УДК:
539.4;669.2
Исследование физических свойств сплавов на основе золота
Леонов В. В., Никифоров
А. Г., Ковалева А. А., Эльберг М. С.
Сибирский федеральный
университет
Россия 660049,
Красноярск, пр. Свободный 79.
ag_nikiforov@mail.ru
_______________________________________________________________________
В настоящем исследовании изучалась
зависимость ряда физических характеристик металлических сплавов на основе
золота от концентрации легирующих элементов. Выявленные закономерности представлены
в аналитическом виде, что позволяет вычислять изменение физических параметров металлических сплавов, при
изменении концентрации легирующих элементов.
Ключевые слова: сплавы на основе золота, бинарные системы, твердые растворы, физические
параметры.
1.
Введение
Разрабатывая новые металлические сплавы,
исследователи изучают физические характеристики присущие данным сплавам. В
зависимости от условий эксплуатации, обычно используется один или два
физических параметра. В своем исследовании, мы решили изучить как можно больше
свойств характеризующих металлические сплавы и, основываясь на полученных
закономерностях, разработать методику позволяющую прогнозировать изменение физических
свойств металлических сплавов при изменении концентрации легирующих элементов,
или при замене одного легирующего элемента на другой. При таком подходе общая задача разбивается на
три взаимосвязанных этапа. Первый – нахождение изменения физических параметров
характеризующих металлические сплавы, при изменении концентрации легирующих элементов,
и выражение найденных закономерностей в аналитическом виде. Второй – выявление
закономерностей, как тот или иной параметр зависит от положения легирующего
элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Третий – проверка гипотезы о
взаимосвязи между всеми физическими параметрами характеризующими металлические
сплавы. В случае если такие связи существуют, то можно вычислить
трудноизмеримые параметры, опираясь на величины, которые уже известны или
использовать те параметры, определение которых является менее трудоемким. Проведя
исследования согласно всем трем вышеприведенным пунктам, мы получили очень
объемный материал, который невозможно уместить в рамках одной статьи. Поэтому в
данной работе, мы рассмотрим результаты, полученные на первом этапе исследований,
для сплавов на основе золота.
В своем исследовании мы проанализировали
следующие свойства веществ: твердость по Бринеллю – HB, кг/мм
, твердость по Виккерсу – 
, кг/мм, микротвердость – 
, кг/мм, предел прочности –
, кг/мм, относительное удлинение – δ, %, относительное
сужение – 
, %, прочность на растяжение – 
, %, предел текучести – 
, кг/мм, модуль нормальной упругости – E, кг/мм, удельное электросопротивление – r, мком/см,
теплопроводность – λ, кал/см*сек, электропроводность – ρ, См.
Нами были собраны данные по
вышеперечисленным характеристикам для бинарных сплавов на основе золота в
области твердых растворов. Выбор на бинарные сплавы пал потому, что для них
существует множество экспериментальных данных.
Оказалось, что в области твердых
растворов, в подавляющем большинстве случаев, все эти величины меняются линейно
с ростом концентрации легирующего элемента. Математически это можно выразить следующим
уравнением:
Y=α+bx,
(1)
где Y –
величина изучаемого свойства, α и b –
коэффициенты, х – концентрация легирующего элемента. Коэффициент α
показывает величину исследуемого параметра при нулевой концентрации легирующего
элемента, а коэффициент b – быстроту изменения
данного параметра при изменении концентрации легирующего элемента.
Соответственно при замене одного легирующего элемента на другой, изменяется
величина b, а коэффициент α остается неизменным. На
графике зависимости свойство – концентрация, для различных легирующих
элементов, мы получим набор прямых линий, расходящихся под разными углами из
одной общей точки.
Использование коэффициента b
вместо уравнения (1), позволяет существенно упростить поиск взаимосвязей между
различными физическими свойствами сплавов, т.к. в этом случае мы будем
оперировать набором коэффициентов, а не набором уравнений. При этом само
исследуемое свойство, легко вычисляется для любой концентрации легирующего
элемента путем подстановки коэффициентов α и b в
уравнение (1). Самое главное в том, что имея ограниченное число
экспериментальных данных, мы можем вычислить интересующий нас физический
параметр для любой концентрации легирующего элемента в пределах области твердых
растворов.
2.
Методика эксперимента
Для выявления искомых закономерностей,
были обработаны данные по 21 бинарным сплавам на основе золота. Основная масса данных
была взята из cправочника [1]. В случае, когда данные были представлены
в графическом виде, измеряли тангенс угла наклона прямой на графике состав –
свойство. Тангенс угла наклона соответствует коэффициенту b
уравнения (1). Если данные были представлены в виде таблицы, то для вычисления
коэффициента b использовался разностный метод. Полученные данные сведены в таблицу 1.
Коэффициентам b в таблице присвоена
нумерация, позволяющая определить, к какому физическому свойству относится
данный коэффициент. Нумерация не начинается с первого номера в связи с тем, что
кроме сплавов на основе золота, мы изучали ряд других сплавов, для которых тоже
была введена нумерация коэффициентов
b. Поэтому чтобы не возникла путаница, нумерацию решили
сохранить в первоначальном виде [2], [3].
В таблице 1 мы видим много незаполненных клеток.
Это означает, что данные для соответствующих физических параметров отсутствуют,
или их недостаточно для определения интересующих нас уравнений. Тем не менее, существующих
данных достаточно для анализа зависимостей физических параметров от ряда
факторов.
3.
Выводы.
1. В данном исследовании
проанализировали влияние различных
легирующих элементов на изменения физических свойств сплавов на основе золота.
2. Анализу были подвергнуты
8 физических параметров характеризующих свойства сплавов на основе золота.
3. Для большинства
физических величин были выявлены линейные зависимости между исследуемым
параметром и концентрацией легирующих элементов.
4. Выявленные зависимости
позволяют использовать в дальнейшем не сами уравнения, а их первые производные
(тангенсы угла наклона на графике свойство – концентрация).
Таблица
1. Тангенсы углов наклона (коэффициенты bi)
сплавов на основе золота.
|
Ме (примесь) |
№ группы элемента |
№ периода элемента |
Твердость по Бринеллю кг/мм² dHB/dC, b5 |
Твердость по Виккерсу, кг/мм², b6
|
Микрот-вердость кг/мм², b7
|
Предел прочности кг/мм², b8
|
Относительное удлинение, % dδ/dC, b9 |
Предел текучести кг/мм² b10
|
Модуль нормальной упругости dE/dC, кг/мм², b11 |
Удельное электросопротивление, МкОм/см, dr/dC, с2 |
|
In |
3 |
5 |
0,67 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ir |
8 |
6 |
|
|
1,666 |
|
|
|
|
|
|
Cd |
2 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Al |
3 |
3 |
0,57 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Co |
8 |
4 |
0,56 |
|
0,57 |
|
|
|
|
|
|
Tl |
3 |
6 |
0,68 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ti |
4 |
4 |
0,50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Si |
4 |
3 |
1,01 |
|
|
|
0,08 |
0,22 |
75,36 |
|
|
Li |
1 |
2 |
0,15 |
|
|
0,05 |
0,21 |
0,35 |
16,02 |
7,15 |
|
Mg |
2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cu |
1 |
4 |
0,44 |
|
|
1,14 |
0,28 |
0,42 |
32,21 |
8,36 |
|
Ni |
8 |
4 |
1,93 |
0,30 |
1,34 |
|
|
|
|
|
|
Pd |
8 |
5 |
|
1,78 |
|
0,31 |
0,48 |
0,65 |
69,2 |
9,06 |
|
Pt |
8 |
6 |
3,35 |
0,68 |
|
0,21 |
0,26 |
0,41 |
51,1 |
7,18 |
|
Rh |
8 |
5 |
|
0,21 |
0,22 |
|
0,1 |
0,25 |
26,23 |
|
|
Ru |
8 |
5 |
|
|
|
0,06 |
0,07 |
0,22 |
32 |
9,35 |
|
Pb |
4 |
6 |
|
|
|
|
0,15 |
0,3 |
74,2 |
|
|
Ag |
1 |
5 |
0,54 |
|
|
0,14 |
0,32 |
0,46 |
38,01 |
8,39 |
|
Sb |
5 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zn |
2 |
4 |
1,34 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Zr |
4 |
5 |
|
|
|
|
0,12 |
0,26 |
72,55 |
|
Список литературы.
1. Вол А. Е., Строение и свойства
двойных металлических систем. / А. Е. Вол т. 1—4, М., 1959—62.
2. Леонов В. В., Никифоров А. Г.
Закономерности изменения свойств бинарных алюминиевых сплавов в зависимости от
состава сплава. / В. В. Леонов, А. Г. Никифоров // Металлургия: технологии,
управление, инновации, качество: труды XVIII Всероссийской научно-практической
конференции; под ред. Е. В. Протопопова; Сиб. Гос. индустр. ун-т. – Новокузнецк: Изд. Центр СибГИУ, 2014. – 445 с.
3. Леонов В. В., Никифоров А. Г.
Использование первых производных для выявления корреляционных взаимосвязей
между различными свойствами алюминиевых сплавов. / В. В. Леонов, А. Г.
Никифоров // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество: труды XVIII Всероссийской научно-практической
конференции; под ред. Е. В. Протопопова; Сиб. Гос. индустр. ун-т. – Новокузнецк: Изд. Центр СибГИУ, 2014. – 445 с.