температуру ликвидуса, твердость, относительное удлинение, модуль нормальной упругости.

6. Примеси Au, Th, расположенные в 7 периоде, периодической системы Д.И. Менделеева уменьшают следующие свойства алюминия при увеличении номера группы: температуру ликвидуса, плотность.

5 Список литературы.

1. А.Е. Вол. Строение и свойства двойных металлических систем. Т.1. 1959.-752с.