Материалтану туралы
1.тақырып Кіріспе
2.тақырып Таза металдардың кристалдануы
3.тақырып Қорытпалар теориясы
4.тақырып Металдардың пластикалық деформация мен механикалық қасиеттерi
5.тақырып Темір.көміртекті қорытпалардың күй диаграммасы
6.тақырып Металдарды термиялық өңдеу
7.тақырып Болаттар мен қорытпаларды химия.термиялық өңдеу.
8.тақырып Легірленген болаттар мен қорытпалар
2.тақырып Таза металдардың кристалдануы
3.тақырып Қорытпалар теориясы
4.тақырып Металдардың пластикалық деформация мен механикалық қасиеттерi
5.тақырып Темір.көміртекті қорытпалардың күй диаграммасы
6.тақырып Металдарды термиялық өңдеу
7.тақырып Болаттар мен қорытпаларды химия.термиялық өңдеу.
8.тақырып Легірленген болаттар мен қорытпалар
Кіріспе
Материалтану деп техникалық материалдардың құрылысы мен қасиеттерi жөнiндегi қолданбалы ғылымды айтады. Оның негiзгi мiндетi – материалдардың құрамы, құрылымы және қасиеттерi арасындағы байланысты табу болып табылады.
Техниканың дамуымен бiрге пайдаланылатын материалдар саны артуда; механикалық және технологиялық қасиеттердiң белгiлi бiр комплексiн қамтамасыз етуiн байырғы материалдармен қатар, халық шаруашылығының жеке салаларында жұмсалынатын айрықша қасиеттерге бай жаңа материалдар пайда болды. Мұндай материалдарға: магниттiк, ыстыққа төзiмдi және балқуы қиын, жентектелген ұнтақты материалдар; жартылай өткiзгiш материалдар; атомдық техниканың материалдары; композициялық материалдар; асқын өткiзгiштерi; жоғары жиiлiктi полимер диэлектриктерi; шыны пластиктерi, ситалдар т.б. жатады.
Металлдар және көптеген бейметалл материалдар кристалдық заттарға жатады. Бұл атомдар арасындағы байланыс табиғатымен анықталатын кристалдық құрылымы мен қасиеттердiң қалыптасу заңдылықтарын бiрегей тұрғыдан қарастыруға мүмкiндiк бередi.
Бiр жағынан, құрам мен кристалдық құрылымының, екiншi жағынан олардың қасиеттерiнiң арасындағы байланыс химиялық құрамды үйлестiру мен құрылымға ықпал ететiн (жылулық, пластикалық деформациялау т.б.) сыртқы әсерлер арқылы қолда бар материалдарды жақсартуға ғана емес, сонымен бiрге ерекше қасиеттерi бар принциптi жаңа материалдар жасауға мүмкiндiк туғызады. Осы жағынан алғанда, материалдардың кристалдық құрылымының детальдарын анықтауға мүмкiндiк беретiн, сәулелендiрiп электрондық микроскопиялық зерттеу, нейтронография және басқалар сияқты материалдардың кристалдық құрылымын зерттеудiң жаңа әдiстерiнiң рөлi өте бағалы.
Кристалдық құрылымды зерттеудiң жетiлген жаңа тәсiлдерiнiң өрiстеуi жаңа материалдарды iздестiру мен жаңа технологиялық процестердi жасаудың ғылыми негiзiн қалайды. Жаңа материалдарға қажеттiлiк ғылыми-техникалық прогресс әсерiнен туады, ол машиналар мен приборлардың жұмыс параметрлерiнiң үздiксiз артуы нәтижесiнде материалдар қасиеттерiне жаңа талаптар қояды.
Материалдарды ұтымды таңдау және оларды өңдеудiң технологиялық процестерiн жетiлдiру конструкциялырдың сенiмдiлiгiн қамтамасыз етедi, өзiндiк құнды кемiтедi және еңбек өнiмдiлiгiн арттырады.
Материалтану деп техникалық материалдардың құрылысы мен қасиеттерi жөнiндегi қолданбалы ғылымды айтады. Оның негiзгi мiндетi – материалдардың құрамы, құрылымы және қасиеттерi арасындағы байланысты табу болып табылады.
Техниканың дамуымен бiрге пайдаланылатын материалдар саны артуда; механикалық және технологиялық қасиеттердiң белгiлi бiр комплексiн қамтамасыз етуiн байырғы материалдармен қатар, халық шаруашылығының жеке салаларында жұмсалынатын айрықша қасиеттерге бай жаңа материалдар пайда болды. Мұндай материалдарға: магниттiк, ыстыққа төзiмдi және балқуы қиын, жентектелген ұнтақты материалдар; жартылай өткiзгiш материалдар; атомдық техниканың материалдары; композициялық материалдар; асқын өткiзгiштерi; жоғары жиiлiктi полимер диэлектриктерi; шыны пластиктерi, ситалдар т.б. жатады.
Металлдар және көптеген бейметалл материалдар кристалдық заттарға жатады. Бұл атомдар арасындағы байланыс табиғатымен анықталатын кристалдық құрылымы мен қасиеттердiң қалыптасу заңдылықтарын бiрегей тұрғыдан қарастыруға мүмкiндiк бередi.
Бiр жағынан, құрам мен кристалдық құрылымының, екiншi жағынан олардың қасиеттерiнiң арасындағы байланыс химиялық құрамды үйлестiру мен құрылымға ықпал ететiн (жылулық, пластикалық деформациялау т.б.) сыртқы әсерлер арқылы қолда бар материалдарды жақсартуға ғана емес, сонымен бiрге ерекше қасиеттерi бар принциптi жаңа материалдар жасауға мүмкiндiк туғызады. Осы жағынан алғанда, материалдардың кристалдық құрылымының детальдарын анықтауға мүмкiндiк беретiн, сәулелендiрiп электрондық микроскопиялық зерттеу, нейтронография және басқалар сияқты материалдардың кристалдық құрылымын зерттеудiң жаңа әдiстерiнiң рөлi өте бағалы.
Кристалдық құрылымды зерттеудiң жетiлген жаңа тәсiлдерiнiң өрiстеуi жаңа материалдарды iздестiру мен жаңа технологиялық процестердi жасаудың ғылыми негiзiн қалайды. Жаңа материалдарға қажеттiлiк ғылыми-техникалық прогресс әсерiнен туады, ол машиналар мен приборлардың жұмыс параметрлерiнiң үздiксiз артуы нәтижесiнде материалдар қасиеттерiне жаңа талаптар қояды.
Материалдарды ұтымды таңдау және оларды өңдеудiң технологиялық процестерiн жетiлдiру конструкциялырдың сенiмдiлiгiн қамтамасыз етедi, өзiндiк құнды кемiтедi және еңбек өнiмдiлiгiн арттырады.
1-тақырып
Кіріспе
Материалтану деп техникалық материалдардың құрылысы мен қасиеттерi жөнiндегi қолданбалы ғылымды айтады. Оның негiзгi мiндетi - материалдардың құрамы, құрылымы және қасиеттерi арасындағы байланысты табу болып табылады.
Техниканың дамуымен бiрге пайдаланылатын материалдар саны артуда; механикалық және технологиялық қасиеттердiң белгiлi бiр комплексiн қамтамасыз етуiн байырғы материалдармен қатар, халық шаруашылығының жеке салаларында жұмсалынатын айрықша қасиеттерге бай жаңа материалдар пайда болды. Мұндай материалдарға: магниттiк, ыстыққа төзiмдi және балқуы қиын, жентектелген ұнтақты материалдар; жартылай өткiзгiш материалдар; атомдық техниканың материалдары; композициялық материалдар; асқын өткiзгiштерi; жоғары жиiлiктi полимер диэлектриктерi; шыны пластиктерi, ситалдар т.б. жатады.
Металлдар және көптеген бейметалл материалдар кристалдық заттарға жатады. Бұл атомдар арасындағы байланыс табиғатымен анықталатын кристалдық құрылымы мен қасиеттердiң қалыптасу заңдылықтарын бiрегей тұрғыдан қарастыруға мүмкiндiк бередi.
Бiр жағынан, құрам мен кристалдық құрылымының, екiншi жағынан олардың қасиеттерiнiң арасындағы байланыс химиялық құрамды үйлестiру мен құрылымға ықпал ететiн (жылулық, пластикалық деформациялау т.б.) сыртқы әсерлер арқылы қолда бар материалдарды жақсартуға ғана емес, сонымен бiрге ерекше қасиеттерi бар принциптi жаңа материалдар жасауға мүмкiндiк туғызады. Осы жағынан алғанда, материалдардың кристалдық құрылымының детальдарын анықтауға мүмкiндiк беретiн, сәулелендiрiп электрондық микроскопиялық зерттеу, нейтронография және басқалар сияқты материалдардың кристалдық құрылымын зерттеудiң жаңа әдiстерiнiң рөлi өте бағалы.
Кристалдық құрылымды зерттеудiң жетiлген жаңа тәсiлдерiнiң өрiстеуi жаңа материалдарды iздестiру мен жаңа технологиялық процестердi жасаудың ғылыми негiзiн қалайды. Жаңа материалдарға қажеттiлiк ғылыми-техникалық прогресс әсерiнен туады, ол машиналар мен приборлардың жұмыс параметрлерiнiң үздiксiз артуы нәтижесiнде материалдар қасиеттерiне жаңа талаптар қояды.
Материалдарды ұтымды таңдау және оларды өңдеудiң технологиялық процестерiн жетiлдiру конструкциялырдың сенiмдiлiгiн қамтамасыз етедi, өзiндiк құнды кемiтедi және еңбек өнiмдiлiгiн арттырады.
Металдардың атомдық - кристалдық құрылысы
Металдардың сипаттамасы. Табиғи жағдайда кездесетiн 92 элементтiң 70-ке жуығы металдарға жатады. Метал еместерге H, B, C, N, J, O, инерттi газдар, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, галогендер F, Cl, Br, J және Si, P, S сияқты элементтер жатады.
Элементтердi металдар мен бейметалдарға бөлу жеткiлiксiз, өйткенi олардың барлық ерекшелiктерi ескерiлмейдi. Кейбiр элементтер (мысалы, Sn) бiр аллотропиялық түрiнде металдық, ал басқа бiр түрiнде бейметалдық қасиет көрсетедi.
Металдар мен металл еместердiң ортасында жататын жартылай металдар (жартылай өткiзгiштер) бар. Оларға Si6 Ge, As, Se, Te, -Sn жатады.
Қатты металда атомдар бiр-бiрiмен химиялық байланыста болады. Мұндай байланыс иондар мен валенттiк электрондардың арасында пайда болатын кулондық (электрлiк) күштердiң әсерiмен жүзеге асады. Атомдардың сыртқы валенттiк электрондары ортақ электрондық газ құрып, белгiлi бiр ретпен орналасқан иондар мен еркiн қозғала алатын электрондар системасы пайда болады.
Тәжiрибе көрсеткендей, қатты металдардың қасиеттерi, мысалы балқу және булану температуралары, атомдық көлемi, тығыздығы, кристалдық тордағы атомаралық қашықтығы, иондану потенциалы олардың атомдық салмағына немесе элементтердiң периодтық системасындағы орнына периодты түрде байланысты болады. Бұл - қатты металдардың қасиеттерi ең алдымен олардың жеке атомдарының құрылысына байланысты болатынын көрсетедi.
Металдардың классификациясы. Барлық металдарды екi үлкен топқа бөлуге болады: қара металдар және түстi металдар.
Қара металдардың түсi сұр, тығыздығы жоғары (сiлтi жер металдардан басқасы), балқу температурасы жоғары, қаттылығы жоғары, көбiнесе полиморфты. Ең белгiлi металл - темiр (Fe).
Түстi металдардың түсi - қызыл, сары, ақ. Олардың пластикалық қасиеттерi жоғары, қаттылығы төмен, балқу температурасы төмен, полиморфты емес. Ең белгiлi металл - мыс (Cu).
Қара металдар мынандай топтарға бөлiнедi:
1) темiр металдар - Fe, Co, Ni (ферромагнетиктер) және Mn;
2) балқуы қиын металдар - балқу температурасы 1539С температурадан жоғары - Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Tc, Hf, Ta, W, Re. Осы металдарды болаттарды легiрлеу үшiн қолданады;
3) уран металдар - актинидтер - Ac, Th, U, ... Атомдық энергетикада қолданылады;
4) сирек жер металдар - Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd,... Бұл металдардың химиялық қасиеттерi бiрдей, ал физикалық қасиеттерi әртүрлi. Табиғатта бөлек кездеспейдi, тек бiрлесiп кездеседі. Оларды қоспа түрiнде қолданады.
5) сiлтi және жер металдар - Li, Na, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, Fr, Ra - бос күйде жалпыда қолданбайды.
Түстi металдар мынандай топтарға бөлiнедi:
1) женiл металдар - Be, Mg, Al - тығыздығы аз металдар;
2) асыл металдар - Ag, Au, Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru және Cu. Бұл металдардың коррозияға кедергiсi жоғары металдар;
3) балқуы жеңiл металдар - Zn, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Sb, Hg, Ti, Pb, Bi.
Атомдардың құрылысы. Атомдық салмағы А, периодтық системадағы реттiк нөмірi N болатын кез келген химиялық элементтiң атомы оң зарядты N протоннан, терiс зарядты N электроннан және (А- N) нейтроннан тұрады. Оң зарядты протондар атом ядросын құрайды. Нейтрондардың саны әрқашан протондар санынан артық болады. Нейтрондар зарядсыз электрлік бейтарап бөлшектерге жатады. Атомдардың радиусы бардлық элементтер үшiн 10[-8]см, ал ядроларының радиусы 10[-13]см.
Жалпы атомдық өлшемдер ретiнде металдық радиус, бейметалл элементтердiң коваленттiк радиустары мен инерттi газ атомдарының радиустары алынады.
Металдық және коваленттiк радиуста жай заттардың және органикалық қосылыстардың кристалдарындағы атомаралық қашықтықтардың жартысына тең. Ал инертi газ атомдарының радиустары олардың төменгi температурада пайда болатын кристалдық қосылыстардағы атомаралық қашықтарының жартысына тең.
Органикалық емес заттарды қарыстырғанда, иондық радиус ұғымын қолданады.
Кез келген элемент бiрнеше изотоптан тұрады. Оларда ядроның құрамына кiретiн протондардың саны бiрдей, ал нейтрондардың саны әртүрлi болады.
Кез келген электронға басқа электрондардың тебу күшi және ядроға тартылыс күшi әсер етедi. Электрондар өз өсiнiң бойымен және ядроның айналысында екi түрлi айнамамалы қозғалыста болады. Электронның күйi оның ядромен байланыс энергиясымен анықталады.
Әрбiр электрон ядро төңiрегiнде белгiлi бiр орбитаның бойымен айнала қозғалады. Атом құрамына кiретiн барлық электрондардың орбиталары әртүрлi топтар мен қабаттар құрады.
Жай металдарда әдетте iшiкi электрондық қабаттар электрондарымен толық толтырылған немесе бос болады. Егер iшкi электрондық қабаттарын, сыртқы қабаты толған соң ғана электрондар орналаса бастаса, онда мұндай металдар өтпелi металдар деп атайды.
Атомның химиялық процестерінде, фазалық өзгерiстерде көрсететiн қасиеттерi - олардың ең алдымен валенттiк электрондарының ядромен байланыс энергия берiктiгiмен анықталады. Сондықтан атомдардың ең манызды энергетикалық көрсеткiшi - олардың иондану энергиясы. Иондану энергиясы - электронды атомнан бөлiп алуға керектi энергия, электронвольтпен (эв) өлшенедi. Әдетте оны ионизациялық потенциал (J) деп атайды (электронның энергиясы иондану энергиясына дейiн өзгерте алатын потенциалдар айырмасы, эв).
Сутегiнiң иондану энергиясы - 13,60эв. Көп электронды атомдар үшiн бiрнеше иондану энергиясы бар. Атомнан бiрiншi электронды бөлу энергиясы - J1, екiнiшi электронды - J2, үшiншi электронды - J3 т.с.с. белгiленедi. Бөлiп алынған электрондардың саны артқан сайын, пайда болатын ионның оң заряды өсiп, оның қалған электрондарды тарту күшi арта түседi. Сондықтан әрқашан J1 J2 J3...
Сiлiтiлiк металдардың иондану энергиясы бiр периодтағы элементтердiң иондану энергиясынан әрқашан да аз. Кез келген металл үшiн бiр иондану энергиясы екiншiсiне өткенде, оның мәнi тез өседi. Мысалы, 4-шi немесе 5-шi электрондар үшiн иондану энергиясы қарағанда, он еседей артық.
Химиялық реакциялар мен фазалық өзгерiстердiң энергиялық эффектiлерi атомдардың бiрiншi ионизациялық потенциалдарымен шамалас (1эв 23,1ккалатом). Сондықтан химиялық реакциялар мен фазалық өзгерiстер негiзiнен сыртқы валенттiк электрондардың қатысуымен жүредi.
Заттың металдық қасиетi бiрiншi ионизациялық потенциалымен байланысты. Бiрiншi ионизациялық потенциалы аз нағыз металдар - химиялық реакция кезiнде өзiнiң әлсiз байланысқан валенттiк электронынан оңай айырылады.
Металдардың атомдық-кристалдық құрылысы. Бейтарап атомдар бiр-бiрiне жақындағанда олардың сыртқы валенттiк электрондары мен оң зарядталған иондарының арасында күрделi кулондақ (электрлiк) байланыс пайда болады. Қарапайым заттарда негiзiнен үш түрлi - металдық, коваленттiк, иондық және химиялық байланыс кездеседi.
Металдық байланыс - оң зарядты иондар мен еркiн қозғала алатын (салыстырмалы түрде) валенттiк электрондар газының арасындағы байланыс. Мұндай байланыс кристал iшiнде айырықша бағытталмаған. Оның атомаралық байланыс энергиясы (күшi) барлық бағытта бiрдей.
Коваленттiк байланыс - иондар арасындағы электрондық жұптардың пайда болуы нәтижесiнде жүзеге асады. Бұл бағытталған, күштi байланыс. Коваленттiк байланысы бар заттарға - алмаз, көмiртегi, өтпелi металдар, кремний, германий, йод, селен және т.б. жатады.
Иондық байланыстар оң және терiс зарядыталған иондардың арасында (бiр атом валенттiк электронын бередi, екiншi атом оны қосып алады) пайда болады. Мұндай байланыс иондық қосылыстарда және қатты ерiтiндiлерде кездеседi.
Кейбiр қарапайым, әсiресе күрделi заттарда көрсетiлген атомаралық байланыстар бiрге кездеседi. Оны - аралас химиялық байланыстар деп атайды.
Кез келген химиялық әсерлесудiң пайда болуына байланысты бейтарап атомдар (мысалы: жұп күйiндегi атомдар) алдымен сұйық, кейiннен қатты күйге өтедi. Қатты күйде атомдар әр заттың өзiне тән ретiмен орналасып, кеңiстiкте кристалдық тор құрады. Иондар осы тордың түйiндерiнде тербелмелi жылулық қозғалыста болады. Ал электрондар - олардың арасындағы кеңiстiкте химиялық байланысты қамтамасыз етедi.
Сонымен, кристалдық тор деп - шартты түрде түйiндерiнде материалдық бөлшектер (иондар) орналасқан кеңiстiктегi торды (реттелген нүктелер жүйесiн) айтады. Түйiндердiң арасы ойша байланыс сызығымен жалғасады. Кристалдық тордың симметриясын, атомдардың орналасу ретiн, тығыздығын, т.б. қасиеттерiн сақтайтын ең кiшi бөлiгiн - қарамайым тор немесе тор ұя деп атайды. Қарапайым торды үш бағытта үздiксiз тасымалдау арқылы тұтас кристалдық тор тұрғызуға болады. Әрбiр тор ұяның немесе кристалдық тордың түрi олардың негiзгi параметрлерiмен анықталады (үш бағыттағы атомаралық қашықтықтары немесе периодтар a,b,c және тор ұяның қырларының арасындағы бұрыштар , , ).
Әрбiр металл өз кристалдық торымен сипатталады:
oo Na, K, Ba, Fe металдарың атомдар көлемге центрленген текше құрайды (КЦТ);
oo Cu, Ag, Pb, Bi, Co, Fe металдардың атомдар қабырғаға центрленген кубын құрайды (ҚЦК.);
oo Mg, Be, Zn, Ca, Cd, Sn металдардың атомдары гексогоналдық тығыз орналасқан торды құрайды (ГТО).
1-сурет. Кристалдық торлардың элементар ұяшықтары
Кристалдық тордағы атомдардың ара қашықтағы өте жақын (10-8см) болғандықтан, олардың орналасуын, яғни кристалдық тордың түрiн рентгендік талдау арқылы анықтайды.
Кристалдық торды сипаттайтын мынадай негiзгi шамалар бар: тор параметрлерi немесе периоды; базисi; координаттык саны; жинақтылық коэффициентi т.б.
Тордың параметрi деп оның жақын жатқан екi атомдарының арасындағы қашықтықты айтады. Тор параметрi (периоды - a, b c) ангстреммен (1А0 10-8см) өлшенедi.
Әрбiр қарапайым торға тиiстi атом санын тордың базисi деп атайды. Мысалы, көлемге центрленген текше торының базисi - 2. Себебi тордың ортасында 1 атом орналасқан және текшенің 8 төбесiндегi әрбiр 8 атом басқа сыбайлас 8 торға қатысты. Олай болса, бұл тордың базисi мынандай: 1+82. Қабырғаға центрленген текше торының базисi - 4 (6+83 + 1 4). Гексогоналдық торының базисi - 6 (3 + 2 + 6+ 6 3 + 1 + 1 + 1 6).
Берiлген атомға ең жақын орналасқан атомдар саны тордың координаттық саны деп аталады. Бұл шама тор атомдарының өз ара байланыстарын сипаттайды. Көлемге центрленген текше тордың координаттық саны - 8, қабырғаға центрленген текше тордiкi - 12.
Тордағы атомдар көлемiнiң жалпы тор көлемiне қатынасын тордың жинақтылық коэффициентi деп атайды. Жинақтылық коэффициентi тор атомдарының орналасу тығыздығын сипаттайды.
Сонымен бiрге, әр заттың кристалдық торы тек өзiне ғана тән (типтi басқа заттардың тор ұяларына ұқсас болса да) кристаллографиялық эквиваленттi атомдық жазықтар және бағытттармен сипатталады. Әрбiр кристаллографиялық жазықтық жүйесiнiң тұрақты бiр жазықтық аралық қашықтағының мәнi болады (d). Ал барлық жазықтықтар жүйелерiне сәйкес жазықтықаралық қашықтықтарының мәндерi (d1, d2, ... dn) заттың тек өзiне ғана тән жүйе құрайды. Дифракциялық әдiстермен анықталатын осы мәндер - жүйесiнiң көмегiмен кез келген заттың кристалдық торын анықтауға болады.
Металдық байланысы бар заттарда атомдар симметриясы жоғары, тығыздығы жоғары, ықшамды кристалдық торлар.
Кристаллдық тордың ақаулар
Нақты кристалдарды құрылысы идеал кристалдардан өзгеше болады. Нақты кристалдарда әрдайым ақау болады, сондықтан кристалдың барлық көлемiнде атомдардың идеалды дұрыс қалыпта орналасуы мүмкiн емес.
Кристалдық құрылыстың ақауы қозғалмалы болып келедi, әрі олар жылжи алады және бiр-бiрiмен әрекетке түседi. Әр түрлi ақаулардың орын ауыстыру жылдамдығы әр түрлi болуына қарамастан, қыздыру кезiнде ақаулардың қозғағыштығының және өзара әрекеттесуiнiң нәтижесiнде өзгерiп отырады. Қыздырылған металда басқаларынан гөрi ақаулары аз болады. Шынықтыру, деформациялау және т.б. өңдеулерден кейiн нақты кристалдардағы ақаулардың концентрациясы артады.
Кристалл құрылысының дұрыстығын бұза отырып, ақаулар термодинамикалық орнықсыз күйде болады. Бiрақ олар қажеттi кинетикалық шарттардың болмау әсерiнен жоғалып кетпейдi.
Кристалдық ақаулар нүктелiк, сызықтық және беттiк болып ажыратылады. Нүктелiк ақаудың мөлшерi атомаралық қашықтықпен шамалас. Сызықтық ақаудың ұзындығы енiнен бiрнеше есе артық болады; беттiк ақаудың қалындығы өте жұқа, ал енi мен ұзындығы оның қалындығынан бiрнеше есе артық болып келедi.
Нүктелiк ақаулар. Қарапайым нүктелiк ақауларға: бос орын (вакансия), түйiн аралық атом және қоспа атомдар жатады (2-сурет).
Нүктелiк ақаулар тор iшiнде үздiксiз орын ауыстырып отырады. Бос орынмен көршiлес атом, сол бос орынға ауысып, өз түйiнiн бос қалдыруы мүмкiн. Түйiнге ондайда басқа атом ауысады. Бұл жағдай бос орыннан бiр атомаралық қашықтыққа орын ауыстыруымен пара-пар. Одан әрi процес үздiксiз жаңадан қайталанып отырады. Температура жоғарылаған сайын, бос оындар көбейе түседi әрi олар бiр түйiннен екiншi түйiнге жиi ауысады. Бос орындар маңызды нүктелiк ақау болып есептеледi және олар термиялық активтi процестердi (диффузияны, аса қаныққан қатты ерiтiндiнiң ыдырауын, ұнтақтардың жентектелуiн т.б.) жеделдетедi.
Барлық нүктелiк ақаулар кристалдық торды бұзады, кристалдың электр кедергiсiн артырады және белгiлi бiр дәрежеде кристалды берiк етедi.
2-сурет. Кристалдық тордағы нүктелік ақаулар
Сызықтық ақаулар.Сызықтық ақаудың маңызды түрлерi шеттiк және бұрандалы дислокациялар болып табылады.
Шеттік дислокация - тордағы артық жарты жазықтықтың шекарасы:
3-сурет. Сызықтық ақаулар
Дислокацияның маңында тор серпiмдi түрде бұзылады және оның энергиясы жоғарылау болады. Бұзылу өлшемiне Бюргерс векторы деп аталатын шама алынады. Дислокацияның идеал кристалдағы тұйық контур iшiнде бiр түйiннен екiншi түйiнге ауыса отырып, сол контурды айналып шығу процесiн нақты кристалда да қайтайлайтын болсақ, Бюргерс векторы шығады. Нақты кристалдағы контур, 4-суреттен көрiнiп тұрғандай, ашық контур болып келедi. Контурды жабуға керектi вектор Бюргерс векторы деп аталады. Шеттік дислокацияда Бюргерс векторы атомаралық қашықтыққа тең әрi дислокация сызығына перпендикуляр. Бұрандалы дислокацияда да, сондай-ақ Бюргерс векторы атомаралық қашықтыққа тең, бiрақ ол дислокация сызығына параллель болып келедi. Бюргерс векторы дислокацияның сипаттамасы бола алады. Ол дислокацияның энергиясын, қозғалғыштығын т.б. қасиеттерiн анықтайды. Сан шамасы бiр-бiрне тең, бiрақ қарама-қарсы бағытталған Бюргерс векторы бар дислокациялар әр түрлi таңбалы дислокация болып есептеледi. Таңбасы бiрдей дислокациялар бiр-бiрiне тебеді, ал қарама-қарсы таңбалы дислокациялар бір-біріне тартылады.
а-тұйық контур; б-ашық контур.
4-сурет. Бюргерс векторын анықтау
Атомаралық қащықтыққа тең Бюргерс векторлы дислокациялар толық делініп, ал Бюргерс векторы атомаралық қашықтықтан кіші келетін дислокациялар ішінара дилокациялар деп аталады. Толық дислокацияға қарағанда ішінара дислокацияның қозғалғыштығы кемдеу болады.
5-сурет. Бұрандалы дислокация
Беттiк ақаулар. Өнеркәсiпте поликристалды, сондай-ақ монокристалды материалдар пайдаланылады. Алғашқы жағдайда материал мөлшерi өте көп ұсақ кристалдардан (немесе түйiршiктерден) тұрады. Әрбір түйiршiктiң кристаллографиялық жазықтығы әр түрлi бағытталған. Әрбiр кристалл, өз кезегiнде, субтүйiрлерден немесе блоктардан тұрады. Субтүйiршiк - салыстырмалы түрде кристалдың дұрыс құрылған бөлiгi.
Маңызды беттiк ақаулар: түйiршiктер мен субтүйiршiктердiң шекарасы, сондай-ақ жинақтау ақаулары. Ақаудың өлшемi беттiк энергия болып есептеледi.
Түйiршiктердiң шекарасы - енi 10 атом аралық қашықтыққа дейiн баратын ауыспалы аймақ. Бұл аймақта бiр кристалл торы екiншi бiр кристалл торына ауысады. Ауыспалы қабаттың құрылысы күрделi. Ауыспалы қабатта атомдар дұрыс орналаспайды, дислокациялар жиынтығы кездеседi, беттiк энергияны кемiтетiн қоспа концентрациясы да жоғары болады. Түйiршiктер арасындағы шекараны үлкен бұрышты шекара деп атайды, өйткенi көршiлес түйiршiктердiң сәйкес кристаллографиялық бағыттары ондаған градусқа жететiн бұрыш жасайды.
6-сурет. Түйіршіктер арасындағы шекара құрылысының схемасы
Субтүйiршiктердiң шекарасы дислокацияның қабырғасы болып саналады. Ол қабырғалар түйiршiктердi жекелеген субтүйiршiктерге немесе блоктарға ажыратады. Көршiлес субтүйiршiктердiң арасындағы бағыттардың жанасатын бұрышы аса үлкен емес (5-тан аспайды). Сондықтан мұндай шекаралар шағын бұрышты шекаралар деп аталады. Шағын бұрышты шекараларға, сондай-ақ қоспалар да жиналады.
Жинақтау ақауы атом жазықтығының бөлiгi болып есептеледi. Бұл жазықтық шегiнде атомдық қабаттардың кезектесе орналасуының қалыпты тәртiбi бұзылады. Мысалы, қырға центрленген текше (Қ.Ц.Т.) торлы қорытпаларда тығыз орналасқан қабаттар АВСАВСАВ... болып, ал жинақтау ақаулардың қиылысқан жерiнде АВСВСАВС... тiзбегі түрiнде кезектеседi. Қабаттардың ВСВС...болып кезектесуi гексогоналдық тығыз орналасқан (Г.Т.О.) торлы жұқа пластинка тәрiздi болады. Жинақтау ақауы дислокациялармен тығыз байланыста болып келедi, әрi баяу қозғалатын iшiнара дслокациялармен шектеледi. Беттiк энергиясы азайған сайын жинақтау ақаудың заттың қасиеттерiне тигiзетiн әсерi кең әрi күштiрек болады. Жинақтау ақауы электр кедергiсiне, деформациялау кезiндегi берiктiлiкке қайта кристалдануға, фазалық ауысулардың кристаллографиясына әсер етедi.
Металдардың құрылысын зерттеу әдiстерi. Металлогрфиялық талдау макро- және микроталдау болып екi түрге бөлiнедi.
Металдар мен қорытпалардың iшкi құрылымын жай көзбен қарап немесе 30 есеге дейiн ұлғайтып қарап зерттеу әдiсiн макроталдау деп атайды.
Құрылымның қарусыз көзбен не лупаның көмегiмен аз ғана үлкейту арқылы көрiнiп, барлық бөлшектiң көлемi бойынша байқалатыны болуы мүмкiн бiртектi емес құрылым макроқұрылым деп аталады. Макроқұрылымдардың арнаулы үлгiлерде (жалтыратылған және қышқылмен өңделген) зерттей отырып, тұтастықтың бұзылуының - жарықтарды, кiшiрейген қуысты, газ кеуектерiн т.б., химиялық әртектiлiктiң (ликвацияны), қысыммен өңдеуден болатын әртектiлiктiң (ағыс фигурасын) сан алуын түрлерiн табуға болады.
Макроқұрылымды зерттеу - өзiнiң қарапайымдылығына қарамастан, материалдарды зерттеудiң өте бағалы және қажеттi тәсiлi. Металдың макроқұрылымы онда кесiп алынған макрошлиф немесе металдың сынығы бойынша зерттеледi. Макрошлифттiң құрылымын анықтау үшiн онын бетiн әр түрлi айқындағыш химиялық реактивтермен өңдейдi.
Материалдардың көпшiлiгi мөлшерi бiрнеше ангстремге (10-8см) жететiн ұсақ кристалдардан (түйiршiктерден) тұрады. Металлографиялық микроскоп арқылы металдың құрылымын 50-ден 1500 есеге дейiн ұлғайтуға болады. Металдың микроқұрылымын зерттеу үшiн биiктiгi 15мм, диаметрi 10-15мм шамасындағы цилиндр немесе қыры 100мм текше формалы үлгi кесiп алынып, оның бiр бетi өңдеудiң әр түрлi әдiстерiн қолдану арқылы айна сияқты жарқырағанша өңделедi. Осылайша өңделген үлгi микрошлиф деп аталады.
Микрошлифтi микроскоппен зерттеу арқылы металдың құрамындағы металл емес қоспаларды (графит, сульфид, тотық т.б.) микрошлифтiң сапасын анықтайды. Микрошлифтiң құрылымдық құраушыларын анықтау үшiн оның тегiстелген бетiн химиялық реактивтермен өңдейдi, нәтижеде химиялық реактив металдың құрылымдық құраушыларының әрқайсысымен түрлi дәрежеде әрекеттесiп, оларды айқындайды. Химиялық реактив ретiнде әр түрлi қышқылдардың қоспасы, сiлтiлер мен қышқылдардың спирттегi немесе судағы ерiтiндiлерi қолданылады. Микроқұрылымдық талдауда 1000000 есеге дейiн ұлғайтатын электрондық микроскоптар да қолданылады. Казiргi кезде зерттеу жұмыстарында электрондық микроскопты қолдану зерттеу мүмкiндiгiн анағұрлым арттырып отыр.
Микроқұрылымды оптикалық (10-5см-ге дейiн) немесе электрондық (410-8см-ге дейiн) микроскоптардың көмегiмен ғана байқауға болады.
Микроскопиялық тәсiл түйiршiктердiң мөлшерi мен формасын, табиғаты әр түрлi түйiршiктердiң болуын және олардың тарала орналасуы мен салыстырмалы көлемдiк санын, шлакты қоспалар мен микроформасын, кристалдардың бағыталуын, арнаулы кристаллографилық белгiлердiң (қос сызық, сырғанау сызығы т.б.) болуын анықтауғы мүмкiндiк бередi. Толық көрсетiлмеген осы шамалы тiзiмнiң өзiнен микроскоптың көмегiмен алынатын деректердiң молдығы сипатталады.
Металдардың iшкi құрылымы термиялық талдау, дилатометрия, электр, магнит, ультрадыбыс әдiстерімен де зерттеледi.
Темiрдiң аллотропиялық өзгерiс температураларын оның көлемiнiң немесе ұзындығының өзгеруiне (дилатометрия әдiсi) немесе кедергiсiнiң өзгерiсiне (электр әдiсi) қарап анықтауға болады. Металдың iшкi құрылымының өзгерiсi оның магниттiк қасиетiн де өзгертедi. Олай болса, металдың магниттiк қасиетiнiң өзгеруiне қарай iшкi құрылымының өзгеруiн бiлуге болады. Бұл әдiстi металдардың iшкi құрылыммын зерттеудiң магниттiк әдiсi деп атайды.
Металдарды сынаудың магниттiк әдiсi (магниттiк дефектоскопия) оларды iшiндегi қуыстар, металл емес заттар мен сызаттарды анықтауға мүмкiндiк бередi.
Метадардың iшкi құрылымы ультрадыбыс әдiсiмен де зерттеледi. Бұл әдiс бойынша металл құрылымының түйiршiктерiнiң көлемi мен ондағы қуыс, сызат зерттеледі. Металл емес заттардың болуы сияқты кемiстiктердi анықтауға болады.
Кристалдардағы атомдардың және атомдардағы электрондардың таралу деңгейiндегi нәзiк құрылым дифракциялық тәсiлдермен (рентгенография, электроннография, нейтронография) зерттеледi. Кристалл атомдарының қысқа толқынды (10-8-10-10см) рентген сәулерiмен (немесе электрондар, нейтрондар толқындарымен) өзара әрекетке түсуі кезiнде алынған дифракциялық көрiнiстi талдай отырып, кристалл және аморф денелердiң атомдық құрылысы жайлы өте мол информация алуға болады. Рентгенқұрылымдық талдау арқылы металдардың атомдық құрылымын, кристалл торларының түрi мен параметрлерiн, фазалық құрамы мен сан алуан iшкi кемiстiктерiн анықтауға болады. Рентген дефектоскопы арқылы құйма және пiсiру жапсарларының әр түрлi кемiстiктерi анықталады.
Бұл тәсiлдер: кристалдың атом ұяшығының формасы мен мөлшерiн; кристалдың ұяшығы қанша атомнан тұратындығын және олардың қайда орналасқандығын; атомдардың орналасуындағы бұзылушылықтардың алуан түрiн; кристалдағы жекелеген атомдардың магниттiк сәттерiнiң бағытын атомдардың электрондық тығыздығының бөлiнуiн және т.б. атомдық құрылым мәселелерiн анықтауға мүмкiндiк бередi.
Жоғары да айтылғандар қазiргi заманғы эксперименттiк техниканың материалдар құрылымын кез келген деңгейде зерттеуге мүмкiндiк беретiндiгiн көрсетедi.
Негізгі әдебиеттер: 1 нег. [3-11], [37-42],2 нег. [62-64]
Бақылау сурақтары
1. Металдардың құрылымы қандай болады?
2. Вакансия деген не?
3. Дислокация деген не?
4. Микроталдау не үшін керек?
5. Микрощлифті қалай дайындайды?
6. Металдар мен қорытпалардың микроқұрылымын ерітіндімен өңдеу арқылы айқындаудың мәнісі неде?
7. Металдар мен қорытпалардың микроқұрылымын микроскопта айқындау неге негізделген?
2-тақырып
Таза металдардың кристалдануы
Металдың сұйық не бу тәрізді күйінен кристалдық құрылым түзе отырып, қатты күйге ауысуын алғашқы кристалдану деп аталады.
Қатты кристалдық затта жаңа кристалдардың түзілуін қайыра кристалдану деп аталады.
Кристалдану процесі бір мезгілде жүретін екі процестен тұрады: кристалдың пайда болуы және өсуі. Кристалдардың өздігінен пайда болуы (өздегінен болатын кристалдану) немесе кристалданудың дайын орталықтарында өсуі (өздегінен болмайтын кристалдану) мүмкін.
Өздегінен болатын алғашқы кристалдану. Өздегінен болатын алғашқы кристалдану заттың бұрынғысынан орнықтырақ термодинамикалық потенциалының (Z) кемуімен сипатталатын күйге көшуіне байланысты. Тепе-теңдік кезінде заттың энергетикалық күйі Z-тің ең кіші (минимум) мәнімен сипатталады. Жоғарыда көрсетілгендей:
Z=H-TS.
Температураның жоғарылауына байланысты, заттың термодинамикалық потенциалы, қатты күйде де, сұйық күйде де азаяды (7-сурет).
7-сурет. Сұйық және қатты күйдегі заттардың термодинамикалық
потенциалының (Z) температураға тәуелділігі
Қатты және сұйық күйдегі заттың термодинамикалық потенциалдары бір-біріне тең болатын температураны кристаллданудың тепе-теңдік температурасы деп атайды.
Заттың қатты күйдегі термодинамикалық потенциалы сұйық күйдегі термодинамикалық потенциалынан кем болған жағдайда, яғни сұйық металды тепе-теңдік температурасынан төменірек температурада салқындатқанда кристалдану процесі жүреді. Ал кристалдануға кері процесс - балқу процесі тепе-теңдік температурадан жоғарырақ температурада қыздырғанда жүреді.
Балқудың нақты және кристалдану температураның айырмасы температуралық гизтерезис деп аталады.
Кристалдану кезінде жылу бөленеді. Таза элемент кристалданғанда салқындату салдарынан бөлініп шыққан жылу, кристалдану жлуымен компенсацияланады.
Сондықтан температура - уақыт координатасында кескінделген салқындату қисығында горизонтальды учаске кристьалдану процесіне сәйкес келеді.
Кристалданудың тепе-теңдік (Ts) және нақты (Tn) температураларының айырмасы (T) салқындау дәрежесі деп аталады. Салқындау дәрежесі суыту жылдамдығының артуына сәйкес артады. Өндірістік жағдайдағы кристалдану кезінде металдардың әдеттегі салқындау дәрежесі 100С пен 300С аралығында болады; өте үлкен суыту жылдамдығына ол жүз градусқа жетуі мүмкін. Металдардың балқу кезіндегі қыздырылу дәрежесі аса үлкен болмайды (бірнеше градустан аспайды).
Сұйық күйдегі зат атомдары, жылулық қозғалыс салдарынан ретсіз орын ауыстырып отырады. Мұнымен қатар сұйықта шағын көлемде едәуір дәрежедегі орнықты атомдар тобы да болады. Бұл топтар сұйық ішінде сорылып біткеннен кейін, сұйықтың басқа бір жерінде, қайта пайда болады. Атомдар тобының көлемінде зат атомдарының орналасуы кристалл торына ұқсас. Сұйықты суыту кезінде олардың кейбір ірілеуі орнықты күйдегі көшеді әрі өсуге қабілетті болады. Атомдардың осындай орнықты топтарын кристалдану орталықтары (өскендері) деп атайды.
8-сурет. Таза металды салқындату қисығы
Орталықтардың пайда болуы термодинамикалық потенциалды (Z) өзгереді. Сұйықтың кристалдық күйге көшуі кезінде термодинамикалық потенциал бір жағынан кемісе, екінші жағынан ол сұйық пен кристалдық өскіннің арасында бөліну бетінің пайда болуына байланысты артады. Өте кішкентай өскіннің өсуі сұйық өскін жүйесінің термодинамикалық потенциалын арттырады, ал едәуір дәрежедегі үлкен өскіннің өсуі сол жүйенің термодинамикалық потенциалын кемітеді.
9-сурет. Сұйық - кристалдану орталығы жүйесінің термодинамикалық потенциалы (Z) өзгерісінің өскін мөлшеріне тәуелділігі
Берілген салқындау дәрежесіне өскіннің белгілі бір кризистік (zкр) мөлшері сәйкес келеді. Үлкен мөлшердегі барлық өскіндер кристалдану орталығы болады, ал кіші мөлшердегі барлық өскіндер орнықсыз болып сұйық ішінде сорылып отырады.
Кризистік мөлшердегі орталықтың пайда болуы үшін белгілі бір бір энергия қажет. Бұл энергия белгілі бір орта шамадан артық энергиясы бар сұйық атомдарынан алынады. Өйткені энергия атомдарға бір қалыпты таралмайды, яғни энергия флуктуациясы болады; бақаша айтқанда кейбір атомдардың энергиясы орта деңгейден артық тболса, кейбір атомдардыңэнергиясы одан кем болады. Сұйықта энергия атомдар арасында үздіксіз қайта таралып отырылады.
Өскіннің кризистік мөлшері төмендегідей термодинамикалық параметрлерге байланысты болады:
мұндағы: - сұйық кристал шекарасындағы меншіктібеттік керілу;
- сұйықтың кристалдық күйге ауысуы кезіндегі бос энергиясының меншікті өзгеруі.
Салқындау дәрежесінің артуына байланысты беттік керілу шамалы ғана өзгереді, ал шапшаң артады. Сондықтан да салқындау дәрежесінің артуына байланысты өскіннің кризистік мөлшері кемиді, орталықтар көбірек пайда бола бастайды.
Кристалдардың нақты мөлшерлері кристалдардың өсу жылдамдығының кристалдану орталықтарының түзілуіне қатынасымен анықталады. Екі процесс те атомдардың орын ауыстыруына байланысты, яғни олар диффузиялық құбылысқа әрі температураға тәуелді. Диффузия, салқындату дәрежесі өте үлкен болған жағдайда, кейбір заттарда кристалдану орталықтарының түзілуі мен кристалдардың өсуі тежеледі. Кейбір жағдайда суыған аморф күй сақталады. Металдарды қисықтың биік учаскелері болады және салқындаудың өсуіне байланысты екі процестің де шапшаңдығы артады.
Алайда орталықтардың түзілу жылдамдығы күрт артады. Сондықтан да салқындау дәрежесін арттырғанда металдардан өте ұсақ кристалдар алынады.
Сұйық металды жылу өткізгіштігі төмен (саздан жасалған немесе отқа төзімді) формаға немесе қыздырылған металл формаға құйғанда кристалдану процесі салқындау дәрежесінің төмен екеніне қарамастан жүре береді.
10-сурет. Өскіндердің пайда болу жылдамдығы (2-қисық сызық) мен кристалдардың өсу жылдамдығының (1-қисық сызық) салқындау дәрежесіне тәуелділігі
Өздігінен болмайтын алғашқы кристалдану. Нақты жағдайларда кристалдану процесі едәуір дәрежеде дайын кристалдану орталықтарының болуына байланысты. Мұндай орталықтардың ролін әр түрлі қоспалардың қатты бөлшектері, форманың қабырғалары атқара беруі де мүмкін. Әсіресе, өзінің кристалдық құрылымы жағынан қатаятын металға ұқсас заттың бөлшектері ерекше әсерлі. Бұл ұқсастық металл мен қоспа торларының белгілі бір жазықтықтарында атомдардың орналасуының бір-біріне ұқсастығынан болады.
Егер қоспалар беттік керілуді азайтатын беттік-активті заттар болса, онда еріген қоспалар металдарда орталықтар санын арттырады. Мұндай жағдайда кристалдану орталығының кризистік мөлшері азаяды, мұның өзі салқындау дәрежесінің артуымен пара-пар.
Практикада құрылымды майдалау үшін модификациялайды, яғни сұйық қорытпаларды қосымша заттар (модификаторды) ендіру арқылы өңдейді. Модификатор ретінде беттік-активті заттар (болатта бор, алюминий және оның қоспаларында натриц) және қиын балқитын металдар (титан, алюминий және оның қоспаларында цирконий) жатады. Қорытпаларға модификаторлар проценттің мыңдық үлесінен ондық үлесіне дейін қосылады.
Сұйық металдағы кристалданудың қосымша орталықтарының ролін атқаратын қоспалар температура жоғарылағанда ериді, ал беттік-активті қоспалар активсізденеді. Сондықтан құбдың алдында сұйық металл температурасының жоғарылауы кристалдану кезінде түйіршіктердің ірі болуына әсер етеді.
Кристалдардың формасы және құймалардың құрылысы. Кристалдану кезiнде түзiлген түйiршiктердiң формасы олардың өсу шарттарына, әсiресе, жылудың бөлiнiп шығу жылдамдығы мен бағытына және сұйық металдың, сондай-ақ қоспаның температурасына тәуелдi.
Түйiршiктердiң өсуi дендриттiк (ағашқа ұқсас) схема бойынша жүредi (11-сурет). Қристалдардың өсу жылдамдығы тор атомдарының орналасу тығыздығы көп болатын жазықтықтар мен бағыттар бойында өте үлкен болады. Мұның нәтижесiнде бiрiншi реттiк ось деп аталатын ұзын бұтақ өсiп шығады. Мұнан әрi осы осьтерде екiншi реттiк бұтақтар т.б. пайда болады. Мұнымен қоса қабат дендрит осьтерiнiң арасындағы учаскелерде кристалдану процесi жүрiп жатады.
Дендриттер бiр-бiрiмен түйiскенше өсе бередi. Осыдан кейiн осьтер арасындағы кеңiстiк бiржолата толады да, дендриттiк сыртқы қырлары дұрыс емес толық кристалдарға айналады. Мұндай кристалдар түйiршiктер немесе кристалиттер деп аталады.
Түйiршiктер арасындағы шекараларда, дендрит осьтер арасындағы учаскелерде қоспалар жиналады, кiшiреюдiң салдарынан және сұйық металдың кристалдану фронтына жақындаудың қиындағынан кеуектер пайда болады.
1-бірінші реттік ось; 2-екінші реттік ось;
3-үшінші реттік ось.
11-сурет. Кристалдың дендриттік өсу схемасы
Кристалдану кезiнде жылудың бөлiнiп шығу шарты едәуiр дәрежеде түйiршiктердiң формасына әсер етедi. Бұл жағдай сом болаттың кристалдану мысалынан көрiнедi (12-сурет).
12-сурет. Сом болаттың құрылыс схемасы
Сом болаттың кристалдануы үш сатыда жүредi. Құйма бетiнде әуелi ұсақ кристалдар зонасы 1-зона түзiледi, бұл салқын металл формасының әсерiнiң нәтижесi. Ал салқын металл формасы құйманың алғашқы қатаю кезеңiнде металдың сууын шапшандатады. Одан әрi жылудың бөлiнiп шыққан бағытымен созылып жататын үлкен кристалдар (2-зона) өсiп шығады. Оларды бағаналы кристалдар деп атайды. Ақырында алқындату дәрежесi аз байқалатын құйманың орта тұсында үлкен мөлшердегi тепе-тең кристалдар түзiледi (3-зона).
Белгiлi бiр жағдайларда (сұйық металдың аса қызуы, қоспалардың аз болуы т.б.) iрi тепе-тең кристалдар зонасы толығымен жойылады. Құйманың құрылымы iс жүзiнде тек қана бағаналы кристалдардан ғана тұрады және ол транскристалл құрылымды деп аталады. Бағаналы кристалдар зонасы тығыздығының өте жоғары болуымен сипатталады. Бiрақ бағаналы кристалдардың түйiскен жерiнде ерiмейтiн қоспалар жиналады және транскристалл құрылымды құймалар қысыммен өңдеу кезiнде жиi жарылып кетедi. Транскристалдану пiсiрiлген жапсарларда жиi байқалады, әрi ол жапсарлардың берiктiгiн кемiтедi.
Ең соңғы кезекте қатаятын құйманың жоғары бөлiгiнде кiшiрейген қуыстар жинақталады. Кiшiрейген қуыстары бар металдар кеуек болып келедi және оларда кiшiрейген қуыстар өте көп бөлiгiн кесiп тастайды. Құйманың құрамы бiртектi болып келмейдi. Мысалы, болатта беткi жағынан ортасына және төменнен жоғарыға қарай көмiртегiнiң және зиянды қоспалардың (күкiрт және фосфор) концентрациясы артады. Құйманың зоналар бойынша бiртектi еместiгi зоналық ликвация деп аталады. Ол құйманың механикалық қасиеттерiне терiс әсер етедi.
Монокристалдардың алу. Монокристалдардың ғылыми да, практикалық та маңызы зор. Монокристалл күйдегі металдар жоғары дәрежеде таза болуымен және құрылымның аз ғана жетілмегендігімен ерекшеленеді. Монокристалдарды алу металдардың шынайы қасиеттерін зерттеуге, түйіршіктер шекараларының әсерін жоюға мүмкіндік береді. Жоғары дәрежедегі таза германий мен кремнийдің монокристалдық күйін алу олардың жартылай өткізгіштік қасиеттерін пайдалануға және бақылауға болмайтын электрік қасиеттерді өте азайтуға мүмкіндік береді.
Егер кристалда бір ғана кристалдану орталығынан өсу жағдайы жсалса, онда монокристалл алуға болады. Осы принципті пайдаланатын бірнеше тәсілдер бар. Олардың ішінде маңыздылары - Бриджмен мен Чохральский әдістері.
Бриджмен әдісінің мәні мынандай: конус түпті тигельге орналасқан металл, веғртикаль трубалы пеште, металдың балқу темпертаурасынан жоғары 50-1000С-қа дейін қыздырылады. Одан кейін балқыған металл бар тигель бірте-бірте пеште шығарылады. Суу процесі ең алдымен кристалданудың алғашқы орталықтары пайда болатын конустың төбесімен басталады. Басымырақ өсу бағыты тигельдің орын ауыстыру бағытымен сәйкес келетін түйіршіктерде монокристалл өсіп шығады. Бұл жағдайда басқа түйіршіктердің өсуі тоқталып қалады. Монокристалдың үздіксіз өсуі үшін тигельді пеш ішінен шығарған кезде берілген металдың кристалдану жылдамдығынан артпайтындай етіп ақырын суыру керек.
Негізгі әдебиеттер: 1нег. [42-48]
Бақылау сурақтары
1. Металдың қату процесі немен қоса жүреді?
2. Таза металдың кристалдану температурасын суыну қисығындағы қандай белгі анықтайды?
3. Таза металдың кристалдану процесі қандай температурада өтеді?
4. Металдың полиморфтық түрленуі немен қоса жүреді?
5. Температура мен қысымға байланысты заттың әртүрлі кристалдық құрылымға ие болу қабілеттілігін қалай атайды?
6. Металдың аллотропиясы (полиморфтығы) не нәрсе болып есептелінеді?
3-тақырып
Қорытпалар теориясы
Қорытпа деп металдар немесе металл мен бейметалдардың әрекеттесуіне пайда болған, құрамы күрделі қосылыстарды айтады. Құрамындағы элементерінің санына байланысты қорытпа екі, үш және одан да көп компонентті болуы мүмкін. Түрлі металдардың қорытпа түзгіштік қасиеттері әр түрлі. Қорытпалардың, таза металдарға қарағанда, мынадай артықшылықтары бар:
1) механикалық қаттылығы, серпімділігі, тұтқырлық коэффициенті, беріктік шегі т.б. жоғарылығы;
2) технологиялық қасиеттерінің жоғарылығы;
3) таза металдарда кездеспейтін ерекше қасиеттреінің болуы;
4) қорытпалардың физика-химиялық қасиеттреін қалауымызша өзгертуімізге болатындығы.
Қорытпаларсұйық күйінде бірі екншісінде ерімейді. Мысалы, қорғасын мен темір, қорғасын мен мыс т.б. элементердің қоспалары. Мұндай металдар сұйық күйінде бірі екіншісінде араласпай, меншікті салмағына байланыста күйінде бірі екіншісінде ерігіштігі шекті болып келеді. Егер металдың қоспадағы концентрациясы сол металдың екінші металдағы ерігіштік шегінен асып кетсе, онда қоспа екі қабатқа бөлінеді. Ерігіштігі шекті металдардың кристалдық торларының параметрлері мен балқу температураларының айырмашылығы әдетте көп болып келеді.
Құйма қатайған кезде оның құрамындағы компоненттері бір-бірімен әрекеттесіп, екі немесе бірнеше фазадан тұратын қатты ерітінді, химялық қосылыс және мезаникалық қоспа түзеді.
Қатты ерітінділер. Көптеген металл қоспалары сұйық күйінде бірі екіншісінде еріп, сұйық ертінді түзеді. Металдар бірі екіншісінде тек сұйық күйінде ғана емес, қатты күйінде де еріп, қатты ертінді түзеді. Қатты ерітіндіде қорытпа компоенттреінің бірі өзінің кристалдық торын сақтайды, ал екіншісінің кристалдық торы бұзылады. Бірінші компонент - еріткіш, екіншісі - ерігіш, ал пайда болған қорытпа қатты ертінді деп аталады. Егер қорытпа компоненттерінің кристалдық торларыт бір типтес және олар бірі екіншісінде шексіз еритін болса, онда қорытпа құрамында мөлшері 50%-тен артық болатын компонент ерігіш деп аталады. Бірі екншісінде шексіз еритін компоненттердің кристалдық торлары типтес болады және шексіз қатты ертінді олардың параметрлерінің арасындағы айырмашылық 8%-тен аспаған жағдайда түзіледі. Қорытпадағы металл атомдарының кристалдық тордағы орналвсуына байланысты қатты ерітінділер алмасушы, енуші, шегеруші ерітінділері болып негізгі үш түрге бқленеді. Шегеруші қатты ерітіндісі сирек кездесетін болғандықтан оны қарастырмаймыз. Алмасушы қатты ерітіндісінде, ерігіш элементтің атомдары еріткіш элементтің кристалдық торындағы атомдардың орнын басады. Мұндай қатты ерітінділер компоненттері бірі екіншісінде шекте және шексіз еруі мүмкін.
Енуші қатты ерітіндісінде ерігіш элементтің атомдары еріткіш элементтің атомдарыңың кристалдық торының ішінде орналасады, яғни ішінде енеді.
Егер қорытпа компоненттерінің кристалдық торларының параметрлеріндегі айырмашылық 8%-тен аспаса, компонентерінің бірінің екіншісінде ерігіштігі шексіз болады, яғни алмасушы қатты ертінді, ал айырмащылық 8-15% болса, онда компоненттерінің екіншісіндегі ерігіштігі шекті, яғни енуші қатты ертінді түзіледі; 15%-тен асып кетсе, қатты ертінді түзілмейді.
Химиялық қосылыс. Кристалдық торларының түрлері бірі-біріне ұқсамайтын және торларының параметрлерінің айырмащылығы үлкен элементтер химиялық қосылыс түзеді. Бұл қосылыстар қорытпа компоенттерінің қатынасы белгілі мөлшерге жеткенде түзіледі. Әдетте, мұндай қосылысы Д.И.Менделеевтің периодтық системасындағы бір-бірінен алшақ жатқан элементтер немесе кристалдық торлары мен тор параметрі әр түрлі, бірі-біріне жақын жатқан элементтер түзеді. Қөбенесе химиялық қосылысты металдар мен бейметалдар түзеді. Мысалы, карбидтер - металл мен көміртегінің химиялық қосылыстары (темір, хром карбидтері), нитридтер - азот пен металдардың химиялық қосылыстары (темір, алюминий нитридтері).
Әдетте химиялық қосылыстың физика-химиялық қасиеттреі оларды құраушы компоненттердің физика-химиялық қасиеттерінен тіпті өзгеше болып келеді (қаттылығы, морттығы, электр кедергісі жоғары болады). Себебі химиялық қосылыс нәтижесінде күрделі жаңа кристалдық тор түзіледі.
Механикалық қоспа. Егер қорытпаның компоненттері балқыған күйде бірі екіншісінде шексіз еріп, қатты күйде өз ара ерімесе, онда қорытпа қатайғанда механикалық қоспа (эвтектика) құрайды. Механикалық қоспада компоненттер өз кристалдық торларын өзгертпей сақтайды. Механикалық қоспа таза компоненттерден, қатты ертінділерден, химиялық қосылыстардан т.б. тұруы мүмкін. Егер қорытпа компоненттрерінің кристалдық торларының параметрлеріндегі айырмашылық 15%-тен асып кетсе, онда мұндай қорытпа қатайғанда механикалық қоспа құрайды.
Құй диаграммалары
Қорытпа құраушылары мен олардың концентрациясының температураға байланысты өзгерістерін құй диаграммасы сипаттайды.
Құй диаграммасының ордината осіне қорытпалардың температурасы, абсцисса осіне концентрациясы салынады. Абсцисса осінің әрбір нүктесіне белгілі концентрациялы қорытпа сәйкес келеді, ал шекті нүктелері 100%-тік қорытпа компоненттерін анықтайды. Диаграмманың кез келген нүктесі белгілі бір температурадағы белгілі концентрациялы қорытпа күйін сипаттайды. Абсцисса осіне перпендикуляр түзудің бойында жатқан ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Кіріспе
Материалтану деп техникалық материалдардың құрылысы мен қасиеттерi жөнiндегi қолданбалы ғылымды айтады. Оның негiзгi мiндетi - материалдардың құрамы, құрылымы және қасиеттерi арасындағы байланысты табу болып табылады.
Техниканың дамуымен бiрге пайдаланылатын материалдар саны артуда; механикалық және технологиялық қасиеттердiң белгiлi бiр комплексiн қамтамасыз етуiн байырғы материалдармен қатар, халық шаруашылығының жеке салаларында жұмсалынатын айрықша қасиеттерге бай жаңа материалдар пайда болды. Мұндай материалдарға: магниттiк, ыстыққа төзiмдi және балқуы қиын, жентектелген ұнтақты материалдар; жартылай өткiзгiш материалдар; атомдық техниканың материалдары; композициялық материалдар; асқын өткiзгiштерi; жоғары жиiлiктi полимер диэлектриктерi; шыны пластиктерi, ситалдар т.б. жатады.
Металлдар және көптеген бейметалл материалдар кристалдық заттарға жатады. Бұл атомдар арасындағы байланыс табиғатымен анықталатын кристалдық құрылымы мен қасиеттердiң қалыптасу заңдылықтарын бiрегей тұрғыдан қарастыруға мүмкiндiк бередi.
Бiр жағынан, құрам мен кристалдық құрылымының, екiншi жағынан олардың қасиеттерiнiң арасындағы байланыс химиялық құрамды үйлестiру мен құрылымға ықпал ететiн (жылулық, пластикалық деформациялау т.б.) сыртқы әсерлер арқылы қолда бар материалдарды жақсартуға ғана емес, сонымен бiрге ерекше қасиеттерi бар принциптi жаңа материалдар жасауға мүмкiндiк туғызады. Осы жағынан алғанда, материалдардың кристалдық құрылымының детальдарын анықтауға мүмкiндiк беретiн, сәулелендiрiп электрондық микроскопиялық зерттеу, нейтронография және басқалар сияқты материалдардың кристалдық құрылымын зерттеудiң жаңа әдiстерiнiң рөлi өте бағалы.
Кристалдық құрылымды зерттеудiң жетiлген жаңа тәсiлдерiнiң өрiстеуi жаңа материалдарды iздестiру мен жаңа технологиялық процестердi жасаудың ғылыми негiзiн қалайды. Жаңа материалдарға қажеттiлiк ғылыми-техникалық прогресс әсерiнен туады, ол машиналар мен приборлардың жұмыс параметрлерiнiң үздiксiз артуы нәтижесiнде материалдар қасиеттерiне жаңа талаптар қояды.
Материалдарды ұтымды таңдау және оларды өңдеудiң технологиялық процестерiн жетiлдiру конструкциялырдың сенiмдiлiгiн қамтамасыз етедi, өзiндiк құнды кемiтедi және еңбек өнiмдiлiгiн арттырады.
Металдардың атомдық - кристалдық құрылысы
Металдардың сипаттамасы. Табиғи жағдайда кездесетiн 92 элементтiң 70-ке жуығы металдарға жатады. Метал еместерге H, B, C, N, J, O, инерттi газдар, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, галогендер F, Cl, Br, J және Si, P, S сияқты элементтер жатады.
Элементтердi металдар мен бейметалдарға бөлу жеткiлiксiз, өйткенi олардың барлық ерекшелiктерi ескерiлмейдi. Кейбiр элементтер (мысалы, Sn) бiр аллотропиялық түрiнде металдық, ал басқа бiр түрiнде бейметалдық қасиет көрсетедi.
Металдар мен металл еместердiң ортасында жататын жартылай металдар (жартылай өткiзгiштер) бар. Оларға Si6 Ge, As, Se, Te, -Sn жатады.
Қатты металда атомдар бiр-бiрiмен химиялық байланыста болады. Мұндай байланыс иондар мен валенттiк электрондардың арасында пайда болатын кулондық (электрлiк) күштердiң әсерiмен жүзеге асады. Атомдардың сыртқы валенттiк электрондары ортақ электрондық газ құрып, белгiлi бiр ретпен орналасқан иондар мен еркiн қозғала алатын электрондар системасы пайда болады.
Тәжiрибе көрсеткендей, қатты металдардың қасиеттерi, мысалы балқу және булану температуралары, атомдық көлемi, тығыздығы, кристалдық тордағы атомаралық қашықтығы, иондану потенциалы олардың атомдық салмағына немесе элементтердiң периодтық системасындағы орнына периодты түрде байланысты болады. Бұл - қатты металдардың қасиеттерi ең алдымен олардың жеке атомдарының құрылысына байланысты болатынын көрсетедi.
Металдардың классификациясы. Барлық металдарды екi үлкен топқа бөлуге болады: қара металдар және түстi металдар.
Қара металдардың түсi сұр, тығыздығы жоғары (сiлтi жер металдардан басқасы), балқу температурасы жоғары, қаттылығы жоғары, көбiнесе полиморфты. Ең белгiлi металл - темiр (Fe).
Түстi металдардың түсi - қызыл, сары, ақ. Олардың пластикалық қасиеттерi жоғары, қаттылығы төмен, балқу температурасы төмен, полиморфты емес. Ең белгiлi металл - мыс (Cu).
Қара металдар мынандай топтарға бөлiнедi:
1) темiр металдар - Fe, Co, Ni (ферромагнетиктер) және Mn;
2) балқуы қиын металдар - балқу температурасы 1539С температурадан жоғары - Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Tc, Hf, Ta, W, Re. Осы металдарды болаттарды легiрлеу үшiн қолданады;
3) уран металдар - актинидтер - Ac, Th, U, ... Атомдық энергетикада қолданылады;
4) сирек жер металдар - Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd,... Бұл металдардың химиялық қасиеттерi бiрдей, ал физикалық қасиеттерi әртүрлi. Табиғатта бөлек кездеспейдi, тек бiрлесiп кездеседі. Оларды қоспа түрiнде қолданады.
5) сiлтi және жер металдар - Li, Na, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, Fr, Ra - бос күйде жалпыда қолданбайды.
Түстi металдар мынандай топтарға бөлiнедi:
1) женiл металдар - Be, Mg, Al - тығыздығы аз металдар;
2) асыл металдар - Ag, Au, Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru және Cu. Бұл металдардың коррозияға кедергiсi жоғары металдар;
3) балқуы жеңiл металдар - Zn, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Sb, Hg, Ti, Pb, Bi.
Атомдардың құрылысы. Атомдық салмағы А, периодтық системадағы реттiк нөмірi N болатын кез келген химиялық элементтiң атомы оң зарядты N протоннан, терiс зарядты N электроннан және (А- N) нейтроннан тұрады. Оң зарядты протондар атом ядросын құрайды. Нейтрондардың саны әрқашан протондар санынан артық болады. Нейтрондар зарядсыз электрлік бейтарап бөлшектерге жатады. Атомдардың радиусы бардлық элементтер үшiн 10[-8]см, ал ядроларының радиусы 10[-13]см.
Жалпы атомдық өлшемдер ретiнде металдық радиус, бейметалл элементтердiң коваленттiк радиустары мен инерттi газ атомдарының радиустары алынады.
Металдық және коваленттiк радиуста жай заттардың және органикалық қосылыстардың кристалдарындағы атомаралық қашықтықтардың жартысына тең. Ал инертi газ атомдарының радиустары олардың төменгi температурада пайда болатын кристалдық қосылыстардағы атомаралық қашықтарының жартысына тең.
Органикалық емес заттарды қарыстырғанда, иондық радиус ұғымын қолданады.
Кез келген элемент бiрнеше изотоптан тұрады. Оларда ядроның құрамына кiретiн протондардың саны бiрдей, ал нейтрондардың саны әртүрлi болады.
Кез келген электронға басқа электрондардың тебу күшi және ядроға тартылыс күшi әсер етедi. Электрондар өз өсiнiң бойымен және ядроның айналысында екi түрлi айнамамалы қозғалыста болады. Электронның күйi оның ядромен байланыс энергиясымен анықталады.
Әрбiр электрон ядро төңiрегiнде белгiлi бiр орбитаның бойымен айнала қозғалады. Атом құрамына кiретiн барлық электрондардың орбиталары әртүрлi топтар мен қабаттар құрады.
Жай металдарда әдетте iшiкi электрондық қабаттар электрондарымен толық толтырылған немесе бос болады. Егер iшкi электрондық қабаттарын, сыртқы қабаты толған соң ғана электрондар орналаса бастаса, онда мұндай металдар өтпелi металдар деп атайды.
Атомның химиялық процестерінде, фазалық өзгерiстерде көрсететiн қасиеттерi - олардың ең алдымен валенттiк электрондарының ядромен байланыс энергия берiктiгiмен анықталады. Сондықтан атомдардың ең манызды энергетикалық көрсеткiшi - олардың иондану энергиясы. Иондану энергиясы - электронды атомнан бөлiп алуға керектi энергия, электронвольтпен (эв) өлшенедi. Әдетте оны ионизациялық потенциал (J) деп атайды (электронның энергиясы иондану энергиясына дейiн өзгерте алатын потенциалдар айырмасы, эв).
Сутегiнiң иондану энергиясы - 13,60эв. Көп электронды атомдар үшiн бiрнеше иондану энергиясы бар. Атомнан бiрiншi электронды бөлу энергиясы - J1, екiнiшi электронды - J2, үшiншi электронды - J3 т.с.с. белгiленедi. Бөлiп алынған электрондардың саны артқан сайын, пайда болатын ионның оң заряды өсiп, оның қалған электрондарды тарту күшi арта түседi. Сондықтан әрқашан J1 J2 J3...
Сiлiтiлiк металдардың иондану энергиясы бiр периодтағы элементтердiң иондану энергиясынан әрқашан да аз. Кез келген металл үшiн бiр иондану энергиясы екiншiсiне өткенде, оның мәнi тез өседi. Мысалы, 4-шi немесе 5-шi электрондар үшiн иондану энергиясы қарағанда, он еседей артық.
Химиялық реакциялар мен фазалық өзгерiстердiң энергиялық эффектiлерi атомдардың бiрiншi ионизациялық потенциалдарымен шамалас (1эв 23,1ккалатом). Сондықтан химиялық реакциялар мен фазалық өзгерiстер негiзiнен сыртқы валенттiк электрондардың қатысуымен жүредi.
Заттың металдық қасиетi бiрiншi ионизациялық потенциалымен байланысты. Бiрiншi ионизациялық потенциалы аз нағыз металдар - химиялық реакция кезiнде өзiнiң әлсiз байланысқан валенттiк электронынан оңай айырылады.
Металдардың атомдық-кристалдық құрылысы. Бейтарап атомдар бiр-бiрiне жақындағанда олардың сыртқы валенттiк электрондары мен оң зарядталған иондарының арасында күрделi кулондақ (электрлiк) байланыс пайда болады. Қарапайым заттарда негiзiнен үш түрлi - металдық, коваленттiк, иондық және химиялық байланыс кездеседi.
Металдық байланыс - оң зарядты иондар мен еркiн қозғала алатын (салыстырмалы түрде) валенттiк электрондар газының арасындағы байланыс. Мұндай байланыс кристал iшiнде айырықша бағытталмаған. Оның атомаралық байланыс энергиясы (күшi) барлық бағытта бiрдей.
Коваленттiк байланыс - иондар арасындағы электрондық жұптардың пайда болуы нәтижесiнде жүзеге асады. Бұл бағытталған, күштi байланыс. Коваленттiк байланысы бар заттарға - алмаз, көмiртегi, өтпелi металдар, кремний, германий, йод, селен және т.б. жатады.
Иондық байланыстар оң және терiс зарядыталған иондардың арасында (бiр атом валенттiк электронын бередi, екiншi атом оны қосып алады) пайда болады. Мұндай байланыс иондық қосылыстарда және қатты ерiтiндiлерде кездеседi.
Кейбiр қарапайым, әсiресе күрделi заттарда көрсетiлген атомаралық байланыстар бiрге кездеседi. Оны - аралас химиялық байланыстар деп атайды.
Кез келген химиялық әсерлесудiң пайда болуына байланысты бейтарап атомдар (мысалы: жұп күйiндегi атомдар) алдымен сұйық, кейiннен қатты күйге өтедi. Қатты күйде атомдар әр заттың өзiне тән ретiмен орналасып, кеңiстiкте кристалдық тор құрады. Иондар осы тордың түйiндерiнде тербелмелi жылулық қозғалыста болады. Ал электрондар - олардың арасындағы кеңiстiкте химиялық байланысты қамтамасыз етедi.
Сонымен, кристалдық тор деп - шартты түрде түйiндерiнде материалдық бөлшектер (иондар) орналасқан кеңiстiктегi торды (реттелген нүктелер жүйесiн) айтады. Түйiндердiң арасы ойша байланыс сызығымен жалғасады. Кристалдық тордың симметриясын, атомдардың орналасу ретiн, тығыздығын, т.б. қасиеттерiн сақтайтын ең кiшi бөлiгiн - қарамайым тор немесе тор ұя деп атайды. Қарапайым торды үш бағытта үздiксiз тасымалдау арқылы тұтас кристалдық тор тұрғызуға болады. Әрбiр тор ұяның немесе кристалдық тордың түрi олардың негiзгi параметрлерiмен анықталады (үш бағыттағы атомаралық қашықтықтары немесе периодтар a,b,c және тор ұяның қырларының арасындағы бұрыштар , , ).
Әрбiр металл өз кристалдық торымен сипатталады:
oo Na, K, Ba, Fe металдарың атомдар көлемге центрленген текше құрайды (КЦТ);
oo Cu, Ag, Pb, Bi, Co, Fe металдардың атомдар қабырғаға центрленген кубын құрайды (ҚЦК.);
oo Mg, Be, Zn, Ca, Cd, Sn металдардың атомдары гексогоналдық тығыз орналасқан торды құрайды (ГТО).
1-сурет. Кристалдық торлардың элементар ұяшықтары
Кристалдық тордағы атомдардың ара қашықтағы өте жақын (10-8см) болғандықтан, олардың орналасуын, яғни кристалдық тордың түрiн рентгендік талдау арқылы анықтайды.
Кристалдық торды сипаттайтын мынадай негiзгi шамалар бар: тор параметрлерi немесе периоды; базисi; координаттык саны; жинақтылық коэффициентi т.б.
Тордың параметрi деп оның жақын жатқан екi атомдарының арасындағы қашықтықты айтады. Тор параметрi (периоды - a, b c) ангстреммен (1А0 10-8см) өлшенедi.
Әрбiр қарапайым торға тиiстi атом санын тордың базисi деп атайды. Мысалы, көлемге центрленген текше торының базисi - 2. Себебi тордың ортасында 1 атом орналасқан және текшенің 8 төбесiндегi әрбiр 8 атом басқа сыбайлас 8 торға қатысты. Олай болса, бұл тордың базисi мынандай: 1+82. Қабырғаға центрленген текше торының базисi - 4 (6+83 + 1 4). Гексогоналдық торының базисi - 6 (3 + 2 + 6+ 6 3 + 1 + 1 + 1 6).
Берiлген атомға ең жақын орналасқан атомдар саны тордың координаттық саны деп аталады. Бұл шама тор атомдарының өз ара байланыстарын сипаттайды. Көлемге центрленген текше тордың координаттық саны - 8, қабырғаға центрленген текше тордiкi - 12.
Тордағы атомдар көлемiнiң жалпы тор көлемiне қатынасын тордың жинақтылық коэффициентi деп атайды. Жинақтылық коэффициентi тор атомдарының орналасу тығыздығын сипаттайды.
Сонымен бiрге, әр заттың кристалдық торы тек өзiне ғана тән (типтi басқа заттардың тор ұяларына ұқсас болса да) кристаллографиялық эквиваленттi атомдық жазықтар және бағытттармен сипатталады. Әрбiр кристаллографиялық жазықтық жүйесiнiң тұрақты бiр жазықтық аралық қашықтағының мәнi болады (d). Ал барлық жазықтықтар жүйелерiне сәйкес жазықтықаралық қашықтықтарының мәндерi (d1, d2, ... dn) заттың тек өзiне ғана тән жүйе құрайды. Дифракциялық әдiстермен анықталатын осы мәндер - жүйесiнiң көмегiмен кез келген заттың кристалдық торын анықтауға болады.
Металдық байланысы бар заттарда атомдар симметриясы жоғары, тығыздығы жоғары, ықшамды кристалдық торлар.
Кристаллдық тордың ақаулар
Нақты кристалдарды құрылысы идеал кристалдардан өзгеше болады. Нақты кристалдарда әрдайым ақау болады, сондықтан кристалдың барлық көлемiнде атомдардың идеалды дұрыс қалыпта орналасуы мүмкiн емес.
Кристалдық құрылыстың ақауы қозғалмалы болып келедi, әрі олар жылжи алады және бiр-бiрiмен әрекетке түседi. Әр түрлi ақаулардың орын ауыстыру жылдамдығы әр түрлi болуына қарамастан, қыздыру кезiнде ақаулардың қозғағыштығының және өзара әрекеттесуiнiң нәтижесiнде өзгерiп отырады. Қыздырылған металда басқаларынан гөрi ақаулары аз болады. Шынықтыру, деформациялау және т.б. өңдеулерден кейiн нақты кристалдардағы ақаулардың концентрациясы артады.
Кристалл құрылысының дұрыстығын бұза отырып, ақаулар термодинамикалық орнықсыз күйде болады. Бiрақ олар қажеттi кинетикалық шарттардың болмау әсерiнен жоғалып кетпейдi.
Кристалдық ақаулар нүктелiк, сызықтық және беттiк болып ажыратылады. Нүктелiк ақаудың мөлшерi атомаралық қашықтықпен шамалас. Сызықтық ақаудың ұзындығы енiнен бiрнеше есе артық болады; беттiк ақаудың қалындығы өте жұқа, ал енi мен ұзындығы оның қалындығынан бiрнеше есе артық болып келедi.
Нүктелiк ақаулар. Қарапайым нүктелiк ақауларға: бос орын (вакансия), түйiн аралық атом және қоспа атомдар жатады (2-сурет).
Нүктелiк ақаулар тор iшiнде үздiксiз орын ауыстырып отырады. Бос орынмен көршiлес атом, сол бос орынға ауысып, өз түйiнiн бос қалдыруы мүмкiн. Түйiнге ондайда басқа атом ауысады. Бұл жағдай бос орыннан бiр атомаралық қашықтыққа орын ауыстыруымен пара-пар. Одан әрi процес үздiксiз жаңадан қайталанып отырады. Температура жоғарылаған сайын, бос оындар көбейе түседi әрi олар бiр түйiннен екiншi түйiнге жиi ауысады. Бос орындар маңызды нүктелiк ақау болып есептеледi және олар термиялық активтi процестердi (диффузияны, аса қаныққан қатты ерiтiндiнiң ыдырауын, ұнтақтардың жентектелуiн т.б.) жеделдетедi.
Барлық нүктелiк ақаулар кристалдық торды бұзады, кристалдың электр кедергiсiн артырады және белгiлi бiр дәрежеде кристалды берiк етедi.
2-сурет. Кристалдық тордағы нүктелік ақаулар
Сызықтық ақаулар.Сызықтық ақаудың маңызды түрлерi шеттiк және бұрандалы дислокациялар болып табылады.
Шеттік дислокация - тордағы артық жарты жазықтықтың шекарасы:
3-сурет. Сызықтық ақаулар
Дислокацияның маңында тор серпiмдi түрде бұзылады және оның энергиясы жоғарылау болады. Бұзылу өлшемiне Бюргерс векторы деп аталатын шама алынады. Дислокацияның идеал кристалдағы тұйық контур iшiнде бiр түйiннен екiншi түйiнге ауыса отырып, сол контурды айналып шығу процесiн нақты кристалда да қайтайлайтын болсақ, Бюргерс векторы шығады. Нақты кристалдағы контур, 4-суреттен көрiнiп тұрғандай, ашық контур болып келедi. Контурды жабуға керектi вектор Бюргерс векторы деп аталады. Шеттік дислокацияда Бюргерс векторы атомаралық қашықтыққа тең әрi дислокация сызығына перпендикуляр. Бұрандалы дислокацияда да, сондай-ақ Бюргерс векторы атомаралық қашықтыққа тең, бiрақ ол дислокация сызығына параллель болып келедi. Бюргерс векторы дислокацияның сипаттамасы бола алады. Ол дислокацияның энергиясын, қозғалғыштығын т.б. қасиеттерiн анықтайды. Сан шамасы бiр-бiрне тең, бiрақ қарама-қарсы бағытталған Бюргерс векторы бар дислокациялар әр түрлi таңбалы дислокация болып есептеледi. Таңбасы бiрдей дислокациялар бiр-бiрiне тебеді, ал қарама-қарсы таңбалы дислокациялар бір-біріне тартылады.
а-тұйық контур; б-ашық контур.
4-сурет. Бюргерс векторын анықтау
Атомаралық қащықтыққа тең Бюргерс векторлы дислокациялар толық делініп, ал Бюргерс векторы атомаралық қашықтықтан кіші келетін дислокациялар ішінара дилокациялар деп аталады. Толық дислокацияға қарағанда ішінара дислокацияның қозғалғыштығы кемдеу болады.
5-сурет. Бұрандалы дислокация
Беттiк ақаулар. Өнеркәсiпте поликристалды, сондай-ақ монокристалды материалдар пайдаланылады. Алғашқы жағдайда материал мөлшерi өте көп ұсақ кристалдардан (немесе түйiршiктерден) тұрады. Әрбір түйiршiктiң кристаллографиялық жазықтығы әр түрлi бағытталған. Әрбiр кристалл, өз кезегiнде, субтүйiрлерден немесе блоктардан тұрады. Субтүйiршiк - салыстырмалы түрде кристалдың дұрыс құрылған бөлiгi.
Маңызды беттiк ақаулар: түйiршiктер мен субтүйiршiктердiң шекарасы, сондай-ақ жинақтау ақаулары. Ақаудың өлшемi беттiк энергия болып есептеледi.
Түйiршiктердiң шекарасы - енi 10 атом аралық қашықтыққа дейiн баратын ауыспалы аймақ. Бұл аймақта бiр кристалл торы екiншi бiр кристалл торына ауысады. Ауыспалы қабаттың құрылысы күрделi. Ауыспалы қабатта атомдар дұрыс орналаспайды, дислокациялар жиынтығы кездеседi, беттiк энергияны кемiтетiн қоспа концентрациясы да жоғары болады. Түйiршiктер арасындағы шекараны үлкен бұрышты шекара деп атайды, өйткенi көршiлес түйiршiктердiң сәйкес кристаллографиялық бағыттары ондаған градусқа жететiн бұрыш жасайды.
6-сурет. Түйіршіктер арасындағы шекара құрылысының схемасы
Субтүйiршiктердiң шекарасы дислокацияның қабырғасы болып саналады. Ол қабырғалар түйiршiктердi жекелеген субтүйiршiктерге немесе блоктарға ажыратады. Көршiлес субтүйiршiктердiң арасындағы бағыттардың жанасатын бұрышы аса үлкен емес (5-тан аспайды). Сондықтан мұндай шекаралар шағын бұрышты шекаралар деп аталады. Шағын бұрышты шекараларға, сондай-ақ қоспалар да жиналады.
Жинақтау ақауы атом жазықтығының бөлiгi болып есептеледi. Бұл жазықтық шегiнде атомдық қабаттардың кезектесе орналасуының қалыпты тәртiбi бұзылады. Мысалы, қырға центрленген текше (Қ.Ц.Т.) торлы қорытпаларда тығыз орналасқан қабаттар АВСАВСАВ... болып, ал жинақтау ақаулардың қиылысқан жерiнде АВСВСАВС... тiзбегі түрiнде кезектеседi. Қабаттардың ВСВС...болып кезектесуi гексогоналдық тығыз орналасқан (Г.Т.О.) торлы жұқа пластинка тәрiздi болады. Жинақтау ақауы дислокациялармен тығыз байланыста болып келедi, әрi баяу қозғалатын iшiнара дслокациялармен шектеледi. Беттiк энергиясы азайған сайын жинақтау ақаудың заттың қасиеттерiне тигiзетiн әсерi кең әрi күштiрек болады. Жинақтау ақауы электр кедергiсiне, деформациялау кезiндегi берiктiлiкке қайта кристалдануға, фазалық ауысулардың кристаллографиясына әсер етедi.
Металдардың құрылысын зерттеу әдiстерi. Металлогрфиялық талдау макро- және микроталдау болып екi түрге бөлiнедi.
Металдар мен қорытпалардың iшкi құрылымын жай көзбен қарап немесе 30 есеге дейiн ұлғайтып қарап зерттеу әдiсiн макроталдау деп атайды.
Құрылымның қарусыз көзбен не лупаның көмегiмен аз ғана үлкейту арқылы көрiнiп, барлық бөлшектiң көлемi бойынша байқалатыны болуы мүмкiн бiртектi емес құрылым макроқұрылым деп аталады. Макроқұрылымдардың арнаулы үлгiлерде (жалтыратылған және қышқылмен өңделген) зерттей отырып, тұтастықтың бұзылуының - жарықтарды, кiшiрейген қуысты, газ кеуектерiн т.б., химиялық әртектiлiктiң (ликвацияны), қысыммен өңдеуден болатын әртектiлiктiң (ағыс фигурасын) сан алуын түрлерiн табуға болады.
Макроқұрылымды зерттеу - өзiнiң қарапайымдылығына қарамастан, материалдарды зерттеудiң өте бағалы және қажеттi тәсiлi. Металдың макроқұрылымы онда кесiп алынған макрошлиф немесе металдың сынығы бойынша зерттеледi. Макрошлифттiң құрылымын анықтау үшiн онын бетiн әр түрлi айқындағыш химиялық реактивтермен өңдейдi.
Материалдардың көпшiлiгi мөлшерi бiрнеше ангстремге (10-8см) жететiн ұсақ кристалдардан (түйiршiктерден) тұрады. Металлографиялық микроскоп арқылы металдың құрылымын 50-ден 1500 есеге дейiн ұлғайтуға болады. Металдың микроқұрылымын зерттеу үшiн биiктiгi 15мм, диаметрi 10-15мм шамасындағы цилиндр немесе қыры 100мм текше формалы үлгi кесiп алынып, оның бiр бетi өңдеудiң әр түрлi әдiстерiн қолдану арқылы айна сияқты жарқырағанша өңделедi. Осылайша өңделген үлгi микрошлиф деп аталады.
Микрошлифтi микроскоппен зерттеу арқылы металдың құрамындағы металл емес қоспаларды (графит, сульфид, тотық т.б.) микрошлифтiң сапасын анықтайды. Микрошлифтiң құрылымдық құраушыларын анықтау үшiн оның тегiстелген бетiн химиялық реактивтермен өңдейдi, нәтижеде химиялық реактив металдың құрылымдық құраушыларының әрқайсысымен түрлi дәрежеде әрекеттесiп, оларды айқындайды. Химиялық реактив ретiнде әр түрлi қышқылдардың қоспасы, сiлтiлер мен қышқылдардың спирттегi немесе судағы ерiтiндiлерi қолданылады. Микроқұрылымдық талдауда 1000000 есеге дейiн ұлғайтатын электрондық микроскоптар да қолданылады. Казiргi кезде зерттеу жұмыстарында электрондық микроскопты қолдану зерттеу мүмкiндiгiн анағұрлым арттырып отыр.
Микроқұрылымды оптикалық (10-5см-ге дейiн) немесе электрондық (410-8см-ге дейiн) микроскоптардың көмегiмен ғана байқауға болады.
Микроскопиялық тәсiл түйiршiктердiң мөлшерi мен формасын, табиғаты әр түрлi түйiршiктердiң болуын және олардың тарала орналасуы мен салыстырмалы көлемдiк санын, шлакты қоспалар мен микроформасын, кристалдардың бағыталуын, арнаулы кристаллографилық белгiлердiң (қос сызық, сырғанау сызығы т.б.) болуын анықтауғы мүмкiндiк бередi. Толық көрсетiлмеген осы шамалы тiзiмнiң өзiнен микроскоптың көмегiмен алынатын деректердiң молдығы сипатталады.
Металдардың iшкi құрылымы термиялық талдау, дилатометрия, электр, магнит, ультрадыбыс әдiстерімен де зерттеледi.
Темiрдiң аллотропиялық өзгерiс температураларын оның көлемiнiң немесе ұзындығының өзгеруiне (дилатометрия әдiсi) немесе кедергiсiнiң өзгерiсiне (электр әдiсi) қарап анықтауға болады. Металдың iшкi құрылымының өзгерiсi оның магниттiк қасиетiн де өзгертедi. Олай болса, металдың магниттiк қасиетiнiң өзгеруiне қарай iшкi құрылымының өзгеруiн бiлуге болады. Бұл әдiстi металдардың iшкi құрылыммын зерттеудiң магниттiк әдiсi деп атайды.
Металдарды сынаудың магниттiк әдiсi (магниттiк дефектоскопия) оларды iшiндегi қуыстар, металл емес заттар мен сызаттарды анықтауға мүмкiндiк бередi.
Метадардың iшкi құрылымы ультрадыбыс әдiсiмен де зерттеледi. Бұл әдiс бойынша металл құрылымының түйiршiктерiнiң көлемi мен ондағы қуыс, сызат зерттеледі. Металл емес заттардың болуы сияқты кемiстiктердi анықтауға болады.
Кристалдардағы атомдардың және атомдардағы электрондардың таралу деңгейiндегi нәзiк құрылым дифракциялық тәсiлдермен (рентгенография, электроннография, нейтронография) зерттеледi. Кристалл атомдарының қысқа толқынды (10-8-10-10см) рентген сәулерiмен (немесе электрондар, нейтрондар толқындарымен) өзара әрекетке түсуі кезiнде алынған дифракциялық көрiнiстi талдай отырып, кристалл және аморф денелердiң атомдық құрылысы жайлы өте мол информация алуға болады. Рентгенқұрылымдық талдау арқылы металдардың атомдық құрылымын, кристалл торларының түрi мен параметрлерiн, фазалық құрамы мен сан алуан iшкi кемiстiктерiн анықтауға болады. Рентген дефектоскопы арқылы құйма және пiсiру жапсарларының әр түрлi кемiстiктерi анықталады.
Бұл тәсiлдер: кристалдың атом ұяшығының формасы мен мөлшерiн; кристалдың ұяшығы қанша атомнан тұратындығын және олардың қайда орналасқандығын; атомдардың орналасуындағы бұзылушылықтардың алуан түрiн; кристалдағы жекелеген атомдардың магниттiк сәттерiнiң бағытын атомдардың электрондық тығыздығының бөлiнуiн және т.б. атомдық құрылым мәселелерiн анықтауға мүмкiндiк бередi.
Жоғары да айтылғандар қазiргi заманғы эксперименттiк техниканың материалдар құрылымын кез келген деңгейде зерттеуге мүмкiндiк беретiндiгiн көрсетедi.
Негізгі әдебиеттер: 1 нег. [3-11], [37-42],2 нег. [62-64]
Бақылау сурақтары
1. Металдардың құрылымы қандай болады?
2. Вакансия деген не?
3. Дислокация деген не?
4. Микроталдау не үшін керек?
5. Микрощлифті қалай дайындайды?
6. Металдар мен қорытпалардың микроқұрылымын ерітіндімен өңдеу арқылы айқындаудың мәнісі неде?
7. Металдар мен қорытпалардың микроқұрылымын микроскопта айқындау неге негізделген?
2-тақырып
Таза металдардың кристалдануы
Металдың сұйық не бу тәрізді күйінен кристалдық құрылым түзе отырып, қатты күйге ауысуын алғашқы кристалдану деп аталады.
Қатты кристалдық затта жаңа кристалдардың түзілуін қайыра кристалдану деп аталады.
Кристалдану процесі бір мезгілде жүретін екі процестен тұрады: кристалдың пайда болуы және өсуі. Кристалдардың өздігінен пайда болуы (өздегінен болатын кристалдану) немесе кристалданудың дайын орталықтарында өсуі (өздегінен болмайтын кристалдану) мүмкін.
Өздегінен болатын алғашқы кристалдану. Өздегінен болатын алғашқы кристалдану заттың бұрынғысынан орнықтырақ термодинамикалық потенциалының (Z) кемуімен сипатталатын күйге көшуіне байланысты. Тепе-теңдік кезінде заттың энергетикалық күйі Z-тің ең кіші (минимум) мәнімен сипатталады. Жоғарыда көрсетілгендей:
Z=H-TS.
Температураның жоғарылауына байланысты, заттың термодинамикалық потенциалы, қатты күйде де, сұйық күйде де азаяды (7-сурет).
7-сурет. Сұйық және қатты күйдегі заттардың термодинамикалық
потенциалының (Z) температураға тәуелділігі
Қатты және сұйық күйдегі заттың термодинамикалық потенциалдары бір-біріне тең болатын температураны кристаллданудың тепе-теңдік температурасы деп атайды.
Заттың қатты күйдегі термодинамикалық потенциалы сұйық күйдегі термодинамикалық потенциалынан кем болған жағдайда, яғни сұйық металды тепе-теңдік температурасынан төменірек температурада салқындатқанда кристалдану процесі жүреді. Ал кристалдануға кері процесс - балқу процесі тепе-теңдік температурадан жоғарырақ температурада қыздырғанда жүреді.
Балқудың нақты және кристалдану температураның айырмасы температуралық гизтерезис деп аталады.
Кристалдану кезінде жылу бөленеді. Таза элемент кристалданғанда салқындату салдарынан бөлініп шыққан жылу, кристалдану жлуымен компенсацияланады.
Сондықтан температура - уақыт координатасында кескінделген салқындату қисығында горизонтальды учаске кристьалдану процесіне сәйкес келеді.
Кристалданудың тепе-теңдік (Ts) және нақты (Tn) температураларының айырмасы (T) салқындау дәрежесі деп аталады. Салқындау дәрежесі суыту жылдамдығының артуына сәйкес артады. Өндірістік жағдайдағы кристалдану кезінде металдардың әдеттегі салқындау дәрежесі 100С пен 300С аралығында болады; өте үлкен суыту жылдамдығына ол жүз градусқа жетуі мүмкін. Металдардың балқу кезіндегі қыздырылу дәрежесі аса үлкен болмайды (бірнеше градустан аспайды).
Сұйық күйдегі зат атомдары, жылулық қозғалыс салдарынан ретсіз орын ауыстырып отырады. Мұнымен қатар сұйықта шағын көлемде едәуір дәрежедегі орнықты атомдар тобы да болады. Бұл топтар сұйық ішінде сорылып біткеннен кейін, сұйықтың басқа бір жерінде, қайта пайда болады. Атомдар тобының көлемінде зат атомдарының орналасуы кристалл торына ұқсас. Сұйықты суыту кезінде олардың кейбір ірілеуі орнықты күйдегі көшеді әрі өсуге қабілетті болады. Атомдардың осындай орнықты топтарын кристалдану орталықтары (өскендері) деп атайды.
8-сурет. Таза металды салқындату қисығы
Орталықтардың пайда болуы термодинамикалық потенциалды (Z) өзгереді. Сұйықтың кристалдық күйге көшуі кезінде термодинамикалық потенциал бір жағынан кемісе, екінші жағынан ол сұйық пен кристалдық өскіннің арасында бөліну бетінің пайда болуына байланысты артады. Өте кішкентай өскіннің өсуі сұйық өскін жүйесінің термодинамикалық потенциалын арттырады, ал едәуір дәрежедегі үлкен өскіннің өсуі сол жүйенің термодинамикалық потенциалын кемітеді.
9-сурет. Сұйық - кристалдану орталығы жүйесінің термодинамикалық потенциалы (Z) өзгерісінің өскін мөлшеріне тәуелділігі
Берілген салқындау дәрежесіне өскіннің белгілі бір кризистік (zкр) мөлшері сәйкес келеді. Үлкен мөлшердегі барлық өскіндер кристалдану орталығы болады, ал кіші мөлшердегі барлық өскіндер орнықсыз болып сұйық ішінде сорылып отырады.
Кризистік мөлшердегі орталықтың пайда болуы үшін белгілі бір бір энергия қажет. Бұл энергия белгілі бір орта шамадан артық энергиясы бар сұйық атомдарынан алынады. Өйткені энергия атомдарға бір қалыпты таралмайды, яғни энергия флуктуациясы болады; бақаша айтқанда кейбір атомдардың энергиясы орта деңгейден артық тболса, кейбір атомдардыңэнергиясы одан кем болады. Сұйықта энергия атомдар арасында үздіксіз қайта таралып отырылады.
Өскіннің кризистік мөлшері төмендегідей термодинамикалық параметрлерге байланысты болады:
мұндағы: - сұйық кристал шекарасындағы меншіктібеттік керілу;
- сұйықтың кристалдық күйге ауысуы кезіндегі бос энергиясының меншікті өзгеруі.
Салқындау дәрежесінің артуына байланысты беттік керілу шамалы ғана өзгереді, ал шапшаң артады. Сондықтан да салқындау дәрежесінің артуына байланысты өскіннің кризистік мөлшері кемиді, орталықтар көбірек пайда бола бастайды.
Кристалдардың нақты мөлшерлері кристалдардың өсу жылдамдығының кристалдану орталықтарының түзілуіне қатынасымен анықталады. Екі процесс те атомдардың орын ауыстыруына байланысты, яғни олар диффузиялық құбылысқа әрі температураға тәуелді. Диффузия, салқындату дәрежесі өте үлкен болған жағдайда, кейбір заттарда кристалдану орталықтарының түзілуі мен кристалдардың өсуі тежеледі. Кейбір жағдайда суыған аморф күй сақталады. Металдарды қисықтың биік учаскелері болады және салқындаудың өсуіне байланысты екі процестің де шапшаңдығы артады.
Алайда орталықтардың түзілу жылдамдығы күрт артады. Сондықтан да салқындау дәрежесін арттырғанда металдардан өте ұсақ кристалдар алынады.
Сұйық металды жылу өткізгіштігі төмен (саздан жасалған немесе отқа төзімді) формаға немесе қыздырылған металл формаға құйғанда кристалдану процесі салқындау дәрежесінің төмен екеніне қарамастан жүре береді.
10-сурет. Өскіндердің пайда болу жылдамдығы (2-қисық сызық) мен кристалдардың өсу жылдамдығының (1-қисық сызық) салқындау дәрежесіне тәуелділігі
Өздігінен болмайтын алғашқы кристалдану. Нақты жағдайларда кристалдану процесі едәуір дәрежеде дайын кристалдану орталықтарының болуына байланысты. Мұндай орталықтардың ролін әр түрлі қоспалардың қатты бөлшектері, форманың қабырғалары атқара беруі де мүмкін. Әсіресе, өзінің кристалдық құрылымы жағынан қатаятын металға ұқсас заттың бөлшектері ерекше әсерлі. Бұл ұқсастық металл мен қоспа торларының белгілі бір жазықтықтарында атомдардың орналасуының бір-біріне ұқсастығынан болады.
Егер қоспалар беттік керілуді азайтатын беттік-активті заттар болса, онда еріген қоспалар металдарда орталықтар санын арттырады. Мұндай жағдайда кристалдану орталығының кризистік мөлшері азаяды, мұның өзі салқындау дәрежесінің артуымен пара-пар.
Практикада құрылымды майдалау үшін модификациялайды, яғни сұйық қорытпаларды қосымша заттар (модификаторды) ендіру арқылы өңдейді. Модификатор ретінде беттік-активті заттар (болатта бор, алюминий және оның қоспаларында натриц) және қиын балқитын металдар (титан, алюминий және оның қоспаларында цирконий) жатады. Қорытпаларға модификаторлар проценттің мыңдық үлесінен ондық үлесіне дейін қосылады.
Сұйық металдағы кристалданудың қосымша орталықтарының ролін атқаратын қоспалар температура жоғарылағанда ериді, ал беттік-активті қоспалар активсізденеді. Сондықтан құбдың алдында сұйық металл температурасының жоғарылауы кристалдану кезінде түйіршіктердің ірі болуына әсер етеді.
Кристалдардың формасы және құймалардың құрылысы. Кристалдану кезiнде түзiлген түйiршiктердiң формасы олардың өсу шарттарына, әсiресе, жылудың бөлiнiп шығу жылдамдығы мен бағытына және сұйық металдың, сондай-ақ қоспаның температурасына тәуелдi.
Түйiршiктердiң өсуi дендриттiк (ағашқа ұқсас) схема бойынша жүредi (11-сурет). Қристалдардың өсу жылдамдығы тор атомдарының орналасу тығыздығы көп болатын жазықтықтар мен бағыттар бойында өте үлкен болады. Мұның нәтижесiнде бiрiншi реттiк ось деп аталатын ұзын бұтақ өсiп шығады. Мұнан әрi осы осьтерде екiншi реттiк бұтақтар т.б. пайда болады. Мұнымен қоса қабат дендрит осьтерiнiң арасындағы учаскелерде кристалдану процесi жүрiп жатады.
Дендриттер бiр-бiрiмен түйiскенше өсе бередi. Осыдан кейiн осьтер арасындағы кеңiстiк бiржолата толады да, дендриттiк сыртқы қырлары дұрыс емес толық кристалдарға айналады. Мұндай кристалдар түйiршiктер немесе кристалиттер деп аталады.
Түйiршiктер арасындағы шекараларда, дендрит осьтер арасындағы учаскелерде қоспалар жиналады, кiшiреюдiң салдарынан және сұйық металдың кристалдану фронтына жақындаудың қиындағынан кеуектер пайда болады.
1-бірінші реттік ось; 2-екінші реттік ось;
3-үшінші реттік ось.
11-сурет. Кристалдың дендриттік өсу схемасы
Кристалдану кезiнде жылудың бөлiнiп шығу шарты едәуiр дәрежеде түйiршiктердiң формасына әсер етедi. Бұл жағдай сом болаттың кристалдану мысалынан көрiнедi (12-сурет).
12-сурет. Сом болаттың құрылыс схемасы
Сом болаттың кристалдануы үш сатыда жүредi. Құйма бетiнде әуелi ұсақ кристалдар зонасы 1-зона түзiледi, бұл салқын металл формасының әсерiнiң нәтижесi. Ал салқын металл формасы құйманың алғашқы қатаю кезеңiнде металдың сууын шапшандатады. Одан әрi жылудың бөлiнiп шыққан бағытымен созылып жататын үлкен кристалдар (2-зона) өсiп шығады. Оларды бағаналы кристалдар деп атайды. Ақырында алқындату дәрежесi аз байқалатын құйманың орта тұсында үлкен мөлшердегi тепе-тең кристалдар түзiледi (3-зона).
Белгiлi бiр жағдайларда (сұйық металдың аса қызуы, қоспалардың аз болуы т.б.) iрi тепе-тең кристалдар зонасы толығымен жойылады. Құйманың құрылымы iс жүзiнде тек қана бағаналы кристалдардан ғана тұрады және ол транскристалл құрылымды деп аталады. Бағаналы кристалдар зонасы тығыздығының өте жоғары болуымен сипатталады. Бiрақ бағаналы кристалдардың түйiскен жерiнде ерiмейтiн қоспалар жиналады және транскристалл құрылымды құймалар қысыммен өңдеу кезiнде жиi жарылып кетедi. Транскристалдану пiсiрiлген жапсарларда жиi байқалады, әрi ол жапсарлардың берiктiгiн кемiтедi.
Ең соңғы кезекте қатаятын құйманың жоғары бөлiгiнде кiшiрейген қуыстар жинақталады. Кiшiрейген қуыстары бар металдар кеуек болып келедi және оларда кiшiрейген қуыстар өте көп бөлiгiн кесiп тастайды. Құйманың құрамы бiртектi болып келмейдi. Мысалы, болатта беткi жағынан ортасына және төменнен жоғарыға қарай көмiртегiнiң және зиянды қоспалардың (күкiрт және фосфор) концентрациясы артады. Құйманың зоналар бойынша бiртектi еместiгi зоналық ликвация деп аталады. Ол құйманың механикалық қасиеттерiне терiс әсер етедi.
Монокристалдардың алу. Монокристалдардың ғылыми да, практикалық та маңызы зор. Монокристалл күйдегі металдар жоғары дәрежеде таза болуымен және құрылымның аз ғана жетілмегендігімен ерекшеленеді. Монокристалдарды алу металдардың шынайы қасиеттерін зерттеуге, түйіршіктер шекараларының әсерін жоюға мүмкіндік береді. Жоғары дәрежедегі таза германий мен кремнийдің монокристалдық күйін алу олардың жартылай өткізгіштік қасиеттерін пайдалануға және бақылауға болмайтын электрік қасиеттерді өте азайтуға мүмкіндік береді.
Егер кристалда бір ғана кристалдану орталығынан өсу жағдайы жсалса, онда монокристалл алуға болады. Осы принципті пайдаланатын бірнеше тәсілдер бар. Олардың ішінде маңыздылары - Бриджмен мен Чохральский әдістері.
Бриджмен әдісінің мәні мынандай: конус түпті тигельге орналасқан металл, веғртикаль трубалы пеште, металдың балқу темпертаурасынан жоғары 50-1000С-қа дейін қыздырылады. Одан кейін балқыған металл бар тигель бірте-бірте пеште шығарылады. Суу процесі ең алдымен кристалданудың алғашқы орталықтары пайда болатын конустың төбесімен басталады. Басымырақ өсу бағыты тигельдің орын ауыстыру бағытымен сәйкес келетін түйіршіктерде монокристалл өсіп шығады. Бұл жағдайда басқа түйіршіктердің өсуі тоқталып қалады. Монокристалдың үздіксіз өсуі үшін тигельді пеш ішінен шығарған кезде берілген металдың кристалдану жылдамдығынан артпайтындай етіп ақырын суыру керек.
Негізгі әдебиеттер: 1нег. [42-48]
Бақылау сурақтары
1. Металдың қату процесі немен қоса жүреді?
2. Таза металдың кристалдану температурасын суыну қисығындағы қандай белгі анықтайды?
3. Таза металдың кристалдану процесі қандай температурада өтеді?
4. Металдың полиморфтық түрленуі немен қоса жүреді?
5. Температура мен қысымға байланысты заттың әртүрлі кристалдық құрылымға ие болу қабілеттілігін қалай атайды?
6. Металдың аллотропиясы (полиморфтығы) не нәрсе болып есептелінеді?
3-тақырып
Қорытпалар теориясы
Қорытпа деп металдар немесе металл мен бейметалдардың әрекеттесуіне пайда болған, құрамы күрделі қосылыстарды айтады. Құрамындағы элементерінің санына байланысты қорытпа екі, үш және одан да көп компонентті болуы мүмкін. Түрлі металдардың қорытпа түзгіштік қасиеттері әр түрлі. Қорытпалардың, таза металдарға қарағанда, мынадай артықшылықтары бар:
1) механикалық қаттылығы, серпімділігі, тұтқырлық коэффициенті, беріктік шегі т.б. жоғарылығы;
2) технологиялық қасиеттерінің жоғарылығы;
3) таза металдарда кездеспейтін ерекше қасиеттреінің болуы;
4) қорытпалардың физика-химиялық қасиеттреін қалауымызша өзгертуімізге болатындығы.
Қорытпаларсұйық күйінде бірі екншісінде ерімейді. Мысалы, қорғасын мен темір, қорғасын мен мыс т.б. элементердің қоспалары. Мұндай металдар сұйық күйінде бірі екіншісінде араласпай, меншікті салмағына байланыста күйінде бірі екіншісінде ерігіштігі шекті болып келеді. Егер металдың қоспадағы концентрациясы сол металдың екінші металдағы ерігіштік шегінен асып кетсе, онда қоспа екі қабатқа бөлінеді. Ерігіштігі шекті металдардың кристалдық торларының параметрлері мен балқу температураларының айырмашылығы әдетте көп болып келеді.
Құйма қатайған кезде оның құрамындағы компоненттері бір-бірімен әрекеттесіп, екі немесе бірнеше фазадан тұратын қатты ерітінді, химялық қосылыс және мезаникалық қоспа түзеді.
Қатты ерітінділер. Көптеген металл қоспалары сұйық күйінде бірі екіншісінде еріп, сұйық ертінді түзеді. Металдар бірі екіншісінде тек сұйық күйінде ғана емес, қатты күйінде де еріп, қатты ертінді түзеді. Қатты ерітіндіде қорытпа компоенттреінің бірі өзінің кристалдық торын сақтайды, ал екіншісінің кристалдық торы бұзылады. Бірінші компонент - еріткіш, екіншісі - ерігіш, ал пайда болған қорытпа қатты ертінді деп аталады. Егер қорытпа компоненттерінің кристалдық торларыт бір типтес және олар бірі екіншісінде шексіз еритін болса, онда қорытпа құрамында мөлшері 50%-тен артық болатын компонент ерігіш деп аталады. Бірі екншісінде шексіз еритін компоненттердің кристалдық торлары типтес болады және шексіз қатты ертінді олардың параметрлерінің арасындағы айырмашылық 8%-тен аспаған жағдайда түзіледі. Қорытпадағы металл атомдарының кристалдық тордағы орналвсуына байланысты қатты ерітінділер алмасушы, енуші, шегеруші ерітінділері болып негізгі үш түрге бқленеді. Шегеруші қатты ерітіндісі сирек кездесетін болғандықтан оны қарастырмаймыз. Алмасушы қатты ерітіндісінде, ерігіш элементтің атомдары еріткіш элементтің кристалдық торындағы атомдардың орнын басады. Мұндай қатты ерітінділер компоненттері бірі екіншісінде шекте және шексіз еруі мүмкін.
Енуші қатты ерітіндісінде ерігіш элементтің атомдары еріткіш элементтің атомдарыңың кристалдық торының ішінде орналасады, яғни ішінде енеді.
Егер қорытпа компоненттерінің кристалдық торларының параметрлеріндегі айырмашылық 8%-тен аспаса, компонентерінің бірінің екіншісінде ерігіштігі шексіз болады, яғни алмасушы қатты ертінді, ал айырмащылық 8-15% болса, онда компоненттерінің екіншісіндегі ерігіштігі шекті, яғни енуші қатты ертінді түзіледі; 15%-тен асып кетсе, қатты ертінді түзілмейді.
Химиялық қосылыс. Кристалдық торларының түрлері бірі-біріне ұқсамайтын және торларының параметрлерінің айырмащылығы үлкен элементтер химиялық қосылыс түзеді. Бұл қосылыстар қорытпа компоенттерінің қатынасы белгілі мөлшерге жеткенде түзіледі. Әдетте, мұндай қосылысы Д.И.Менделеевтің периодтық системасындағы бір-бірінен алшақ жатқан элементтер немесе кристалдық торлары мен тор параметрі әр түрлі, бірі-біріне жақын жатқан элементтер түзеді. Қөбенесе химиялық қосылысты металдар мен бейметалдар түзеді. Мысалы, карбидтер - металл мен көміртегінің химиялық қосылыстары (темір, хром карбидтері), нитридтер - азот пен металдардың химиялық қосылыстары (темір, алюминий нитридтері).
Әдетте химиялық қосылыстың физика-химиялық қасиеттреі оларды құраушы компоненттердің физика-химиялық қасиеттерінен тіпті өзгеше болып келеді (қаттылығы, морттығы, электр кедергісі жоғары болады). Себебі химиялық қосылыс нәтижесінде күрделі жаңа кристалдық тор түзіледі.
Механикалық қоспа. Егер қорытпаның компоненттері балқыған күйде бірі екіншісінде шексіз еріп, қатты күйде өз ара ерімесе, онда қорытпа қатайғанда механикалық қоспа (эвтектика) құрайды. Механикалық қоспада компоненттер өз кристалдық торларын өзгертпей сақтайды. Механикалық қоспа таза компоненттерден, қатты ертінділерден, химиялық қосылыстардан т.б. тұруы мүмкін. Егер қорытпа компоненттрерінің кристалдық торларының параметрлеріндегі айырмашылық 15%-тен асып кетсе, онда мұндай қорытпа қатайғанда механикалық қоспа құрайды.
Құй диаграммалары
Қорытпа құраушылары мен олардың концентрациясының температураға байланысты өзгерістерін құй диаграммасы сипаттайды.
Құй диаграммасының ордината осіне қорытпалардың температурасы, абсцисса осіне концентрациясы салынады. Абсцисса осінің әрбір нүктесіне белгілі концентрациялы қорытпа сәйкес келеді, ал шекті нүктелері 100%-тік қорытпа компоненттерін анықтайды. Диаграмманың кез келген нүктесі белгілі бір температурадағы белгілі концентрациялы қорытпа күйін сипаттайды. Абсцисса осіне перпендикуляр түзудің бойында жатқан ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz