ФМ окулык казакша

Қ.Жұбанов атындағы Ақтөбе мемлекеттік университеті

«Металтану және термиялық өндеу» пәні бойынша

Оқулық құрал

Ақтөбе, 2011ж.

3

УДК 378 (075.8):669.01 ББК 34.2я7 А88

Рецензент:

Т.ғ.к. С. Баишев атындағы АУ доценті Имангазин М.К.

Т.ғ.к. Қ.Жұбанов атындағы Ақтөбе мемлекетттік университетінің доценті Кузбаков Ж.И.

А88 Аскарова К.У.

«Металтану және термиялық өңдеу» пәніне арналған оқулық құрал Ақтөбе: Қ.Жұбанов атындағы АкМУ, 2011ж – 110 б.

ISBN 9965-13-915-6

050709 «Металлургия» мамандығының студенттеріне оқытуына арналған оқулық құрал негізгі мағлұматтар жиынтығы болып саналады: шойындар, болаттар туралы және металл материалдардың құрылымының ерекшеліктері келтірілген.

Оқулық құрал жаңа стандарттарға сай құрылған, соның ішінде материалдарды өз еркімен жоғары дәрежеде игеруге мүмкіндік беретін дәріс жоспары, бақылау сұрақтары және глоссарий бар.

УДК 378 (075.8):669.01 ББК 34.2я7

ISBN 9965-13-915-6

«Металлургия» кафедрасы бойынша ұсынылған. Хаттама №4, 27.12.2010 жыл. ТФ кеңесі бойынша баспаға ұсынылған. Хаттама №6, 19.04.2011 жыл.

4

Кіріспе

Металтану-металдардың және қорытпалардың электронды құрылымы,құрылымының металдың құрамымен, физикалық, химиялық,технологиялық және т.б. қасиеттермен өзара байланысы туралы ғылым.

Металтану ғылыми негіздерін Д.К.Чернов қалаған,ол болаттағы фазалық ауысымдардың критикалық температурасын және олардың болаттағы көміртегі мөлшерімен байланысын орнатқан.

Осымен металтануда маңызды темір көміртекті қорытпалардың күй диаграммасының негіздері қаланды.

Металды зерттеуге үлкен үлес Д.И.Менделеевтің периодты заңының ашылуы болды. Металтанудың дамуына үлкен әсер еткен Н.С. Курнаков, А.М. Бочвар, А.А. Бочвар, А.А. Байков, С.С.Штейнберг, Н.Г.Гудцов, Г.В. Курдюмов еңбектері. Шет ел ғалымдары ішінде металтану дамуына зор үлесті Ле Шателье, Аустен, Осмонд, Юм-Розери, Кортрелл және т.б.қосты.

Соңғы онжылдықта металтану қарқынды дамуда. Бұл космосты зерттеу, электроника, атом энергетиканың дамуына жаңа материалдардың қажеттілігінен туды. Ол үшін өнеркәсіптік материалдар санына периодтық жүйе элементтерінің барлық элементтерінің қосылуы керек болды.

Жақын оңжылдықта теориялық металтану дамуының негізгі бағыттары техникалық таза металдар қасиетінен ерекшеленетін таза және өте таза металдар өндіру әдістерін жасау болып табылады.

Қысылтаяң жағдайларда (өте төмен және өте жоғары температура мен қысым) металдарды зерттеуге үлкен көңіл бөлінеді.

Осы уақытқа дейін машина құрылысының негізгі материалды базасы болат пен шойын өндіретін қара металлургия болып табылады. Бұл материалдар көп жақсы қасиеттерге ие және ең алдымен машина бөлшектерінің жоғары конструкциялы беріктігін қамтамасыз етеді. Бірақ бұл классикалық материалдар үлкен тығыздық,төмен коррозиялы тұрақтылық сияқты кемшіліктерге ие. Болат пен шойыннан жасалған өнімдердің жылдық өндірісінің 20% коррозиядан шығыны болып табылады. Сондықтан, ғылыми зерттеулер мәліметтері бойынша 20-40 жылдан соң барлық дамыған елдер титан,алюминий, магний базасындағы металл қорытпаларды жапай қолдануға көшеді.

Бұл жеңіл және берік қорытпалар машиналар мен станоктарды 2-3 есе жеңілдетеді,жөндеуге шығынды 10 есе азайтады.

Машина құрылысында көптеген әр түрлі материалдар қолдағанымен, негізгі конструкциялы материал металдар болып табылады.

5

1 Дәріс Металтану. Металдардың атомдық-кристалдық құрылысының

ерекшеліктері.

1.Металдар, атомдық –кристалдық құрылысының ерекшеліктері.

2.Изотропия және анизотропия туралы түсінік.

3.Аллотропия және полиморфтық түрленулер.

4.Магниттік түрленулер.

Металтанубұл материалдардың электрондық құрылысы, құрылымы мен құрамы, физикалық, химиялық, технологиялық және пайдалану қасиеттерінің арасындағы өзара байланыс ғылымы.

Болаттағы фазалық түрленулердің критикалық температураларды және оның болаттағы көміртегі мөлшерімен байланысын зерттеп анықтаған Д.К.Чернов. Бұл металтанудағы ең маңызды темір-көміртекті қорытпа күй диаграммасының негізі болып табылады.

Чернов болаттағы термиялық өңдеудің негізін қалады.Болаттың критикалық нүктелері шынықтыру, жасыту, пластикалық деформацияда өндірістік жағдайда температурасын ұтымды таңдауға мүмкіндік береді.

Чернов өзінің болаттың кристалдануы және құйма құрылысы жөніндегі жұмыстарында құю теориясының негізгі жағдайларын баяндады.

Ең алғаш рет орыстың ұлы металлургі П.П.Аносов металдардың құрылысын зерттеу үшін микроскоп пайдаланды. Ол құрышты болаттан сына дайындаудың теория мен технологиясын өңдеді.Аносов жұмыстарынан болат бетіндегі құрышты өрнек оның ішкі құрылысына байланысты екені түсінікті болды.

1873-1876 ж.ж. Гиббс фазалық тепе-теңдіктің негізгі заңдарын, фаза ережесін термодинамика заңдарына сүйене отырып баяндады. Практикалық есептерді шығару үшін фазалық тепе-теңдікті білу керек, бірақ құрамын, салыстырмалы фаза санын анықтау үшін бұл білім жеткіліксіз. Қорытпалардың құрылысын, яғни фазаның атомдық құрылысын, сонымен қатар әр фазаның кристалдарының көлемі мен пішінін білу қажет.

Фазаның атомдық құрылысын анықтау Лауэның жаңалығынан кейін мүмкін болды. Ол кеңістік дифракциялық торды құра отырып, атомдар үнемі кеңістікті толтыратынын және рентгендік сәулелер толқынды табиғатқа ие екенін көрсетті.Мұндай тордағы рентгендік сәулелердің дифракциясы кристалдардың құрылысын зерттеуге мүмкіндік береді.

Соңғы кездерде құрылымдық талдау үшін рентгендік сәулелерден басқа электрондар мен нейтрондар қолданылады.Соған сәйкес зерттеу әдістері электронография және нейтронография деп аталады.Электрондық оптика микроскопияны жетілдіруге мүмкіндік берді.Қазіргі кезде электрондық микроскоптарда пайдалы максималды үлкейту 100000-ға дейін жетті.

Зерттеле келе,металдық материлдардың қасиеттері,соның ішінде, пластикалығы, деформацияның кедергісі, турлі жағдайлардағы жүктелудің булінуі жұқа кристалдық құрылыстың ерекшеліктеріне тәуелді екені белгілі болды.Дислокация теориясының арқасында пластикалық деформация кезіндегі металдардың өзгеруі туралы мәлімет алуға мүмкіндік алдық.

Соңғы он жылдықта металтану қарқынды дамып келеді.Бұл жаңа материалдардың космос зерттеулеріне, электроника дамуына, атомдық энергетикаға қажеттілікпен түсіндіріледі.

Таза және аса таза металдарды өндіру әдістерін өңдеу металтанудың дамуының негізгі бағыты болып табылады.Олардың қасиеттері техникалық таза металдардың қасиеттерінен ерекшеленеді. Металтанудың бас міндеті – бұл алдын-ала қасиеттері есептелген материалдарды шығару.

6

Қазіргі уақытқа дейін машина жасауда материалдық негізгі базасы шойын мен болат өндіретін қара металлургия болып саналады.Бұл материалдар бірінші кезекте машина бөлшектерінің жоғары конструкционды беріктігін қамтамасыз етеді.Дегенмен, бұл классикалық материалдардың кемшіліктері бар: жоғары тығыздық, коррозияға төзімділігі төмен. Коррозиядан шығыны болат пен шойынның жылдық өнімнен 20%-ты құрайды. Ғылыми зерттеулерге сүйенсек, 20-40 ж кейін барлық дамыған елдер Ti, Al, Mg негізді металдардың қорытпаларын пайдалануға көшеді. Бұл жеңіл әрі берік қорытпалар машиналарды 2-3 есе жеңілдетеді және 10 есе жөндеуге шығынды азайтады.

Елімізде металдық материалдардың орнына жаңа материалдарпластмасс, керамика т.б. қолдануды арттыру керек. Бұл тапшы металдарды үнемдейді, энергия шығынын азайтады, заттардың массасын кішірейтеді.

Металдық бөлшектерді жаңа материалдармен ауыстыруы машинаның массасын 40%-ға төмендетеді, беріктігін, коррозияға төзімділігін жоғарылатады, отынның шығынын азайтады.

1. Металдар адам өмірінде үлкен орын алады. Дәуірдің аталуы (алтын, күміс, қола, темір ғасырлары) да бұған дәлел бола алады.

Металдар-бұл конструкциондық материалдардың бір тобы. Оның мынадай ерекшеліктері бар:

●«металдық жылтыр»(жақсы шағылдырғыш қасиеті)

●пластикалығы

●жоғары жылу өткізгіштігі

●жоғары электр өткізгіштігі

Бұл қасиеттер металдардың құрылысының ерекшеліктерімен түсіндіріледі.Металдық күй теориясына сәйкес, металл бұл оң зарядталған ядролардан тұратын зат, айналасында орбита бойымен қозғалатын электроны бар.Бұл электрондар металдың барлық көлемі бойымен қозғала алады.

Пластикалық, жылу өткізгіштік, электр өткізгіштік электрондық газдардың болуымен қамтамасыз етіледі.

Қалыпты жағдайда қататын металдар кристалдық заттар болып табылады.Олардағы атомдар белгілі бір ретпен периодтық орналасады.

Кристалдық тор - бұл түйіндерінде бөлшектер орналасқан кеңістік тор. Элементар ұяшық - минималды атом санының көлем элементі.

Элементар ұяшық кристалл құрылысының ерекшеліктерін сипаттайды.Кристалдың негізгі параметрлері:

элементар ұяшықтың қабырғаларының өлшемі, а, b, с – атомдар центрлерінің арасындағы қашықтық.

ось арасындағы бұрыш (α, β, γ)

координациялық сан тордағы кез-келген атомнан жақын маңда, бірдей қашықтықта орналасқан атомдар санын көрсетеді

тордың бір элементар ұяшығына келетін атом саны -тор негізі

кристалдық тордағы атомның орналасуының тығыздығы.Ол атом орналасқан көлем мен ұяшық көлеміне қатынасымен анықталады.( Көлемдік кубтық центрілген үшін-0,68. Қырлық кубтық центрілген үшін – 0,74 )

7

2. Дене қасиеттері оны құрайтын атомдар табиғаты мен олардың арасындағы әрекеттестікке тәуелді. Атомдар арасындағы әрекеттесу күштері олардың ара қашықтықтарына байланысты. Атомдары ретсіз орналасқан аморфтық денелерде әр бағыттағы атомның ара қашықтықтары бірдей. Сондықтан, қасиеттері де бірдей болады, яғни аморфты денелер изотропты .

Кристалдық денелерде атомдар дұрыс орналасқан.Әр бағытта атомдар ара қашықтықтары әртүрлі, оған қоса олардың әрекеттесу күштері де, қасиеттері де әртүрлі болады. Қасиеттердің бағытқа тәуелділігі анизотропия деп аталады.

Кристалдық тордың түйіндері арқылы өтетін жазықтық кристаллографиялық жазықтық деп аталады.

Кристалдық тордың түйіндері арқылы өтетін сызық кристаллографиялық бағыт деп аталады.

Кристаллографиялық жазықтық пен бағыттарды белгілеу үшін Миллер индекстерін қолданады.Миллер индекстерін тағайындау үшін элементарлы ұяшықтарды кеңістік координат жүйесіне енгізу қажет.(X, Y, Z- кристаллографиялық осьтер) тор периоды өлшем бірлік ретінде пайдаланады.

Сүр.1.3.Кристаллографиялық жазықтарды белгілеу мысалдары (а) және кристаллографиялық бағыттары(б)

Кристаллографиялық жазықтық индекстерін анықтау үшін: ●жазықтықтың қиылысу нүктелерінің координатасын тағайындау ●осы шамалардың кері шамасын алу ●оларды ең кіші бүтін еселігіне келтіру

Ортақ көбейткіші жоқ алынған жай бүтін сандар жазықтыққа арналған Миллер индекстері болып табылады.Олар жай жақшамен белгіленеді. Кристаллографиялық жазықтықтарды белгілеудің мысалы 1.3а сур.көрсетілген.

Түзудің бағыты 2 нүктенің координаталарымен анықталады. Кристаллографиялық бағыттың индекстерін анықтау үшін :

●бағыттың бір нүктесін координатаның басымен біріктіру ●түзуде жатқан басқа бір нүктенің координатасын тағайындау

●осы координатаның қатынасын ең кіші бүтін санның қатынасына келтіру Кристаллографиялық бағыттың индекстері тік жақшамен көрсетіледі.[111] Кубтық тордағы бағыт индекстері сол [hkl] индекстері болып табылады.

3. Кейбір металдардың сыртқы жағдайларға байланысты (қысым,температура) әртүрлі кристалдық пішінде болу қабілеттілігі аллотропия немесе полиморфизм деп аталады. Аллотропиялық түр өзгертушіліктің температураға тәуелділігінің мысалы темір (Fe) болып табылады.

Fe: t < 911°C – ККЦ - ;

9

911< t <1392°C – ҚКЦ - ;

1392 < t >1539 - ККЦ - ; (жоғары температуралы )

Бір модификацияның басқаға айналуы тұрақты температурада жүреді.Элементтің түр өзгерулері грек алфавитінің әріптерімен белгіленеді.

Аллотропиялық түр өзгерудің мысалына көміртегінің төмен қысымда графит, ал жоғары қысымда алмаз түзілуін жатқызуға болады.

Полиморфизм құбылысын пайдалана отырып, термиялық өңдеу арқылы қорытпаның беріктігін азайтуға, көбейтуге болады.

4. Кейбір металдар магниттік өріс арқылы магниттеледі.Магниттік өрісті жойған соң олар қалдық магнетизмге ие болады. Бұл құбылыс ең алғаш темірде табылды және ферромагнетизм атауын иемденді. Ферромагнетиктерге темір, кобальт, никель т.б. металдар жатады.

Қыздырғанда металдың ферромагнитті қасиеттері азаяды: басында әлсіз,ал белгілі бір температурада (Кюри нүктесі) жойылады (темір үшін Кюри нүктесі 768°С) Бұл температурадан жоғарылаған сайын металдар парамагнитті болады.Магниттік түрленулер кристалдық тордың өзгеруімен байланыссыз, олар электрон аралық әрекеттесу мінездемесінің өзгеруімен түсіндіріледі.

Бақылау сұрақтары:

1.Металтану ғылымы нені зерттейді?

2.Кристалдық тордың негізгі типтері?

3.Изотропия және анизотропия дегеніміз не?

4.Металдардың қасиеттері мен ерекшеліктері

5.Магнитті түрлену түсінігі

Глоссарий

Қасиеттердің бағытқа тәуелділігі анизотропия деп аталады.

Кристалдық тордың түйіндері арқылы өтетін жазықтық кристаллографиялық жазықтық деп аталады.

Кристалдық тордың түйіндері арқылы өтетін сызық кристаллографиялық бағыт деп аталады. Кристалдық тор - бұл түйіндерінде бөлшектер орналасқан кеңістік тор.

Элементар ұяшық - минималды атом санының көлем элементі Көлемдік кубтық центрілген (ОЦК) атомдар кубтың төбелері мен центрлерінде орналасады

(V, W, Ti, )

Қырлық кубтық центрілген (ГЦК) ,атомдар кубтың төбелері мен әр 6 қырдың центрінде орналасады.(Ag, Au, )

Гексагональдық, оның негізінде алты бұрыш жатыр:

қарапайым – атомдар ұяшықтың төбелерінде және 2 негіздемелерінің центрлерінде орналасады (графит түріндегі көміртегі)

тығыз орналасқан (ГПУ) – ортаңғы жазықтықта 3 қосымша атом болады.

Металтанубұл материалдардың электрондық құрылысы, құрылымы мен құрамы, физикалық, химиялық, технологиялық және пайдалану қасиеттерінің арасындағы өзара байланыс ғылымы.

10

2 Дәріс Нақты металдардың құрылысы. Кристалдық құрылымдағы ақаулар.

1.Нүктелік ақаулар.

2.Сызықтық ақаулар.

3.Дислокацияның қарапайым түрлері – аймақтық және бұрандалы.

Сұйық қорытпадан монокристалл өсіруге болады. Оларды көп жағдайда лабораторияларда әртүрлі заттардың құрамын зерттеуге пайдаланады.

Қарапайым жағдайда алынған металдар мен қорытпалар көптеген кристалдардан тұрады, яғни поликристалдық құрылысқа ие болады. Бұл кристалдар дән деп аталады. Олар белгілі бір пішінде болмайды және кеңістікте әртүрлі бағытта орналасқан. Әр дән өзінің кристалдық тордағы бағыты мен бағдарына ие болып, соның әсерінен нақты металдың құрылымы орталанады және анизотропия құбылысы байқалмайды.

Нақты металдардың кристалдық торларында атомдардың арасындағы байланысты бұзатын және металдардың құрамына әсер ететін әртүрлі ақаулар (жетілмегендер) болады.Құрылымдық жетілмегендер келесідей бөлінеді:

●нүктелік – барлық үш өлшемде де кіші ●сызықтық – барлық екі өлшемде де кіші және үшіншіде қанша болмасын созылады ●беттік – бір өлшемде кіші.

Нүктелік ақаулар.

Кристалдық құрылымның көп тараған жетілмегендіктердің бірі – нүктелік ақаулар. Олар: вакансия, дислокацияланған атомдар, қоспалар.(2.1.сур)

Сүр. 2.1.Нүктелік ақаулар Вакансия (бос орын) – әртүрлі жағдайлардан пайда болған кристалдық тордың

түйіндерінде атомдардың болмауы. Атомдардың беткі қабаттан қоршаған ортаға немесе тордың түйіндерінен бетіне өтуінен пайда болады (дән шекарасы, жарықшақтар т.б). Пластикалық деформацияның әсерінен денелерді жоғары энергиялы атомдармен немесе ұсақ бөлшектермен бомбалағанда пайда болады(циклотронда сәулелендіру немесе ядролық реакторда нейтрондық сәулелендіру). Вакансия коцентрациясы белгілі дәреже де денелердің температурасымен анықталады.Кристалда орналаса отырып, жалғыз вакансиялар кездесуі мүмкін және дивакансияға бірігеді.Көп вакансиялардың жиналуы бос қуыс пен бос жердің пайда болуына әкеп соғады.

Дислокацияланған атом – бұл тордың түйіндерінен шығатын және түйіндердің арасында орналасқан атом. Вакансияға қарағанда дислокацияланған атомның концентрациясы аз. Себебі, оның түзілуіне көп энергия қажет. Орын ауыстырған атомдардың орнында вакансия түзіледі.

Қоспалық атомдар әрқашан металда кездеседі. Сондықтан да тәжірибе жүзінде химиялық таза металл алу мүмкін емес.Олар негізгі атомдардан үлкен немесе кіші өлшемде болуы мүмкін және түйіндер арасында немесе тор түйіндерінде орналасады.

Нүктелік ақаулар тордың болмашы ғана бұзылуын тудырады. Ол денелердің қасиеттерінің өзгеруін туғызуы мүмкін (электр өткізгіштік, магниттік қасиеттер) олардың болуы диффузия процесін туғызады және фазалық түрленудің қатты күйде өтуіне әкеледі.

11

Сызықтық ақаулар

Дислокация сызықтық ақаулардың негізгісі болып табылады.Металдың практикалық және теориялық беріктіктің айырмашылығын түсіндіру үшін 1934 жылы Орован және Тендер крис-талдық материалдардың пластикалық деформациясын зерттеді.

Дислокация – бұл сызық түріндегі, алыс және жақын орналасқан атомдардың дұрыс емес орналасуынан болған кристалдық құрылымдағы ақаулар.

Дислокацияның қарапайым түрі – аймақтық (краевые) және бұрандалы (винттік)

Аймақтық дислокация дегеніміз, кристалл ішіндегі «керексіз» жартылай жазықтықтың үзілуі.(2.2.сур)

Сүр. 2.2. Аймақтық дислокация(а) және түзілү механизмі(б).

Толық емес жазықтық экстражазықтық деп аталады.Көптеген дислокациялар ығыстырмалы механизм көмегімен пайда болады. Оның түзілуін келесі операция көмегімен сипаттауға болады.Кристалды АВСД жазықтық бойынша қиып, АВ-ға перпендикулярлы бағытта төменгі бөлігін жоғарғы бөлігіне қатысты бір тор периодына ығыстыру керек. Содан соң төменгі тілік аумағындағы атомдарды жақындату керек.

Экстражазықтықтың оң және сол жағындатордың бұзылуы аз (тордың бірнеше периодына тең ), ал экстражазықтық бойындағытордың бұзылуы өте көп.(2.3.сур)

Егер экстражазықтық кристалдың жоғарғы бөлігінде орналасса, онда аймақтық дислокация оң таңбалы (+), ал егер төменде орналасса, онда теріс (-) таңбалы болады.Бірдей таңбалы дислокациялар бір-бірін тебеді, ал қарама-қарсылары бір-біріне тартылады.

Сүр.2.3.Кристалдық торда аймақтық дислокация болған жағдайда өзгерістер. Дислокацияның бөтен түрін Бюргерс сипаттады және винттік немесе бұрандалы

дислокация деген атқа ие болды.Бұрандалы дислокация ЕF сызығын айнала Q жазықтық бойымен іші-нара ығыстыру көмегімен алынған (2.4.сур).

12