2.2 Дәріс сабақтарының конспектісі
Дәріс 1. «Материалтану» пәніне кіріспе. Пәннің мәні мен мақсаты, негізгі анықтамалар және түсініктемелер.
Материалтанудың даму жолын 15 – 25 жылға болашақта, ғылыми тұрғыдан толық дәрежеде болжау өте қиын мәселе, себебі ғылым мен техника күннен – күнге қарқынды дамуда, материалдарға қойылатын жаңа талаптар жоғарлауда және күшеюде. Атақты ғалым – металлург А.А. Байковтың айтуы бойынша: «Барлық маңызды және ірі физика – техникалық және инженерлік зерттеулердің оптималды мүмкіндіктерін материал анықтайды».Физика, химия, металлургия, металлтану және технология салаларының алдыңғы қатарлы жетістіктері, ерекше қасиеттері бар жаңа заман талаптарына сай жаңа заман материалдарын жасаумен қатар ғылымның, техниканың және өндірістің қарқынды дамуына мүмкіндік береді.
Материалтану ғылымының металтану ғылымынан айырмашылығы, металдар мен қорытпалар ғана емес, металл емес заттар (пластмассалар, керамикалар, композиттер, ұнтақтар және т.с.с.) материалдардың кең зерттеледі.
Қазіргі замандағы материалтану – материалдардың электронды құрылымының, құрамының, құрылысының және химиялық, физикалық, технологиялық, қызметтік қасиеттерінің байланысын және олардың өзгеруін пайдалану кезінде әр түрлі термо – динамикалық және кинетикалық жағдайларда температуралық, механикалық, механика – термиялық және химия – термиялық тәуелділіктің өзгеру заңдылығына байланысты тағайындайтын ғылым.
Теориялық материалтанудың мақсаты – материалдар қасиеттерінің өзгеруін зерттеу, олардың құрамына, құрылымына, құрылысына, күй – жайына тәуелділікті анықтау, сонымен қатар олардың қасиеттеріне әсер ететін барлық факторларды зерттеу заңдылықтарын тағайындау. Ғылым ретінде материалтанудың негізгі мақсаты, материалдардың элементтік құрамы есептелетіннегізгі теория жасалады, ол үшін материалдардың пайдалану жағдайларында талап етілетін қасиеттерді алу, ол төтенше жағдайларда да тұрақты болуы керек.
Техникалық материалтанудың негізгі мәні – оптималды жоғары үнемді материалдарды және технологияларды жасаудан тұрады, олар металлургиялық және машина жасау өнімдерінің талап етілетін сапасы мен қасиеттерін қамтамасыз етеді. Техникалық материалтанудың мақсатына машина жасау өндірісінің бұйымдары мен шалафабрикаттарының қызметтік және пайдалану қасиеттерін жақсартумен байланысқан мәселелер, дәлдікті жоғарлату, механизмдер мен аспаптардың сенімділігі мен жұмысқа қабілеттілігін жоғарлату, олардың массасын төмендету, қымбат металдарды арзан металдар немесе қасиеттері жағынан тура келетін синтетикалық материалдармен алмастыру сияқты маңызды техникалық мәселелерді шешу болып табылады.
Қойылған мәселелерді нәтижелі шешу үшін болашақта жасалатын материалдардың өзекті мәселелерін анықтау қажет. Оның негізгі көрсеткіштері:
1. Қымбат тұратын және орны толмайтынметалдар қорын жаңа органикалық немесе бейорганикалық материалдармен алмастыру. Қазіргі кезде жаңа материалдар металдардың шамамен 6% – ғана ауыстыра алды.
2. Ерекше қасиеттері бар металдарды қолдану ауқымын кеңейту, бірінше кезекте атомдық, реактивті, электронды және ғарыш ғылымдары және техникасының қажеттіліктеріне арналған сирек және сирек жер металдарын қолдану.
3. Титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, рений сияқты қиын балқитын ауыспалы металдарды оптималды мөлшерде қолдану және алу, жұмыс температурасы интервалын кеңейту, ыстыққа беріктік және ыстыққа төзімділік шегін жоғарлату.
4. Таза және өте таза заттарды және вакуумды металлургияны алу технологиясын жасау. Тазартудың жаңа әдістерін қолдану – ион – алмастырғыш хроматография, иодидті әдіс, электролиз, дистилляция, газды фазада кристалдау. Атомдық реакторларға арналған уранды бор, литий, кадмий сынаптың жүз мыңдық пайыздық үлесінің қоспасы жарамсыздыққа алып келеді. Термоядролық реакторлардың материалдары үшін қоспалар үлесі 10-8 – 10-10% дәрежесінен аспауы керек. Ал жартылай өткізгіштер үшін, ол одан да аз 10-14% болуы керек.
5. Асқын өткізгіштерді зерттеу және жасау. Сұйық гелий атмосферасында (4,2 К) жұмыс істеуге қабілетті жоғары температуралы асқын өткізгішті металдарды және материалдарды алу.
6. Асқын өткізгішті материалдарды жасау және асқын өткізгіштік режиміндегі энергия үнемдейтін технологиялар арқылы бұйымдарды алу.
7. Эвтектикалық және эвтектоидтық қорытпалар негізінде табиғи композиттерді жасау.
8. Жылулық морттылық аймағы жоқ, қиын балқытын және сирек кездесетін металдарда жоғары созымды және аса таза монокристалдарын өсіру. Аққыштық құбылысын төмендету және өткізгіш – диэлектрик шекарасында жоғары вольтты беріктіктті жоғарлату үшін, берілген кристаллографиялық бағыттаушысы бар монокристалдарды өндіру технологиясын игеру.
9. Темір, алюминий, мыс, титан, никель негізіндегі дәстүрлі материалдарды алу және өндіру технологиясын жетілдіру. Өндірістік металдардың тізімін кеңейту. 104 химиялық элементтің 76 – сы металл болып табылады, соның 10 – нан астамы ғана қолданылады.
10. Экстремалды жағдайларда қолдану кезіндегі материалдар құрылымы мен қасиеттерін басқару: жоғары және төмен температуралар, абсолютті вакуум, аса жоғары қысым, жоғары толқындар, жоғары жылдамдықтар және зымырау, әр түрлі сәулеленулер және жоғары энергия бөлшектері, күшті электрлік, магниттік және ультрадыбысты аймақтар, сәйкестіктің болмауы, ашық ғарыш және т.с.с. Пәннің теориялық негіздеріне физика және химияның сәйкес бөлімдері болып табылады, бірақ материалдар туралы ғылым қолданбалы болып табылады және тәжірибелік жолмен дамуда.
Сондықтан құрылымды (құрылысты) зерттеудің жаңа әдістері және физика – механикалық қасиеттерін жасау материалдар туралы ғылымның одан әрі дамуына көмектеседі. Машина жасау материалдары туралы ғылымның дамуына үлкен үлес қосқан Д.К. Чернов, 1868 жылы қатты күйіндегі болаттың құрамына байланысты белгілі бір температураға дейін қыздырғанда, олардың қасиеттерінің өзгеруіне алып келетін ішкі түрленулер өтетіні анықталған. Соның нәтижесінде материалдардың құрылымы, қасиеттері және құрамы арасындағы байланыс көрсетілген болатын. Д.К. Черновтың жаңалығын бүкіл әлем мойындады. Критикалық нүктелер деп аталатын, металдардың ішкі түрленулері өтетін температуралар туралы Д.К. Черновтың көзқарасы металдар мен қорытпалардың қасиеттерін өзгертудің кеңінен таралған әдісі – термиялық өңдеу туралы ғылымның негізі болды. Д.К. Черновтың жаңалығына П.П. Аносовтың жұмыстары да негіз болды, ол өз зерттеулерінде болаттың сапасы оның химиялық құрамына ғана емес, оның құрылымына да тәуелді болатынына көңіл аударды; бірінші рет уландырылған болатты зерттеу үшін микроскоп қолданды, сонысымен макро – және микроскопиялық талдаудың бастамасына жол салды. Физика – химиялық зерттеулердің және күрделі фазаларды сыныптаудың әдістерін дамытуда Н.С. Курнаковтың жұмыстары маңызды орын алады; ол өз зерттеулерінде қорытпа қасиеттері олардың құрамына тәуелді болатыны туралы тұжырым жасады. Орыстың ұлы ғалымы А.М. Бутлеровтың жұмыстарына, органикалық қосылыстардың химиялық құрылымының теориясы еңбегі, синтетикалық материалдарды (полимерлер, пластмассалар) алудың ғылыми негізіне жол ашты. С.В. Лебедев әлемде бірінші рет синтетикалық каучуктың өнеркәсіптік өндірісін жасады. Металдарды өркениеттің іргетасы деп атады. Егер өнеркісіптің дамуын бақылайтын болсақ, онда өркениетті адамзат қоғамы жағдайының өсуімен қатар, олардың металға деген қажеттілігінің өсуін байқауға болады. Металдар конструкциялық материалдарды жасау үшін кеңінен қолданылатын құралғыштар болып табылады. Олар қорытпаның негізі немесе легірлеуші қоспалар және өте сирек таза күйінде қолданылады. М.В. Ломоносов металдарға келесі анықтама берді: «Металдар мағынасы – жылтыр денелер, оларды соғумен өңдеуге болады». Уақыт өте келе бұл анықтама қатты өзгеріске ұшырады.
Металдар деп – кристалдық торы бар, металдық жылтырлығымен ерекшеленетін, жақсы жылу және электр өткізгіштікке, жоғары созымдылық пен пісірілгіштікке ие болатын химиялық элементтерді атаймыз. Металдар қара және түсті деп бөлінеді. Қара металдарға темір және оның қорытпалары, кобальт, марганец, никель (қара – сұр түске ие, үлкен меншікті салмағы бар, жоғары балқу температурасымен, салыстырмалы жоғары қаттылыққа ие болады) жатады. Өз кезегінде қара металдар төмендегідей топтарға бөлінеді:
– темір металдары (ферромагнетиктер деп аталатын темір, кобальт, никель, және оларға жақын марганец);
– қиын балқитын – балқу температуралары темірдің балқу температурасынан (1539 єС) жоғары болатын;
– уранды металдар – актинидтер, атомдық энергетикаға арналған;
– сирек жер металдары (СЖМ) – басқа металл қорытпаларына қосым ретінде қолданылады;
– сілтілік жер металдары.
Түсті металдардың бөлінуі:
– жеңіл – меншікті салмағы аз болатын (алюминий, магний, бериллий);
– ауыр – мыс, висмут, мышьяк және т.б.;
– асыл – күміс, алтын, палладий, иридий, осмий, платина, рутений;
– жеңіл балқитын – мырыш, қалайы, қорғасын және т.с.с.
Сонымен қатар, әр түрлі температуралар кезінде екі және одан да көп тұрақты түрдегі кристалдық торы бар металдар кездеседі. Бір металдың әр түрлі температуралар кезінде түрлі кристалдық тор түрлерінің (түрөзгертуге) болуы полиморфизм немесе аллотропия деп аталады. Кристалдық тор құрылымының өзгеруі, міндетті түрде қасиеттерінің өзгеруін тудырады. Полиморфты металдарға темір, кобальт, қалайы, марганец, титан, цирконий, уран жатады. Бір ғана кристалдық торға ие болатын металдар изоморфты деп аталады.
Материалтанудаң даму келешегі және оны жаңа даму деңгейіне жеткізу үшін құрылым, физикалық және химиялық қасиеттер туралы тәжірибелік ақпараттарды алу, оларды мыңдаған жаңа қорытпалар және қосылыстармен байланысын зерттеу, материалдарды теориялық жинақтау, жалпы заңдалақтарды белгілеу және берілген оптималды үйлестірілген құрылымымен механикалық, электрофизикалық, технологиялық және эксплуатациялық қасиеттерімен металдық материалдарды жасау жолдарының ұсыныстарын беру керек. Басқа сөзбен айтқанда, металл және металл емес материалдар негізінде «ескі» металтануды қарқынды дамыту және «жаңа» материалтануды жасау керек. Ғылыми – техникалық прогресс және ғылым мен техниканың жаңа бағыттары қатарының дамуы, тек қана жаңа конструкциялық материалдарды жасауды ғана талап етпейді, сонымен қатара техниканың әр түрлі салаларында қолданылатын конструкциялық және аспаптық материалдарды жасаудағы өңдеу әдістерін де жасауды талап етеді. Қатты денелердің нақты құрылымын зерттеу, теориялық зерттеулерге жақын, атом аралық байланысы анықталған беріктігімен берік материалдарды алу, пішінін есте сақтайтын композициялық материалдарды жасау және т.б. принциптік мүмкіндігін көрсетеді.
Нег. 3 8 – 12
Бақылау сұрақтары:
1 Материалтану дегеніміз не?
2 Материалтанудың мәні неде?
3 Материалтанудың мақсаты неде?
4 Материалтанудың қандай өзекті мәселелерін білесіз?
5 Материалтану қандай негізгі бөлімдерге бөлінеді?
6. Металдар дегеніміз не?
7. Металдар қандай топтарға бөлінеді?
8. Қара металдарға қандай металдар жатады?
9. Түсті металдарға қандай металдар жатады?
10. Қандай металдар қиын балқитын металдар деп аталады?
Дәріс 2. Металдар мен қорытпалардың қасиеттері және оларды анықтау әдістері.
Машина жасау өндірісінің сенімді және сапалы өнімдерін шығаруды қамтамасыз ететін негізгі факторлардың бірі болып әр түрлі бұйымдар мен конструкциялар үшін металдарды дұрыс таңдау болып табылады. Ол үшін тетікбөлшектер мен конструкциялардың жұмыс жағдайларын және оларды жасауға қолданылатын металдардың қасиеттерін жақсы білу керек.
Металдар мен қорытпалар бірнеше топтарға бөлінеді: физикалық, механикалық, химиялық, технологиялық, арнайы (жұмыс істеу кезіндегі немесе эксплуатациялық).
Металдардың физикалық қасиеттері. Тығыздық (кг/м3) – металл массасының оның көлеміне қатынасы. Төмен тығыздықты металдарды жеңіл конструкцияларды дайындау үшін қолданады, мысалы, магний және алюминий қорытпалары самолет жасауда қолданылады. Балқу температурасы (°С) – металдың сұйық күйге өтетін температурасы. Жеңіл балқытын қорытпалар – алюминий Тбал 660 °С бастап, қалайы Тбал 232 °С, қиын балқитын – вольфрам Тбал 3416 °С, темір Тбал 1539 °С бастап балқиды. Жылулық кеңею – қыздыру кезіндегі дене көлемінің (ұзындығының) біртұтас ұлғаюы. Кеңею коэффициентімен сипатталады (град -1). Бұл коэффициент температура бір градусқа өзгерген кездегі дененің сызықты өлшемдерінің салыстырмалы өзгеруін көрсетеді. Әдетте ол температуралардың кең ауқымды аралығын сипаттайтын: 0 немесе 20 °С – тан берілген температураға дейінгі сызықты кеңеюдің орташа коэффициентін анықтайды. Көлемдік кеңеюдің коэффициенті сызықты кеңеюдің коэффициентінен үш есе артық болады. Металды таңдау кезіндегі жылулық кеңеюді ауыспалы және жоғары температуралар кезінде жұмыс істейтін конструкциялар үшін есептеледі. Көміртекті болат үшін 20 °С кезіндегі сызықты кеңею коэффициенті 12 – 10 – 6, вольфрам үшін – 4,3 – 10 – 6, дуралюминий үшін – 22 – 10 – 6 град – 1 құрайды. Жылу өткізгіштік [Вт/(м.К)] – қыздырылған аймақтан салқын аймаққа жылуды тасымалдау қабілеті. Жылу өткізгіштік коэффициенті Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты может пройти перпендикулярно площади 1м2 на расстояние 1м при разности температур 1К на противоположных сторонах куба. Жылу өткізгіштік тізбектерді құрастыру кезінде есептейді, бұл уақытта металл қызып кетпеуі керек. Болат үшін жылу өткізгіштік коэффициенті 45,4; алюминий үшін 209,3; күміс үшін 418,7 Вт/(м.К) тең болады. Электр өткізгіштік – металдың электр тоғын өткізу қабілеті. Температура жоғарлаған сайын электр өткізгіштік төмендейді, ал төмендегенде – жоғарлайды. Электр өткізгіштік электр сымдарын және әр түрлі датчиктерді дайындауға арналған материалдарды таңдау кезінде ескеріледі. Алюминийдің 20°С температура кезіндегі салыстырмалы электр кедергісі 2,69 ∙ 10 - 6, вольфрам үшін – 5,5 ∙ 10 -6, мыс үшін – 1,67 ∙ 10 -6 Ом/см болады.
Магниттік қасиеттер магниттік қабылдау қабілетімен сипатталады – магниттік аймақтарда заттардың магниттелу қабілеті. Жақсы магниттелетін заттарды ферромагнетиктер деп атайды. Олар темір, никель, кобальт, неодим және электротехника мен аспап жасауда қолданылатын олардың бірқатар қорытпалары.
Металдар мен қорытпалардың механикалық қасиеттері. Металдардың негізгі механикалық қасиеттері беріктік, серпімділік, созымдылық, қаттылық және тұтқырлық болып табылады. Механикалық қасиеттер деп – Под механическими свойствами понимают совокупность свойств, характеризующих сопротивление металла действию приложенных к нему внешних механических сил (нагрузок). Күштер түсірілуіне байланысты статикалық (баяу жылдамдықпен бірқалыпты түсірілетін), динамикалық (кенет және үлкен жылдамдықпен түсірілетін) қайталанатын – ауыспалы (бірнеше рет түсірілетін, түсіру салмағы немесе салмағы және бағыты бойынша өзгеріп тұратын) болуы мүмкін. Жүктемелердің әсер ету уақыты және өзгеру сипатына байланысты механикалық сынаулар: статикалық сынаулар (созуға, сығуға, июге, бұрауға, қаттылыққа), динамикалық сынаулар (соққымен июге), шаршауға сынау ( жүктемелерді қайталанатын – ауыспалы түсіру кезінде) деп бқлінеді.
Ұзақ уақыт жоғары температуралар кезіндегі механикалық сынаулар (ползучесть, ұзақ уақытқа беріктік және т.б.) жеке топты құрайды. Металдардың механикалық қасиеттерінің деңгейі арнайы үлгілерді сынаумен анықталады.
|
2.1 – сурет. Аз көміртекті болатардан жасалған үлгілерді созуға сынау кесте сызбасы (а) және салыстырмалы аққыштық шегін анықтау сұлбасы (б) |
Созуға сынау кезінде: пропорционалдық шегін, серпімділік шегін, аққыштық шегін, уақытша кедергіні (беріктік шегін), үзілуге нақты кедергіні, үзілуден кейінгі салыстырмалы ұзаруды, үзілуден кейінгі салыстырмалы тарылуды анықтайды. Сынау машинасында үлгіні созу кезінде сызатын аспап созу кесте сызбасын сызады (2.1 – суретке сәйкес). Ол үлгі деформациясының созу жүктемесіне тәуелділігін көрсетеді. Бұл кесте сызбада ординат осьі бойынша жүктеме Р, ал абсцисса осьі бойынша үлгінің абсолютті ұзаруы ∆1 орналастырылады. |
Егер Рпц жүктемені алып тастаса, онда үлгі қабылдаған деформация жоғалады және үлгі өзінің бастапқы күйіне келеді. Егер де жүктемені жоғарлатсақ, онда 0А түзуінің түзу сызықты бағытынан ауытқуы байқалады. Сондықтан Рпц жүктемесі шекті болып табылады, бұл кезде түсірілетін күш пен үлгі деформациясы арасындағы пропорционалдық сақталады. Тура пропорционалдық заңы Гук заңы деген атауға ие: салыстырмалы сызықты деформация е сәйкес қалыпты (ауданға перпендикуляр әсер ететін) кернеуге σ тура пропорционал, атап айтсақ = σ /Е.
Е өлшемі металдың серпімді деформацияға қарсыластық қабілетін сипаттайды. Бұл өлшем бірінші текті серпімділік модулі немесе Юнг модулі деп аталады. Е өлшем бірлігі (Н/м2) күштің ауданға қатынасымен сипатталады. Әр түрлі металдар түрлі қатаңдыққа ие болады, атап айтсақ, әр түрлі серпімділік модулінің өлшемдеріне. Болаттарда серпімділік модулі Е (20 – 21).104 аралығында, жездерде – (10 – 11).104, алюминий қорытпаларында – (7 – 8).104 Н/мм2 аралығында болады. Пропорционалдық шегі σпц (Н/мм2) представляет напряжение, выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца: σ пц = Рпц/Fо, где Fо — площадь поперечного сечения образца. А нүктесінен жоғары В нүктесі орналасады, үлгінің анықталған қалдық ұзаруын тудыратын жүктемеге сәйкес келеді: егер жүктемені алып тастайтын болсақ, онда үлгі ұзындығы бастапқы ұзындықтан артық болады. Тәжірибелік мақсаттар үшін қалдық ұзарудың өлшемдерін үлгінің бастапқы есептелген ұзындығынан 0,05 % тең деп алады.
Үлгінің бастапқы есептелген ұзындығынан қалдық ұзару 0,05 % дейін жететін кернеуді серпімділіктің шартты шегі деп атайды. Жүктемені одан әрі қарай Рт (С нүктесі) арттырғанда, кесте сызбада қисық сызықты аймақ пайда болады, олар жұмсақ материалдарды сынау кезінде горизонталь ауданға өтуі мүмкін. Бұл шамалы жүктеменің өзі үлгінің деформациясын «аққыштығын» тудыратынын көрсетеді. Жүктемені алып тастағаннан кейін үлгі қалдық деформацияны сақтайды. Аққыштық шегі (физикалық) дегеніміз – жүктемені белгісіз ұлғайту нәтижесінде үлгінің деформацияланатын ең кіші кернеуі. Жүктеменің белгісіз ұлғаюының нәтижесінен үлгінің деформациялануынан туындайтын түсірілген күштің Рт мөлшерін сынау машинасының күш өлшейтін қондырғысының тілшесінің тоқтауы бойынша анықтауға болады. Аққыштық шегі σ, Н/м2 (физикалық) мына формула бойынша анықталады: σ =PT/F0. Көптеген металдарды сынау кезінде кесте сызбада горизонталь ауданы болмайды. Мұндай жағдайларда шартты аққыштық шегін σ0,2 анықтайды: үлгінің есептелген бастапқы ұзындығынан қалдық ұзаруы 0,2 % құрайтын кернеу. Аққыштық шегін σ0,2 (Н/м2) (кгс/мм2) мына формула бойынша анықтайды: σ0,2 = Р0,2/ F0. Түсірілетін күшті Р0,2 анықтау үшін О нүктесінен абсцисса өсінен оңға қарай сәйкес масштабта үлгінің бастапқы есептелген ұзындығынан 0,02 % тең болатын, созу кесте сызбасымен қиылысқанға дейін (С нүктесі) ОА – ға параллель түзу жүргізеді. С нүктесі Р0,2 ординатаның биіктігін анықтайды, атап айтсақ аққыштық шегіне жауап беретін жүктемені анықтайды. Үлгінің қирауын тудыратын жоғары жүктеуге сәйкес келетін
Рmax кернеу – уақытша кедергі σв (Н/м2) (МПа) деп аталады және мына формуламен есептеледі: σmax = Р max/F0. Морт металдар σв қирау қарсыластығымен, ал пластикалық металдар – пластикалық деформацияға жоғарғы қарсыластығымен сипатталады. Әрі қарай жүктеу азаяды. Бұл пластикалық металдың көлденең қимасында орынды тарылудың пайда болуымен байланысты болады (мойын түзіледі) және Е нүктесінде үлгі қирайды. Созу кезінде жақсы пластикалық деформацияланатын пластикалық материалдарда тағы бір сипаттама бар – созуға нақты қарсыласу SK (Н/м2) (МПа). Бұл кернеу үзілу моментіндегі түсірілетін күштің Рк үзілуден кейінгі FK үлгінің көлденең қимасының минималды ауданына қатынасымен анықталады: SK = P · K/F. Салыстырмалы ұзару мен салыстырмалы тарылу. Үзілуден кейінгі салыстырмалы ұзару δ (%) – үзілуден кейінгі үлгінің есептелген ұзындығының (lк – l0) ұзарудың бастапқы ұзындығына қатынасымен сипатталады: δ = (lк – l0)/l0. Үзілу кезіндегі металдың пластикалығы екі сипаттама бойынша анықталады: Үлгінің салыстырмалы тарылуы – үлгінің көлденең қимасының ауданының азаюының бастапқы ауданына қатынасы пайыздық мөлшерде сипатталады. Салыстырмалы тарылу мына формула бойынша сипатталады:
= [ (F0 – Fк) / F0] ∙ 100 %,
мұнда FK – үзілуден кейінгі үлгінің көлденең қимасының ауданы.
Салыстырмалы тарылуды анықтау үшін үлгінің үзілуден кейінгі өзара перпендикуляр екі бағыттағы минималды диаметрін өлшейді. Алынған мәліметтердің орташа арифметикалығы бойынша көлденең қимасының ауданын Fк есептейді.
Қаттылыққа сынау. Қаттылық деп – материалдың одан қатты дененің енуіне қарсыластық көрсету қабілетін айтамыз. Кез – келген әдіспен қаттылықты өлшеу кезінде сыналатын үлгінің немесе тетікбөлшектің беті жалпақ тегіс бетті болуы керек, себебі цилиндрлі үлгілердің қаттылығын өлшеу кезінде, сол қаттылықтығы жалпақ бетті үлгіге қарағанда ұштықтың енуі тереңірек болады, сондықтан қаттылықтың мәні төмендеу болады. Үлгі немесе бұйым беті горизонталь және ешқандай күйік, ойық, кір, әртүрлі бүркемелер сияқты ақаулары болмауы керек. Беттік ақаулардың барлығы майда түйірлі зімпара шеңберімен, егеумен немесе зімпара қағазымен жойылады. Үлгіні өңдеу кезінде үлгі бетінің қыздырылуы немесе қақталуы нәтижесінде қаттылықтың өзгермеуін қамтамасыз ету қажет. Сыналатын бұйымға немесе үлгіге іздерді түсіру кезінде, түскен іздердің арасындағы және үлгінің шетіне дейінгі арақашықтығы 3 мм кем болмауы керек. Жүктемені одан әрі жоғарлатқан кезде Рв (D нүктесі) пластикалығы жоғары металдарда үлгінің ұзындығы және көлденең қимасы бойынша біртекті деформация өтеді, ал морт металдарда мұндай жүктеулер кезінде қирау болады.
Қаттылықты анықтаудың көптеген әдістері бар, олар үштықтың әсер ету сипаты бойынша ажыратылады. Қаттылықты өлшеу ұштықты басып – батыру, бетті тырнау және шарикті ұштықтың соғылуы және секіруі арқылы жүргізіледі. Қаттылықты өлшеудің басып – батыру әдісі кеңінен қолданылады. Бұл әдіспен алынған металдың қаттылығының өлшемдері металдың (мыстың, дюралюминийдің, жасытылған болаттардың) беріктігін сипаттайды. Екіншіден, қаттылықты өлшеудің орындау техникасы бойынша, қаттылықты – микроқаттылықты, беріктікті, созымдылықты, тұтқырлықты анықтауға қарағанда айтарлықтай қарапайым болады. Үшіншіден, қаттылықты өлшеу нәтижесінде тексерілетін тетікбөлшектің қирау болмайды және төртіншіден, қаттылықты өлшемдері мен қалыңдығы кішкентай тетікбөлшектерде, сонымен қатар металдың өте жұқа қабаттарында өлшеуге болады.
Қаттылықтың мәні металдың құрылымы және оның химиялық құрамынан тәуелді болады. Соған байланысты қаттылықты өлшеу өндірістегі болаттардың қасиеттерін және термиялық өңдеу сапасын бағалау үшін кеңінен қолданылады. Қаттылықты басып – батыру арқылы анықтаудың негізгі түрлері: болат шарикті батыру арқылы қаттылықты анықтау (Бринелль әдісі бойынша); Роквелл әдісі бойынша қаттылықты анықтау (R – Rockwell – ағылшынша – бірінші әріп әдістің аталуы), үлгі немесе тетікбөлшекке төбесінің бұрышы 120° болатын алмазды конусты немесе диаметрі 1,588 мм (1/16 дюйм) болатын шынықтырылған болат шарикті ұштықтарды батыру арқылы жүргізіледі; Виккерс әдісі бойынша қаттылықты анықтауда төбесіндегі бұрышы 136° және негізі текше болатын төрт қырлы алмазды пирамиданы батыру арқылы жүргізіледі. Сыналатын материалға алмазды пирамида Р жүктемесінің әсерімен батырылады, ал 49 – дан 1176 Н – ға дейінгі аралықта таңдалады және микроқаттылықты өлшейді.
Қаттылықты өлшеудің басқа да әдістері. Қаттылықты өлшеудің жоғарыда қарастырылған әдістерінен басқа, кейбір себептерге байланысты (мысалы, массивті конструкция, бұйым бетінің күрделі конфигурациясы) бұл әдістер қолданылмайтын болса, өндірістік жағдайларда қаттылықты анықтаудың басқа да әдістері қолданылады. Олардың кейбіреулері стандартталған. Массивті тетікбөлшектер мен құрылымдардың қаттылығын анықтау үшін соққы ізінің әдісі қолданылады. Үлкен өлшемді және ауыр бұйымдардың қаттылығын (бойек) серпімді секіру әдісімен өлшеуге болады (Шор әдісі).
Сонымен қатар металдар мен қорытпалардың механикалық қасиеттерін анықтау үшін созуға сынау, соққылы июге сынау, шаршауға сынау жүргізіледі. Механикалық сынаудан басқа металдық материалдарға тетікбөлшекті дайындау процессі кезіндегі технологиялық операцияларға қасиеттерін анықтау мақсатында технологиялық сынаулар (ию, шөгу, перегиб, сығу) жүргізеді. Технологиялық сынаулар материалдардағы ақауларды анықтауға мүмкіндік береді (жарықтар, қабаттанулар, үзілулер). Негізінен оларды тетікбөлшектердің сапасын бақылау үшін қолданады.
Металдардың технологиялық қасиеттері. Әртүрлі құрылымдар мен тетікбөлшектерді дайындау үшін металдың жарамдылығын барлық уақытта физикалық және механикалық қасиеттері бойынша бағалауға болмайды. Металдың сапасын нақты бағалау үшін оның технологиялық қасиеттерін анықтауды жүргізеді. Оларға жататындар:
- құйылуға қабілеттілігі;
- металдар мен қорытпалардың қысыммен өңделуге қабілеттілігі;
- термиялық, химия – термиялық және термия – механикалық өңдеуге қабілеттілігі;
- кесумен өңдеуге қабілеттілігі;
- пісірілгіштік және дәнекерлік.
Арнайы (эксплуатациялық) қасиеттер. Қасиеттердің бұл тобына:
- тозуға төзімділік;
- жемілілуге тұрақтылық;
- ыстыққа тұрақтылық және ыстыққа беріктік;
- фрикциондық және антифрикциондық қасиеттер;
- магниттік қасиеттер және т.б. қасиеттер жатады.
Нег. 2[87 – 117]
Бақылау сұрақтары:
1. Созуға сынау кезінде металдардың қандай қасиеттерін анықтайды?
2. Беріктік шегі және аққыштық шегі нені сипаттайды (физикалық және шартты)?
3. Уақытша кедергі нені сипаттайды?
4. Үзілуге нақты қарсыластық дегеніміз не?
5. Салыстырмалы ұзару және салыстырмалы тарылу дегеніміз не және оларды қалай есептейді?
6. Созуға сынау қалай жүргізіледі?
7. Соғып ию сынауының мәні неде?
8. Беріктікке сынаудың мәні неде?
9. Бринелль әдісі бойынша қаттылықты анықтау қалай жүргізіледі?
10. Роквелл әдісі бойынша қаттылықты анықтау қалай жүргізіледі?
11. Виккерс әдісі бойынша қаттылықты анықтау қалай жүргізіледі?
12. Соғып із қалдыру әдісімен қаттылықты қалай есептейді?
Дәріс 3. Металдар мен қорытпалардың атомдық – кристалдық құрылымы. Металдар мен қорытпалардың кристалдануы.
Табиғатта кездесетін барлық денелер атомдардан тұрады. Атомдар деп –
Атом деп – қарапайым заттың барлық химиялық қасиеттері ие болатын және осы затқа тән химиялық әрекеттесуінің барлық түріне түсетін ұсақ түйірлерін айтамыз.Әр түрлі элементтердің атомдарының өлшемдері әр түрлі. Олар атордардың радиусының 0,528 – ден 2,4 · 10–8 см аралығында болатын өлшемдерімен сипатталады, атап айтсақ, атомдар радиусы сантиметрдің жүздеген миллион үлесіне сәйкес келеді. Атомдар протондардан, бейтарап бөлшектер (нейтрондардан) құралған оң зарядталған ядродан және теріс зарядталған ядроны айналып жүретін электрон бөлшектерінен құралады. Электрондар саны 1 – ден 96 – ға дейін ауытқып жүреді және периодтық жүйедегі элементтердің реттік санымен анықталады. Айналып жүретін электрондар сипаттайтын орбиталар, қозғалатын электрондардың энергия деңгейімен белгіленген, ядродан белгілі бір қашықтықта орналасады. Элементтердің қасиеттері ішкі орбитада орналасқан электрондар санына тәуелді болады. Бұл электрондар валенттілік деп аталады. Бір атомның ішкі орбитасында орналасқан электрондар басқа атомның ішні орбитасына ауыса алады және атомдар арасында еркін қозғала алады. Бос электрондардың әрекеті газ атомдарының қозғалысын сипаттайтындықтан, өте жиі бос электрондарды электронды газдар деп атайды. Металдардағы электронды газдардың болуы, олардың электр өткізгіштік және жылу өткізгіштік қасиетінің жоғары болуымен түсіндіріледі. Бір немесе бірнеше электронын жоғалтқан атомдар иондар деп аталады. Литий, натрий сияқты бір валентті металдарда бір электрон атоммен өте әлсіз байланысқан, сондықтан кристалл түзілу кезінде бір бос электрон пайда болады.
Екі валентті металдарда (барий, кальций) екі электрон және т.с.с. оңай беріледі. Бір денелер кристалдық, ал екіншілері аморфты құрылымға ие болады. Аморфты денелерде атомдар ретсіз орналасады. Мысал ретінде шыныны, шайырды, целлюлозаны, канифольды, эбонитті және т.с.с. жатқызуға болады, бірақ кейде шыныда кристалдану болады, ол өз кезегінде шынының бұлдырлығына әкеледі. Бұл құбылыс расстекловыванием деп аталады. Аморфты денелер изотропты қасиетке ие болады – грек сөзінен изос (бірдей немесе бірыңғай) және тропос (сипаттама немесе мінездеме), – барлық бағыттары бойынша бірдей дегенді білдіреді. Кристаллдар керісінше анизотропты, атап айтсақ, олардың қасиеттері әр түрлі бағыттарда бірдей емес. Аморфты денелер белгілі бір балқу температурасына ие болмайды. Олар балқымайды, тек қана жұмсарады. Осы күйден сұйық күйге өту баяу сұйық тамшылардың түзілуінсіз өтеді.
Барлық металдар кристалдық денелерге жатады. Дененің кристалдық құрылымы оны құрастыратын бөлшектердің (молекулалар мен атомдар) дұрыс орналасуымен сипатталады, яғни олар кеңістіктік тор құрады. 3.1 – суретте элементтердің кеңістіктік торларының негізгі түрлері көрсетілген. Атомдарды қосып тұрған сызықтар шын мәніне келгенде болмайды. Олар ойлап табылған. Атомдар түйіндерінде, тор орталарында шекара орталарында орналасуы мүмкін. Көптеген жағдайларда металдар центрленген немесе қабырғалық центрленген текше торына және гексагональды торға ие болады. Қабырғалық центрленген текше торы бар элементтерге алюминий, кальций, темір, стронций, родий, күміс, платина, алтын, қорғасын және басқа да элементтер жатады. Көлемдік – центрленген текше торға литий, натрий, калий, титан, ванадий, хром, темір, мыс, цирконий, ниобий, молибден, цезий, барий, тантал, вольфрам және т.б. жатады. Гексагональды торға берилий, көміртегі, магний, кальций, титан, кобальт, мырыш, селен, цирконий, кадмий элементтері ие болады. Көміртегі және сұр қалайы алмаздың текше торы тәрізді болуы мүмкін. Олардың торында текшенің бұрыштырындағы атомдардан басқа, текшенің ішінде де бірқатар атомдар болуы мүмкін. Азот, оттегі, кремний, маргенец сияқты элементтер күрделі текше торға еи боледы (альфа және бета).
|
|
Тетрагональды тор марганец пен ақ қалайыда және ромбоэдрлік тор – оттегі, фосфор, күкірт, күшәла (мышьяк), высмут және т.б. ие болады. Кеңістіктік торлар бос электрондар мен сыртқы қабаттардың арасында пайда болатын күштердің көмегімен құрылады. Аталған күштер қыздыру температурасына тәуелді болады, сонымен қатар, терлелу периодынан, атомдардың (иондардың) орналасуынан, олардың арасындағы ара – қашықтықтан және сол сияқты факторларға тәуелді болады. Кеңістіктік торды бұзу үшін, аталған күшті жеңу жою керек, ол үшін қандай да бір жұмыс істеу керек. |
|
а – текшелік қарапайым; б – текшелік көлемдік – центрленген; в текшелік центрленген қабырғаларымен; г – тетрагональды қарапайым; д – тетрагональды көлемдік – центрленген; е – гексагональды; ж — ромбоэдрлік 3.1 – сурет. Қарапайым кеңістіктік торлардың түрлері |
Кристалдық тордағы атомдар тұрақты тербеліс қозғалысында болады. Қыздыру температурасы неғұрлым жоғары болса, соғұрлым терлеліс амплитудасы жоғары болады. Балқу температурасы кезінде тербеліс амплитудасы үлкейетіндіктен, тор қирауға ұшырайды.
Егер дененің сұйық күйден қатты күйге өтуі біртіндеп өтетін болса, онда түйірлердің дұрыс кеңістіктік орналасуы, қатты дененің дұрыс сыртқы пішінді болуымен бірге жүреді кристалл түрінде). Температураға байланысты атомдар кейде өзінің кеңістіктік тордағы орнын өзгертуі мүмкін. Ол өз кезегінде металдар мен қорытпалардың қасиеттерінің өзгеруіне әкеледі. Кеңістіктік тордың қайта құрылуы белгілі бір мөлшерде жылудың бөлінуімен немесе жұтылуымен бірге жүреді. Металдың қасиетіне тордың жинақы болуы әсер етеді, атап айтсақ, атомдардың алатын көлемінің қатынасы тор көлеміне қатынасымен анықталады. Бұл қатынасты жинақтылық коэффициенті деп аталады.
Берілген атомнан бірдей қашықтықта орналасқан атомдар саны координациялық сан деп аталады. Координациялық сан неғұрлым жоғары болса, онда тор жинақты және тұрақты болады. Текшелік тордың координациялық саны алтыға тең, центрленген текшеде – 8, қабырғаларына центрленге текше торында – 12 тең болады.
Кристалдарда әрқашан криталдық тордағы атомдардың орналасуының бұзылуынан туындайтын құрылымдық ақаулар болады. Кристалдық құрылым дұрыстығының бұзылуының сипаты мен дәрежесі металдардың қасиеттеріне айтарлықтай мөлшерде әсер етеді. Геометриялық көрсеткіштері бойынша кристалдық құрылым ақауларын нүктелік, сызықтық және беттік деп бөлуге болады.
Нүктелік ақауларға вакансиялар және түйін аралық атомдар жатады. Атомдар тор түйіндерінің маңайында тербелісте болатыны белгілі. Қыздыру осы тербелістердің амплитудасын ұлғайтады. Берілген тордағы металл атомдарының көбі бірдей (орташа) енергияға ие болады, бірақ жеке атомдар орташа энергиядан жоғары энергияға ие болады және бір орыннан екінші орынға ауыса алады. Осындай атомдар, әсіресе, дененің бетіне жақын орналасқан атомдар дене бетіне шығады, ал олардың орнын беткі қабаттан қашық орналасқан атомдар басады. Пайда болған бос орын вакансия деп аталады. Қысыммен өңдеу, сәулелендіру, және өңдеудің басқа түрлері кезінде температура жоғарлаған сайын вакансиялар саны жоғарлайды.
|
|
Вакансиялар металдар мен қорытпаларда өтетін диффузиялық процестерде маңызды роль атқарады. Түйін аралық ақаулар атомдардың тор түйінінен кристалдық тордың түйін аралығына өту нәтижесінде түзіледі. Нүктелік ақаулар кристалдық тордың қисаюына әкеледі. Сызықты ақауларды дислокациялар деп атайды. Дислокацияның екі түрі бар – ернеулік (краевой) және бұрандалық (винтовой). |
|
а – вакансия; б – түйін аралық атом 3.2 – сурет. Кристалл тор ақаулары |
Ернеулік дислокация деп кристалдық тордың бір бөлігінің бұрмалануын айтамыз, бұрандалық дислокация жазықтықтар бойынша кристалдың толық емес жылжуында түзіледі. Дислокациялар кристалдану процесінде, термиялық және химия – термиялық өңдеуде, созымдылық деформация және қорытпа құрылымына әсер ететін өңдеудің басқа түрлерін жүргізгенде түзіледі. Дислокациялар жылдам қозғалыспен сипатталады. Бұл жағдай кристалдық тор дислокация аймағында серпімді бұрмаланған, ал жылжытылған атомдар тепе – теңдік күйге көшуге ұмтылады. Металдардың қасиеттеріне дислокация тығыздығы ғана емес, сонымен қатар олардың барлық көлемде орналасуы да әсер етеді.беттік ақаулар деп жеке кристалдар немесе олардың жиынтықтарының арасындағы беттік бөлінулерден тұрады. Түйір шекараларындағы атомдардың орналасуы түйірдегі атомдардың орналасуына қарағанда дұрыс емес болады.
Металдар мен қорытпалардың кристалдануы. Д.К. Чернов тұңғыш рет болаттың кристалдануын зертеуді бастады. Зерттеуінде ол бұл процесті тұздардың кристалдануы тәрізді болатынын, кристалдану орталықтарының пайда болатынын және осы орталықтардан кристалдар өсетінін атап көрсетті. Оның болаттың кристалдануы және қайта кристалдануы туралы жұмыстары бұл бағыттағы басқа зерттеулерге негіз болды. Одан әрі қарай кристалдану процессін зерттеумен Г. Тамман айналысты. Ол кристалдану орталықтарының санының сызықты тәуелділігі және салқындау дәрежесінен кристалдану жылдамдылығының тәуелділігі деген түсініктерді енгізді. Совет ғалымдары Б. О. Гаген-Торн, В. И. Данилов және т.б. еңбектерінде кристалдың пайда болуына туындылардың өзі түзілуі емес, ұсақ ерімейтін қоспалардың болуы әсер ететіндігі анықталды.
|
3.3 – сурет. Кристалдың сұлбалық көрінісі (Д. К. Чернов) |
Қолайлы жағдайлар кезінде кристалдану орталықтарынан әр түрлі жылдамдықпен үш бағыт бойынша кристалдар өсуін бастайды және олардың тармақтары кездеспегенге дейін өседі. Қатаю нәтижесінде ағаш тәрізді пішінге ие болатын үлкен кристал түзіледі. Бұл кристалдар дендрит деген атауға ие болды. Дендрит ағаш пішінді көлемге ие болады (3.3 – суретке сәйкес), ол ағаш тәрізді негізгі өзектен (а) және кесе – көлденең қырлық тармақтарға (б) ие болады. «Дендрит» деген атаудың өзі гректің «дендрон» ағаш тәрізді деген сөзінен алынған. |
3.4 – суретте Д.К. Черновтың атақты кристалы көрсетілген. Бұл кристалл мартен болатының 100 тонналық құймасының шөгу қаяуында оның қызметкерімен байқалған.
Ұзындығы 39 см болатын кристалда дұрыс орналасқан осьтер жақсы көрсетілген. Соңғы кездері салмағы 1 кг жететін кристалдарды алудың жасанды әдістері жасалған. Мысалы, егер ұзың диаметрі өте үлкен емес балқытылған жеңіл металы бар шыны құтыны, металдың балқу температурасынан бірнеше градусқа жоғары қыздырылған пештен өте баяу жылжытатын болсақ, онда бір жақты салқындату әсерінен бір үлкен және бірнеше ұсақ кристалдардың түзілуімен металдың қатаюы жүреді. Салқындату жылдамдығын сәтті таңдау арқылы ұсақ кристалдардың санын азайтуға және барлық құйма бір ғана кристалдан құралуына қол жеткізуге болады. Бір кристалдан тұратын көлемдер монокристалдар деп аталады. Монокристалдарды алу теориялық және практикалық мәнге ие. Бірнеше кристалдардан тұратын кристал денелер поликристалдар деп аталады. Кристалл денелердің ерекшелігіне олардың анизотроптылығы жатады. Ол дененің қасиеті біз анықтайтын бағыттарға тәуелді болады: бір бағыт бойынша олар – көп, басқалары бойынша аз болады. Мысалы, мырыш жоғары созымдылықпен ерекшеленбейді, бірақ белгілі бір бағытта 200 ºС температура кезінде 1700 % дейін созуға болады.
|
|
Дұрыс құралған кристалдар сұйық ерітіндіңнің аз мөлшерде қанығуы және аз мөлшерде қатты салқындауда пайда болады. Егер қатты салқындау жоғары температураларда болса, онда кристалдар әр түрлі пішінге ие болуы мүмкін, көптеген жағдайларда пішінге |
|
3.4 – сурет. Д.К. Чернов кристалы |
қоспалар жылуды шығару шарттары, конвекциондық тоқтар және т.с.с. көбірек әсер етеді. Балқытылған металда түзілген кристалдар саны және олардың өлшемдері кристалдың туындауы және өсу жылдамдығына тәуелді болады. Кристалдың туындау жылдамдығы деп – балқытылған металдың текше сантиметріндегі бірлік уақытта түзілетін кристалдану орталықтарының санын айтамыз.
Кристалдардың өсу жылдамдығы (сызықты) деп – кристалдану орталықтарының арасында молекулалардың өсу жылдамдығы аталады. Туындау жылдамдығы сияқты кристалдың өсу жылдамдығы (жылдамдық) қатты салқындау дәрежесіне тәуелді болады. Қатты салқындау дәрежесі өскен сайын басында жылдамдығы өседі, одан кейін төмендейді. 3.5 және 3.6 – суреттерде қатты салқындау дәрежесінің орталықтар саны және кристалдану жылдамдығына әсерін көрсететін қисықтар келтірілген. 3.5 – суретте көрсетілген қисықтардан өте қатты салқындату болған кезде кристалдану орталықтары туындамайды және кристалданудың қандай да бір жылдамдығы болмайды. І күйге дейін қатты салқындату кезінде кристалдану жылдамдығы максималды болса да, қорытпа құрылымы майда түйірлі болады, себебі кристалдану орталықтарының туындау жылдамдықтары да бұл жағдайларда максималды болады. Кристалдану орталықтары өте жылдам пайда болатындықтан, кристалдар үлкен өлшемдерге дейін өсіп үлгермейді.
ІІ күйге дейін қатты салқындату кезінде кристалдану орталықтары баяу пайда болады, бірақ кристалдану жылдамдығы үлкен болып табылады. Осыған байланысты кристалдар өте үлкен өлшемдерге дейін өседі. ІІІ дәрежеге дейін қатты салқындату кезінде кристалдану орталықтары өте баяу пайда болатындықтан, кристалдар өсіп үлгермейді, себебі кристалдану жылдамдығы өте төмен.
3.6 – суретте көрсетілген қисықтар қатты салқындауға өте икемді заттардың қатаюын сипаттайды (шыны тәрізді денелер). Мұндай денелердің қатаюы кристалдану орталықтарының түзілуіне дейін аяқталады. Кристалдану жылдамдығы қисығының және кристалдар орталықтарының туындау жылдамдықтарының қисығының қиылысатын нүктесінің маңайындағы температуралар кезіндегі ұзақ уақыт ұстау нәтижесінде шыны кристалдануды туындатуы мүмкін, ол шынының бұлдырлығына әкеледі.
Түзілетін кристалдар еркін өсу алмайды, сондықтан олар анықталған дұрыс сыртқы пішінге ие болмайды. Ішкі құрылымы дұрыс және сыртқы пішіні дұрыс емес кристалдар кристаллиттер деп аталады. Кристалдар неғұрлым ірі болса, әр түрлі бағыттар бойынша кесіліп алынған үлгілердің айырмашылығы соғұрлым жоғары болады.
|
| |
|
3.5 – сурет. Қатты салқындату дәрежесіне байланысты кристалдардың туындау жылдамдығы және кристалдардың өсу жылдамдығы |
3.6 – сурет. Қатты салқындауға қабілетті заттардың қатты салқындату дәрежесіне байланысты кристалдардың туындау жылдамдығы және кристалдардың өсу жылдамдығы |
Метал бір кристал түрінде қатаймайды, ол көптеген кристалдардан тұрады. Өте жиі жеке кристалдардың осьтері әр түрлі бағытта болатындықтан, металдың осы барлық бөлігіндегі қасиеті барлық бағыттары бойынша бірдей болады. Әрине, егер бұл металдың өте кішкентай аймақтарын қарастыратын болсақ, онда анизотропияны оңай байқауға болады. Осындай ұсақ әр түрлі бағытталған кристалдары бар көп кристалды денелер квазиизотропты (мнимоизотропты) деп аталады. Сұйық күйден қатты күйге өту, кейбір кезде металдарды одан әрі салқындату кезінде жылудың бөлінуімен бірге жүретін кейбір айналуларға және құрылым мен қасиеттердің өзгеруіне түседі. Қыздыру кезіндегі түрлену дәл осылай өтеді, бірақ бұл жағдайда олар жылудың жұтылуымен бірге жүреді.
Соныдқтан металдарды (немесе қортыпаларды) қыздыру немесе салқындату кезінде физикалық қасиеттердің (қаттылықтың, электр өткізгіштіктің, кеңеюдің және т.с.с.) өзгерулерді бақылай отырып, қандай да бір түрленулер өтетін температураларды анықтауға болады. Бұл температураларды анықтау үшін өте жиі барлық түрленулер жылу әсермен қатар жүреді деген тұжырым негізіндегі термиялық әдісті қолданады. Жылулық әсерді оңай алмастыруға болады, себебі ол температураның өзгеру сипатында байқалады.
Металды салқындату немесе қыздыру жылдамдығының секірмелі өзгерісі өтетін температура оның критикалық нүктесі деп аталады. Жалпы жағдайларда металдардың (немесе қорытпалардың) критикалық нүктелері деп – физикалық немесе химиялық түрленулер өтетін температура аталады. Жоғарыда айтылғанды түсіндіру үшін таза металдың қатаюын бақылайық.
Сұйық металдың балқу нүктесіне дейінгі салқындауы онда сол уақытта кристалдану басталатынын білдірмейді. Барлық металдар қатты салқындай алады (атап айтсақ, кристалданудың басталу температурасы балқу температурасынан біршема төмен болады), бірақ кейбір металдарда бұл қатты салқындау байқалмайды, ал басқаларында ол біршама мөлшерде болады. Қатты салқындалған сұйық металл тұрақсыз және қатты салқындау жоғары болған сайын бұл тұрақсыздық жоғары болады.
3.7 – суретте қалайының салқындау қисығы келтірілген. Қалайы 232 °С кезінде қатаятындықтан, біз қисықтан температураның тұрақты төмендеуі біршама төмен температураларға дейін жалғасады, атап айтсақ, температура бастапқыда төмендейді, содан кейін салқындау кезінде секіріс байқалады және ол 232 °С дейін жоғарлайды. Бұл құбылыстар қатты салқындау деп аталады және техникада үлкен мәнге ие болады. Сұйық металдың кристалдануы кезіндегі жылудың бөлінуі нәтижесінде температура жоғарлайды.
|
|
Сұйық металды қағу арқылы қатты салқындау құбылысын болдырмауға болады. Қатайған металл одан әрі салқындаудың нәтижесінде бір қатты күйден екінші күйге өтеді. Мұндай түрленулер аллотропиялық немесе полиморфты деп аталады. |
|
а б | |
|
3.7 – сурет. Қорғасынның салқындау және қыздыру қисығы (а) және қалайының салқындау қисығы (б) |
Бұл жағдайда температураның төмендеуінде бірнеше рет тежелуі байқалады. Қатты күйінде қайта кристалдану сұйық күйдегі алғашқы кристалдануға қарағанда екінші кристалдану деген атқа ие болады.
Нег. 2 [7 – 37]
Бақылау сұрақтары:
1. Металдар мен қорытпаларда қандай кристалдық торлар болады?
2. Кристалдық тор дегеніміз не?
3. Координациялық сан дегеніміз не?
4. Кристалдану деп нені айтамыз?
5. Дендрит дегенді қалай түсінесіз?
6. Кристалдардың өсу жылдамдығы және кристалдардың түйірлерінің өсу жылдамдығы неге тәуелді болады?
7. Критикалық нүкте деп нені атаймыз?
Дәріс 4. Созымдылық деформациясы.
Металдар деформациясы. Деформация деп – денеге түсірілетін күштің әсерінен дененің өлшемдері мен пішінінің өзгеруі аталады. Деформацияны сыртқы күштер (денеге түсірілген жүктемелер), сонымен қатар денелердің өзінде өтетін, мысалы, температура градиентінің қыздыру (салқындату) кезіндегі байланысымен дененің біртексіз кеңеюі (сығылуы) әсерінен өтетін, әр түрлі физика – механикалық процестер, фазалық түрленулер кезіндегі көлемнің өзгеруі және т.б. тудырады. Деформация түрлерін серпімді және созымды деп бөлуге болады. Серпімді деформация деп – жүктеу аяқталғаннан кейін қалпына келетін деформация түрін айтамыз. Серпімді деформация металдарда құрылым мен қасиеттердің қалдық өзгерісін тудырмайды.
Созымды деформация деп – жүктеу аяқталғаннан кейін қалпына келмейтін деформация түрін айтамыз. Созымды деформация металдардың құрылымы мен қасиеттерінде қалдық өзгерістер қалдырады.
Деформация процессінің физикалық мәні. Серпімді деформация. Кристалдың серпімді деформациясы кезінде әсер ететін кернеулер тепе – теңдік күйінен атомдардың қайтымды сырғуын тудырады, осының нәтижесінде кристалдық тордағы атомдар арасындағы ара – қашықтық өзгереді. Созылу кезінде ол жоғары, ал сығылу кезінде ол төмен болады. Атомдардың арасындағы ара – қашықтық неғұрлым үлкен болса, соғұрлым кристалдың серпімді деформациясы жоғары болады. Кристалл торындағы атомдардың кері қайтатын сырғуы өте аз және атом аралық қашықтықтың аз мөлшерін құрайды.
Атомдардың тепе – теңдік күйінен ауытқуы олардың арасындағы тартылыс және тебілу күштерінің арасындағы әсер етуші балансын бұзады (көрші атомдардың арасындағы байланыс күш (энергия) оң зарядталған иондар және электрондар арасындағы тартылыс күшінен тұрады, екінші ағынан иондардың басқа иондардан тебілу күшімен сипатталады).
Тартылыс және тебілу күштерінің әрекеті атомдардың арасындағы қашықтыққа байланысты болады. Атомдар мен кристалдық торлардың тепе – теңдік күйіне сәйкес келетін кейбір ара – қашықтықтарда тартылыс күші тебілу күшімен теңеседі. Жүктемені алғаннан кейін осы күштердің әсерінен атомдар қайтадан тепе – теңдік күйге көшеді, осының нәтижесінде металдың уақытша өзгерген пішіні мен қасиеттері қайта қалпына келеді.
Созымды деформация. Кристалдарды деформациялау кезінде бірінші серпімді деформация пайда болады, бірақ кернеу жоғаралағанда кристалдың бір бөлігінің екінші бөлігіне қатысты жылжуы өтеді, ол өз кезегінде созымдылық, қалдық деформацияны тудырады. Жылжу түйіспелі кернеулер мәні білгілі бір критикалық мәннен τкр асқанда өтеді.
Кристалдың бір бөлігінің екіншісіне қатысты жылжуы сырғу немесе қосарлану жолымен жүзеге асырылады. Сырғу және қосарлану деформациясының сұлбасы 4.1. а және б – суреттерде көрсетілген.
Сырғу – кристалдың бір бөлігінің сырғанау немесе жылжу жазықтығына қатысты паралель жазықтықта орын ауыстыруы. Сырғу кезінде параллель жазықтықтардың кристалл қабаттарының жылжуы бірдей қашықтықта өтеді. Соның нәтижесінде деформацияланған кристалдың кристаллографиялық бағыты өзгеріссіз қалады. Сырғу белгілі бер кристаллографиялық жазықтықтар және белгілі бір бағыттар бойынша атомдардың қайтымсыз ығысуының нәтижесі болып табылады. Сырғу атомдардың жинақталған тығыздығы аз болған жазықтықтар бойынша оңай өтеді.
|
|
Көрші параллель тығыз орналасқан жазықтықтар арасындағы қашықтық, төмен тығыздықты атомдары бар жазықтықтар арасындағы атом аралық күштерге қарағанда аз болады. Сондықтан сырғуға қарсыластығы аз болады және жылжуды жеңілдетеді. 4.2 – суретке сәйкес көлемдік – центрленген текше торда бұл жазықтықтарға (110), қырларына центрленген текше торда (111), гексагональды торда (001) жазықтықтары болады. Кристалдық торда жазықтықтар және сырғу бағыттары неғұрлым көп болса, соғұрлым металдың созымдылық деформацияға қабілеттілігі жоғары болады. Деформация белгілі бір жазықтықтар бойынша өтетіндіктен, |
|
4.1 – сурет. Сырғу (а) және қосарлану (б) созымды деформациясының сұлбасы. (в) – сырғу бұрышы | |
|
| |
|
4.2 – сурет. Әр түрлі пішінді торлардағы кристаллографиялық сырғу жазықтықтары |
әсер ететін күшті құрайтын, әсер ететін қарқынды күш тангенсальды (жанама) ғана болады, бірақ бірақ кернеудің максималды жанамалығы сырғу жазықтығына 45° бұрышпен күшті бағыттау кезінде байқалады, сондықтан сырғу барлық мүмкін болатын жазықтықтар бойынша бір уақытта басталмайды, ал біртіндеп өтеді. Дислокацияның түзілуі қандай да бір энергияны талап етеді, бірақ егер ол түзілсе, онда ол дислокация сызығы бар жазықтықта онай жылжиды.
|
|
Әдетте сырғу жазықтықтарында ондаған дислокациялар орналасады. Жанама кернеулердің әсерінен олардың орын ауыстыруы созымды деформацияның дамуын тудырады. Кристалдың бетіндегі сатының биіктігі олардан шығатын дислокациялардың санына пропорционал жоғарлайтын болады. |
|
4.3 – сурет. Сырғу кезіндегі ернеулік дислокациялардың қозғалысының сұлбасы |
Дислокациялардың қозғалысы жаңа дислокациялардың туындауына әкеледі, соның нәтижесінде кристалдардағы дислокациялар саны өседі. Көп мөлшердегі дислокациялардың қозғалысының әсерінен сырғу болатын кезде жоғары созымды деформация болуы мүмкін. Егер кристалда дислокациялар –оңай қозғалатын, созымды деформацияны оңайлататын кемшіліктер болмаса, онда кристал теориялық мәніне жақын жоғары беріктікке ие болуы керек. Оны жіп тәрізді кристалдар немесе «мұртшалар» деп аталатын, өте жіңішке жіп түріндегі дислокациясыз кристалдардың пайда болуымен дәлелденген. Металдардағы дислокациялардың саны көбейген сайын бастапқыда беріктік күрт төмендейді, себебі салыстырмалы аз мөлшердегі дислокациялар саны жылжу кезінде өзінің жолында қозғалысты тежейтін бөгеттерге аз кездеседі. Мұндай бөгеттер қозғалыстағы дислокациялардың бір – бірімен қиылысуы немесе қақтығысуы нәтижесінде болады. Дислокациялардың тығыздығы жоғары болмаса, мұндай қақтығыстардың саны аз болады. Бірақ беріктік сипаттамасының минималды мәнімен шартталатын мәніне қарай дислокация тығыздығы жоғарлаған кезде, дислокациялардың жиі кездесуі мен тежелуі нәтижесінде беріктену жүреді. Осыдан шығатыны, беріктенуге дислокациялардың минималды қозғалысын қамтамасыз ететін, металдың құрылымын алу кезінде қол жеткізуге болады. Беріктену күйіне дислокация тығыздығын жоғарлатуды, легірлеуді (негізгі торға бөтен элемент атомдарын енгізу), термиялық өңдеуді қамтамасыз ететін суықтай созымды деформация жолымен алынуы мүмкін. Бірақ осы әдістердің барлығын қолданған кездің өзінде беріктік теориялық мәнге жақындамайды.
Қосарлану. Сырғудан басқа созымды деформация қосарланумен де жүзеге асады. Қосарлану кристалдың бір бөлігінің екінші бөлігіне қатысты, қосарлану жазықтығы деп аталатын жазықтыққа қатысты симметриялы жаңа орынға жылжуымен түсіндіріледі. Қосарлану жазықтығындығы (сызба жазықтығына перпендикуляр) бұл аймақтағы кристалды екі әр түрлі бағыттағы бөлікке ажыратады. Қосарлану кезіндегі өзгерістер болған жоқ және кристалдың бағыты бастапқыдан өзгермейді. Жоғарғы бөлігінде атомдардың орын ауыстыруы өтті, нәтижесінде қосарлану жазықтығынан жылжу жазықтығы неғұрлым алыс болса, ондағы атомдар соғұрлым үлкен ара – қашықтыққа орын ауыстырады. Сондықтан қосарлану кезінде бағыттың өзгеруі өтеді – қосарланған қабаттар түзіледі. Қосарланған қабаттың ішіндегі кристалдық тор кристалдың басқа бөлігіндегі тордың айнадағы бейнесіндей болып табылады. Айнадағы бейненің жазықтығы қосарлану жазықтығының қызметін атқарады (қосарланған қабаттағы орын ауыстырған атомдарды косарлану жазықтығына қатысты кристалдың басқа бөләгәнде орналасқан орын ауыстырмаған айнадағы бейнесінің көрінісімен алуға болады). Деформацияланған металдарды микроскопиялық зерттеу кезінде сырғу және қосарлану деформация түрлерін ажыратуға болады. Қосарлану деформациясын құрылымда қос күйлердің болуы сипаттайды. Оларды уландырудан кейін қарасақ, екі параллель жазықтықтармен шектелген аймақтар түрінде байқалады.
Металдардағы сырғу немесе қосарлану жолымен алынған деформация кристалл торының түрлеріне тәуелді болады. Көлемдік центрленген және қырларына центрленген текше торы бар металдар көбінесе сырғу жолымен, гексагональды тығыз орналасқан текше торы бар металдар сырғу және де қосарлану жолымен деформацияланады.
Поликристалдық металдардың созымды деформациясы. Техниканың әр түрлі салаларында қолданылатын металдар мен қорытпалар көптеген жағдайларда поликристалды болып табылады. Поликристалл металдарда созымды деформацияның дамуына кеңістіктегі түйірлердің түрлі бағыттары және түйін аралық шекаралардың бар болуы әсер етеді. Түйір бағыттарының әр түрлі болуына байланысты поликаристалды металдың созымды деформациясы бірдей және барлық түйірлерде бір уақытта басталуы мүмкін емес. Бірінші кезекте сырғу әсер ететін күштің бағытына 30 – 70°бұрышпен бағытталған түйірлерде басталады, содан кейін ол біртіндеп деформация дәрежесінің өсуіне байланысты барлық түйірлердің жазықтықтарының бағыты өзгереді. Созымды деформация жоғары болғанда жазықтық және түйір бағыттары айтарлықтай жылжу пайда болады. Деформацияның сыртқы күшіне қатысты түйірлердің айтарлықтай жылжуы деформация текстурасы деп аталады. Деформация текстурасының түзілуі поликристалды металдың анизотропты болуына әкеледі (оның қасиеті сынау бағытына байланысты өзгереді).
Түйір шекаралары бір түйірден екінші түйірге созымды деформацияның таралуына кедергі келтіреді (егер деформация жоғары температуралар кезінде өтпеген болса). Шекара маңайындағы аймақтар атомдық – кристалдық құрылымның ақаулар мөлшері жоғары болады, мұнда деформация қиындатылған. Шекаралардың әсері созымды деформацияға қарсыластықтың жоғарлауынан байқалады, оларды жеңу үшін оғары мөлшердегі ішкі кернеуі қажет етіледі.
Созымды деформация кезінде дислокация тығыздығы жоғарлаумен қатар нүктелік ақаулардың – дислокацияланған атомдардың бос орындардың (вакансия) да саны өседі. Созымды деформацияның поликристалды металдың микроқұрылымын туындатады. Алдын – ала ажарланған үлгінің бетінде кішкене деформация болған кезде жеке түйірлердің шекарасында микроскоппен қарағанда деформация өнімдерін – сырғу сызықтары (жолақтар) және қосарлануды байқауға болады. Одан әрі қарай деформация өнімдері байқалатын түйірлер саны көбейеді. Деформация дәрежесі өскен кезде оның даму керегіне қарай әрбір түйірде микроқұрылым біршама өзгереді – созымдылық бағытына байланысты түйірлер ұзарады (4.4 – суретке байланысты). Жоғары деформация кезінде талшықты құрылым түзіледі.
|
а – деформацияға дейін; б – деформациядан кейін 4.4 – сурет. Созымдылық деформациясының металл микроқұрылымына әсері |
4.5 – сурет. Созымды деформация дәрежесінің ε металдың беріктік (σв және σ0,2) және созымдылық (δ) сипаттамаларына әсері. |
Пластикалық деформация кезінде өтетін ішкі өзгерістердің барлығы (кристалдық тордың қисаюы, дислокация тығыздығының үлкеюі және бос орындар, құйылған металда микро – және макроқұрылымдары полиэдрліктен деформацияланған металда талшықтыға дейін өзгереді, деформация талшықтары пайда болады), металдың беріктігін тударыды. Уақытша кедергі, аққыштық шегі, қаттылық сияқты беріктік сипаттамалары жоғарлайды, ал созымдылығы – төмендейді. Созымды деформацияның әсерінен металдың беріктенуін қақталма деп аталады (қақталма дегенді кеңітілген анықтамасы – металдардың пластикалық деформациясы кезінде құрылымы мен оған қатысты қасиеттерінің өзгерісінің жиынтығы). Қақтауды тетікбөлшектерді беріктендірудің әдісі ретінде кеңінен қолданылады, оларды дайындау суықтай қысыммен өңдеуден тұрады. Созымды деформация металдың физикалық қасиеттерінің өзгеруіне әкеледі: электр кедергінің жоғарлауына, тығыздықтың төмендеуіне, магниттік қасиеттердің өзгеруіне әкеледі. Қақталған металдар пайдалану кезіндегі жемірілуге төзімділігі төмен болады. Қақталған метал деформацияға жұмсалған энергияның 5 – 10 % жинақтайды. Бұл энергия кристалдық құрылымның кемшіліктерін және кристалдық тордың қисаюларын түзету үшін қолданылады.
Нег. 2 [68 – 80]
Бақылау сұрақтары:
1. Металдар мен қорытпалардың деформациясының қандай түрлерін білесіз?
2. Металдар мен қорытпалардың серпімділік деформациясы дегеніміз не?
3. Металдар мен қорытпалардың созымдылық деформациясы дегеніміз не?
4. Наклеп дегеніміз не?
5. Деформация текстурасы дегеніміз не?
Дәріс 5. Қорытпалар туралы жалпы түсінік.
Техникада таза металдар өте сирек қолданылады. Көптеген жағдайларда қорытпалар екі немесе одан да көп элементтерден тұратын күрделі денелерді құрайды. Бір немесе бірнеше элементтерді негізгі құралғыштарда ерітіп одан кейінгі салқындату арқылы қорытпаларды алуға болады. Қорытпалардың қасиеттері оны құрайтын элементтердің қасиеттерінен мүлде өзгеше болады.
Бір элементтің екінші элементтегі аздаған мөлшері бастапқы материалдың қасиеттерін өзгертеді. Қорытпаларда өтетін құбылыстарды зерттеу үшін жалпы қорытпаның табиғатын білу керек, ол үшін қорытпаның құрамында мүмкін болатын құрастырушылары туралы мәліметті зерттеу керек. Қатты қорытпаларда бір уақытта химиялық қосылыс және таза металдарды (металдар және металлоидтар) байқауға болады. Металдар өте майдаланған түрде өзара қоспа түзуі мүмкін, ондағы жеке элементтерді микроскоппен өте қатты үлкейткенде ғана байқауға болады. Қорытпалар толығымен химиялық қосылыстан, қатты ерітіндіден және таза металдардан құралуы мүмкін. Қорытпаның сапасы және оның қасиеттері құрамындағы қандай да бір элементтердің болуынан және олардың майда болуы дәрежесінен тәуелді болады.
Химиялық қосылыстар элементтердің атомдарының белгілі бір мөлшеріне ие болады, олар кристалл торларын түзеді, осы кристалл торларлар бастапқы кристалл торларынан өзгеше болады, ондағы атомдар әрбір қосылысқа сәйкес орын алады. Химиялық өосылыстар бір температурада балқиды немесе ыдырайды. Химиялық қосылыстың түзілуі қасиеттердің бірден өзгеруімен сипатталады (мысалы, қаттылық пен морттылық қасиеттерінің жоғары болуы, жақсы электр өткізгіштігі).
|
|
Кейде қандай да бір қатты денелер сұйықтықпен түйісетін болса, онда олар толығымен немесе жартылай сол сұйықтармен біртекті қоспалар түзеді, оларды ерітінділер деп атайды, мысалы, қанттың, тұздың судағы ерітіндісі және т.б. |
|
а – таза металл; б – орын басу қатты ерітіндісі; в – ену қатты ерітіндісі (Гуляев). 5.1 – сурет. Кристалл торлары |
Бір дененің екіншісінде еру процессінің мағынасы бір дене түйірлерінің екіншісіне енуімен түсіндіріледі. Берілген мөлшердегі сұйықтықта қатты зат мөлшерінің еру қабілеттілігі өзгеруі мүмкін және ол алынған заттардың табиғатынан, температурадан және қысымнана тәуелді болады. Ерітілген заттың мөлшерінің процентпен сипатталуы ерітіндінің концентрациясы деп аталады.
Қатты денелер түрлі сұйықтықтар сияқты өзара әрекеттескен кезде ерітінділер түзеді. Бір қатты дене екіншісінде еріген біртекті қорытпалар өатты ерітінділер деп аталады. Қорытпаларды рентгенографиялық әдіспен зерттеу арқылы қатты ерітінділерде еріген заттың атомдары еріткіш атомдарының орнын басатынын анықтаған (5.1.б – суретте көрсетілген, орын басу қатты ерітіндісі) немесе еріткіштің кеңістіктің торының ішіндегі атомдардың арасында (ену қатты ерітіндісі) орналасады (5.1.в – суретте көрсетілген).
Қатты ерітіндінің химиялық өосылыстан айырмашылығы, химиялық қосылыс белгілі бір құрамды болады және ерекше кеңістіктік торға ие болады, ал қатты ерітінді шоғыры өзгереді және ерітінді бір элементтің кристалдық торына ие болады. Қатты ерітіндінің сұйықтан айырмашылығы, сұйық ерітіндіде түйірлер (атомдар, молекулалар) өз орындарын еркін ауыстыра алады, ал қатты ерітіндіде еріген заттың атомдары (молекулалары) еркін қозғала алмайды және еріткіштің кеңістіктік торында орналасады. Қатты ерітіндінің механикалық қоспадан айырмашылығы еріген заттың атомдары орналасатын бір кеңістіктік торға ие болады, ал механикалық қоспада бірнеше кеңістіктік торға ие болады (қоспаға кіретін элементтердің санына байланысты). Микроқұрылымдық және рентгендік талдаулар ерітінділерді таза элементтерден ажыратуға мүмкіндік бермейді, ал химиялық және спектральды талдаулар таза металдарды және қатты ерітінділерді, сонымен қатар ерітіндіге кіретін жеке элементтерді анықтауға мүмкіндік береді.
Екі таза элементтен түзілген қатты ерітіндіден басқа химиялық қосылыс негізіндегі қатты ерітінділер болуы мүмкін. Химиялық қосылыс торында жеке атомдар үшінші элемент атомдарымен немесе химиялық қосылыс құрамына кіретін басқа элемент атомдарымен орын ауыстырады.
Кейде химиялық қосылысқа немесе қатты ерітіндіге жататын аралық құрастырушылар түзілуі мүмкін. Олар тұрақты құрамға ие болады, атап айтсақ, олардың атомдары химиялық қосылыстағы сияқты кеңістіктік торда белгілі бір орын алады, бірақ еріткіштің торын сақтайды, бұл қасиеттері қатты ерітіндіге ұқсас болады.
Жоғарыда айтылғандай ену және орын басу қатты ерітінділері болады. Ену қатты ерітінділері енетін атомдар кіші өлшемді болғанда және еріткіш торында еритін заттың атомдары орналасатында бос орындар болғанда түзіледі. Орын басу қатты ерітінділері тор параметрлерінің бір – бірінен айырмашылығы болғанда және элементтердің атом радиустарының айырмашылығы аз болғанда түзіледі. Торлар оғары серпімділікке ие болуы керек және атомдардың орын басуы кезінде бұзылмауы керек. Еріген заттың атомының диаметрі еріткіштің атомының диаметрінен үлкен болған жағдайда атомдардың орын басуы кезіндегі параметрлері ұлғаяды және егер еріген заттың атомдарының диаметрі кіші болса, төмендейді.
Еріген атомдардың мөлшері артқан сайын кеңістіктік тор айтарлықтай қисаяды және соңында еріген заттың атомдарының мөлшері белгілі бір дәрежеге келгенде еріткіш торлары түрленеді және жаңа құралғыштардың түзілуімен бірге атомдардың топталуы жүреді (механикалық қоспа, химиялық қосылыс және т.с.с.). Ол затта берілген элементтің белгілі бір мөлшері ғана еритінін көрсетеді. Сыртқы қаптамадағы электрондардың санының арасындағы айырмашылық неғұрлым аз болса, соғұрлым ерігіштік жоғары болады. Ерігіштік температураға байланысты өзгеруі мүмкін.
Гиббс фазалар ережесі. Кристалдану процессі фазалар ережесіне бағынады. Ол белгілі температуралар кезінде түрленулердің өтетіндігін және қорытпада бір уақытта қанша біртекті заттардың (фазалардың) қанша мөлшері болатындығын анықтауға мүмкіндік береді. Фазалар ережесін қолдану арқылы жасалған эксперименттердің дұрыстығын тексеруге болады, осыған дейінгі анықталмаған түөзгертулер және т.б. туралы айтуға болады. Фазалар ережесін 1876 жылы Гиббс ұсынған және содан бастап осы ереже зерттеушілермен кеңінен қолданылады. Осы ережені ұсынбастан бұрын, жүйелер, компоненттер және фазалар түсінігі туралы мәлімет алайық.
Жүйе дегеніміз – берлгілі бір жағдайларда (қысым, температура және т.б.) қыздыру немесе салқындату кезінде өтетін өзгерістерді байқауға болатын, зерттеуге алынған денелер (заттар).жүйелер қарапайым және күрделі болады. Қарапайым жүйе бір компоненттен, ал күрделі жүйелер бірнеше компоненттен тұрады.
Жүйені құрастыруға қажетті заттарды компонент деп атаймыз. Компонент таза элемент немесе химиялық қосылыс болуы мүмкін. Егер химиялық қосылыс қыздыру және баяу салқындату кезінде ыдырамайтын болса, онда ол компонент бола алады. Қарапайым жүйелерде тек қана физикалық түрленулер өтеді, мысалы, қатты күйден сұйыққа, газға өтуі (немесе керісінше), сонымен қатар бір аллотропиялық күйден екіншісіне өту. Күрделі жүйеде химиялық процестердің өтуі мүмкін.
Айта кететін бір жай барлық механикалық қоспа жүйе болмайды. Мысалы, эмульсияны жүйе деуге болмайды. Жүйелер біртекті және біртексіз болып бөлінеді. Біртексіз жүйелер біртекті бөлшектерге бөлінуі мүмкін. Жүйенің физикалық және химиялық біртекті бөлшектері фаза деп аталады. Әрбір фаза өзара беттік бөлінумен ажыратылады, бір фазаның екіншісіне өтуі үзілісті орындалады. Жүйедегі фазалардың санына байланысты бір фазалы, екі фазалы және т.с.с. болып бөлінеді. Таза металл, біртекті қатты ерітінді және химиялық қосылыс фаза бола алады. Осы заттар қатты, сұйық немесе газ тәрізді күйде болуы мүмкін. Бір компоненттен тұратын жүйе (таза металл, химиялық қосылыс, қатты ерітінді) бірнеше фазадан тұруы мүмкін: қатты, сұйық, газ тәрізді, сонымен қатар түрленулер нәтижесінде түзілетін. Металлдар мен олардың қорытпаларында газ тәрізді фаза болмайды деп есептеледі.
Фазалар ережесі келесідей сипатта болады:
С = К – Ф + 2 (5.1)
мұндағы: С – жүйедегі бостандық дәрежесінің саны (варианттілік);
К – компоненттер саны;
Ф – фазалар саны; 2 – тұрақтылықтың ауыспалы сыртқы факторларының саны: температура және қысым.
Вариантілік деп тұрақтылық факторларының санын айтамыз, олар фазалардың өзгеруінсіз өзгеруі мүмкін. Тұрақтылық факторларының санына: температура, қысым және концентрация жатады.
Металдық жүйелердегі қысым тұрақты болғандықтан, фазалар ережесі келесідей түрге ие болады: С = К – Ф + 1. Фазалар ережесі фазалар саны және компоненттердің жүйенің бостандық дәрежесінің сандық тәуелділігін береді. Егер бостандық дәрежесі нөлге тең болса, онда тепе – теңдік факторын фазалар санын өзгерту арқылы ғана өзгертуге болады. Бостандық дәрежесі нөлге тең болатын жүйелер вариантсыз деп аталады (нонвариантты, температураны фазалардың санын өзгерту арқылы ғана өзгертуга болады, жоғары температуралар қатты фазаның жоылуына әкеледі, ал температураның төмендеуі сұйық фазаның жойылуымен қатар жүреді), бір бостандық дәрежесі бар жүйелер – моновариантты (бір бостандық дәрежесі бір айнымалыны температураны немесе концентрацияны өзгерту мүмкіндігін көрсетеді) фазалар санының өзгеруінсіз, температура өзгергенде сұйық ерітіндінің концентрациясы да өзгереді, екі бостандық дәрежесімен – қос вариантты (дивариантты) – екә бостандық дәрежесі қорытпаның фазалар санын қиратпай температурасын және консцентрациясын өзгертуге мүмкіндік береді.
Нег. 2 [37 – 45]
Бақылау сұрақтары:
1. Фаза дегеніміз не?
2. Компонент дегеніміз не?
3. Жүйе дегеніміз не?
4. Қорытпа деп нені айтамыз?
5. Қандай қатты ерітінділерді орын басу және ену қатты ерітінділері деп айтамыз?
6. Химиялық қосылыс деп нені айтамыз және олар қандай жағдайларда түзіледі?
7. Қандай жүйелер нонварианттық жүйелер деп аталады?
Дәріс 6. Жүйелердің күй – кесте сызбаларының негізгі түрлері. П.С. Курнаковтың заңы.
Екі компоненттен тұратын қорытпаның күй – жай кесте сызбасын құрастыру. Екі компоненттен тұратын қорытпалардың қатаюы кезінде түрленудің әр түрлі жағдайлары байқалады. Олар күй – жай кесте сызталарының бірнеше түрлерімен сипатталады. Күй – жай кесте сызбалар қорытпада қанша элемент бар екенін көрсетеді. Металдық қорытпалар үшін әдеттегі жағдайларда қысым атмосфералық қысым болып табылады, сондықтан қорытпаның температурасы мен шоғырлануы ауыспалы көрсеткіштер болып табылады. Әдетте күй – жай кесте сызбаларды құрастыру үшін әр түрлі құрамды бірнеше қорытпаларды алады және қандай да бір әдіспен олардың сәйкес келетін критикалық нүктелерінің температурасын анықтайды. Берілген құрамды қорытпаға жауап беретін температураларды ордината осьіне масштабпен орналастыру арқылы және осы нүктелерді сызықтармен қосу арқылы күй – жай кесте сызбаларын аламыз. Күй – жай кесте сызбаларын білмен берілген қасиетті қорытпаларды ғылыми негізді тұрғыдан таңдауға, құю, термиялық өңдеу және қысыммен өңдеу режимдерін таңдауға болмайды.
Күй – жай кесте сызбалары металдар мен қорытпаларды термиялық талдау әдісінің көмегімен құрастырылады. Әдістің мәні металдар мен қорытпалардың критикалық нүктелерін анықтаудан тұрады. Салқындату қисықтарын металдардағы (қорытпадағы) түрленулер өтетін салқындату температурасы мен уақыттың арасындағы тамператураның өзгеруінің арасындағы графикалық тәуелділік арқылы салқындату қисығы тұрғызылады. Бұл қисықтар температура координатасында (ордината осьі) – салқындату уақыты (абсцисса осьі) арқылы тұрғызылады. Металдар мен қорытпалардағы фазалық түрленулер жылулық әсерлермен бірге жүретіндіктен салқындату қисығында түзулерді (аудандар) немесе иілулерді байқауға болады. Ауданның пайда болуы фазалық түрленудің тұрақты температуралар кезінде өтетіндігін көрсетеді. Иілулер салқындату жылдамдығының өзгеруі нәтижесінде пайда болады, бұл жағдайда фазалық түрленулер температуралар интервалында өтеді. Салқындату қисығы бойынша анықталатын фазалық түрленудің басталу және аяқталу температуралары критикалық температуралар деп аталады. Салқындату қисығында оларға сәйкес келетін нүктелер критикалық нүктелер деп аталады. Салқындату қисықтарының негізінде қорытпалардың күй – жай кесте сызбалары тұрғызылады.
Күрделі темір – көміртек күй – жай кесте сызбасын түсіну үшін салыстырмалы түрде бірнеше қарапайым күй – жай кесте сызбаларды қарастырайық:
а) екі компонент те сұйық күйден таза күйінде бөлініп шығады;
б) құралғыштар қорытпаның қатаюы кезінде шексәз еритін бірқатар қатты ерітінділер түзеді;
в) компоненттер қатты күйінде және шектеулі мөлшерде ериді;
г) компоненттер қатаю кезінде бір немесе бірнеше химиялық қосылыстар түзеді;
д) компоненттер шекті еритін қатты ерітінділер және перитектика түзеді;
е) компоненттер қатты күйінде түрленуге түсетін қорытпалар түзеді.
Бірінші түрлі қос қорытпалардың күй – жай кесте сызбалары, қатаю кезінде механикалық қоспа түзеді. Осы қортыпалардағы компоненттер сұйық күйінде бір – бірінде шексіз ериді, ал қатты күйінде ерімейді және химиялық қосылыс түзбейді. Бірінші түрдегі күй – жай кесте сызбалары бойынша Рb – Sb; Pb – Sn; Zn – Sn және т.б. қорытпалар кристалданады.
|
6.1 – сурет. І түрлі қос қорытпалардың күй – жай кесте сызбасы |
6.1 – суретке сәйкес АВС сызығынан жоғары барлық қорытпалар бір фазалы сұйық ерітіндіден (ж.р.) тұрады. Бұл сызық ликвидус (гректердің – сұйық деген сөзінен) сызығы, DBE солидус (гректердің – қатты деген сөзінен) сызығы деп аталады. DBE сызығынан төмен барлық қорытпалар қатты күйінде болады. В нүтесіне сәйкес келетін қорытпа эвтектикалық деп аталады. Аталған жүйе үшін ол бергілі құрамға (87 % Рb және 13 % Sb) ие және олар төменгі балқу температу-расына (246 °С) ие болады. Эвтектиканың сол жағында орналасқан қорытпалар эвтектикаға дейінгі және оң жағындағылары эвтектикадан кейінгі деп аталады. Эвтектикаға дейінгі қорытпаларда салқындатудың басында АВ ликвидус сызығынан төмен |
|
6.2 – сурет. Эвтектикаға дейінгі және эвтектикадан кейінгі қорытпалардың құрылымы |
салқындатқанда қорғасын кристалдары бөлінеді,ал эвтектикадан кейінгі ВС – сурьма кристалдары. Қатаюдан кейін, яғни солидус сызығынан төмен эвтектикалық қорытпалар корғасын кристалдарынан және эвтектикадан, ал эвтектикадан кейінгілері сурьма және эвтектикадан құралады. Күй – жай кесте сызбаны қолдана отырып қорытпалардың кристалдануының басталу және аяқталу температурасын және олардың құрылымын анықтауға болады. Қатаю кезінде шексіз еритін қатты ерітінділер түзетін компоненттері бар қоыртпалардың күй – жай кесте сызбалары. Екінші типті күй – жай кесте сызбалары бойынша Сu – Ni, Fe – Ni, Fe – Cr қорытпалары кристалданады. Келесі күй – жай кесте сызбасында біз сұйық ерітінді қатаю кезінде бір металдың кристалдарына және эвтектикаға (сурьма мен қорғасынның механикалық қоспа) түрленеді. Бірақ түрлену өтпейтін бірқатар қорытпалар, сұйық қорытпаны салқындату кезінде қатты ерітінді түзеді. Кейбір жағдайларда қорытпалар барлық шоғырлану кезінде, ал басқа жағдайларда – белгілі бір шоғырлану кезінде қатты ерітінді түзеді.
|
|
|
|
6.3 – сурет. ІІ түрлі қос қорытпалардың күй – жай кесте сызбасы |
6.1 – сурет. Қорытпадағы диффузия бағытының сұлбалық көрінісі |
Кейбір үздіксіз қатар түзетін күй – жай кесте сызбаларында ликвидус және солидус сызықтары Сu – Ni күй – жай кесте сызбасындағы пішінге қарағанда күрделі пішінге ие болуы мүмкін, ал кейбір жағдайларда қатты қорытпалардағы түрленулерді (полиморфты және т.б.) көрсететін қосымша сызықтарға ие болуы мүмкін. Бастапқыда қатты ерітінді кристалдарының бөлінуі компоненттердің аз мөлшерде бөлінеді, бірақ баяу салқындатқанда барлық кристалдар бірдей шоғырлы болады. Мұндай ерте бөлінген кристалдардың байытылуы сұйық қорытпадағы диффузия әсерінен өтеді. Концентрацияны толық тегістеу шарттарына қатаю интервалдарында баяу салқындатумен қол жеткізуге болады. Егер ондай болмаса, бастапқыда бөлінген кристалдарда байытылу болмайды және олар әртүрлі шоғырлы болады. Қатты қорытпаны жоғары температураларға дейін қайта қыздыру және осы температураларда оларды ұстау шоғырлардың біртектіленуіне әсерін тигізеді, бірақ кейбір элементтер нашар диффундировать , сондықтан қайта қыздыру олардың біртектілігіне қатты әсерін тигізбейді.
Қатты күйінде шекті мөлшерде компоненттері еритін қорытпалардың күй – жай кесте сызбалары. Мұндай қорытпалардың мысалы ретінде қорғасын және висмут қорытпасын (6.5 – суретке сәйкес) алуға болады. Үшінші типті қатты күйінде шекті еритін қорытпалардың күй – жай кесте сызбаларында сұйық күйінде қорытнаның екі компоненті де шексіз еритін, қатты күйінде шекті еритін және кристалдану кезінде эвтектика түзетін қорытпалар сипаттайды. Мұндай қорытпалар жүйесіне Аl – Сu, Fe – С, Mg – Al, Mg – Zn және т.с.с. осы типті күй – жай кесте сызбасын қарастырып көрейік. АЕВ сызығы – ликвидус сызығы, осы сызықтан жоғары қорытпалар сұйық күйінде болады, ADECB – солидус сызығы осы сызықтан төмен қорытпалар қатты күйінде болады. АЕ сызығы бойынша, К – дағы F компоненттің қатты ерітіндісінің кристалдары бөлінеді, ол α – қатты ерітінді деп аталады, ВЕ сызығы бойынша F – дағы К компоненттің қатты ерітіндісінің кристалдары бөлінеді, оны β – деп белгілейді. К – дағы F элементінің шекті ерігіштігі DD' сызығымен анықталады, ал F – дағы К элементінің шекті ерігіштігі СС' сызығымен анықталады. Күй – жай кесте сызбасында көрсетілгендей К– дағы F – тың және F – дағы К – ның ерігіштігі температурамен бірге өзгереді. К компонентінде F компонентінің еруі жағдайлары да болуы мүмкін және ерігіштік температурамен бірге өзгереді (DD' сызығы), F компонентінде К компонентінің еруі температура өзгергенде өзгермейді (CG сызығы).
|
6.5 – сурет. ІІІ түрлі қос қорытпалардың күй – жай кесте сызбасы
|
ADEA аймағы сұйық ерітіндіден және -қатты ерітінді кристалдарынан, ВЕСВ – аймағы сұйық ерітіндіден және -қатты ерітінді кристалдарынан, ADD'KA аймағы – - қатты ерітінді кристалдарынан, BCC'FB аймағы – -қатты ерітінді кристалдарынан құралады. DEE'J аймағы – эвтектикадан, -ерітінді кристалдарынан және II-фазадан, ECGE' аймағы – -ерітінді кристалдарынан және II-фазалардан құралады. |
Компоненттері қатаю кезінде химиялық қосылыс түзетін қорытпалардың күй – жай кесте сызбалары. Осындай түрдегі күй – жай кесте сызбаларына магний Mg және мырыш Zn қорытпаларының күй – жай кесте сызбаларын келтіруге болады (6.6 – суретке сәйкес).
|
6.6 – сурет. Магний және мырыш қорытпаларының күй – жай кесте сызбасы |
АБ сызығы мырыш кристалдарының бөлінуінің басталуын, БВГ – химиялық қосылыстың бөлінуінің басталуын, ГД сызығы – магний кристалдарының бөлінуінің басталуын көрсетеді. ВЕ ординатасымен күй – жай кесте сызба екіге бөлінеді, ондаңы жалпы компонент MgZn2 химиялық қосылыс болады. Күй – жай кесте сызбаның екіге бөлінуі, қатаю кезінде қорытпаларда өтетін |
|
6.7 – сурет. Магний мырыш және олардың қорытпаларының құрылымының сұлбалық көрінісі. |
құбылыстарды оңай талдауға мүмкіндік береді. Осы күй – жай кесте сызбада Б және Г құрамды екі эвтектиканың бар екенін көрсетеді. В құрамның эвтектикасы мырыш кристалдарынан және химиялық қосылыстан құралады. Г құрамның эвтектикасы магний кристалдарынан және MgZn2 химиялық қосылысынан құралады. І қорытпаның қатаюын бақылайық. а нүктесінде MgZn2 химиялық қосылыс бөліне бастайды. Салқындатуды жалғастырғанда химиялық қосылыстың бөлінуі жалғасады, ал қалған сұйық ерітіндінің шоғырлануы ВГ қисығы бойынша өзгереді. б нүктесінде қорытпа қатаяды, оның химиялық құрамы Г нүктесімен анықталады. Сондықтан қатайған І қорытпа химиялық қосылыстан және Г эвтектикасынан тұрады, ол өз кезегінде химиялық өосылыстан және таза магнийден құралады.
ІІ қорытпада в нүктесінен бастап таза магний Mg пайда болады, содан кейін г нүктесінде қалған Г концентрациялы сұйық ерітінді қатаяды және қорытпа магний және Г эвтектикасынан құралады. Сонымен қатар магний – қалайы, магний – мыс, магний – мырыш, магний – висмут қорытпаларының күй – жай кесте сызбары осындай түрге ұқсас болады.
Қорытпа қасиеттерінің олардың құрамы мен құрылымына тәуелділігі. Компоненттердің, химиялық қосылыстардың, сонымен қатар шекті еритін қатты қорытпалардың қасиеттерін біліп, аралық қорытпалардың қасиеттерін шамалап болжауға болады. Әдетте осы мақсаттар үшін құрам – қасиет күй – кесте сызбаларын құрастырады. Алғаш рет бұл бағыттағы жұмыстарды П.С. Курнаков және оның шәкірттері жүргізген. Олар қорытпа қасиеттерінің құрамына байланысты өзгеретіні туралы тәуелділікті анықтады. Бұл заңдылықтар Курнаков заңы деген атпен белгілі.
6.8 а.....г – суреттерде негізгі төрт түрлі күй – жай кесте сызбалары келтірілген және олардың құрамына байланысты қорытпа қасиеттерінің өзгеру заңдылықтары көрсетілген (төменгі екі қатар графиктер). Осы графиктердің ординат осьтері бойынша қорытпа қасиеттері (қаттылық, беріктік, электр өткізгіштік және т.с.с.), ал абсцисса осьі бойынша F (%) компонентінің мөлшері көрсетілген. Механикалық қоспалар түзілген жағдайларда қорытпа қасиеттері сызықты заңдылық бойынша өзгереді.
