Металдардың электрондық теориясы


1. Металдардың электрондық теориясы. Физикалық материалтанудың негізгі түсініктері. Фазалық құрамның, материалдардың құрылысы және қасиеттері, физикалық материалтануда қолдану әдістерін зерттеу.
2. Материалдар қасиеттері. Металдардың атом.кристалдық құрылысы.
Анизотропия.
3. Материалдардың құрылысы. Атомның электрондық құрамы.
Қарапайым және өтетін металдар. Байланыстардың және энергиялық
шекаралардың пайда болуы.
4. Қатты денедегі электрондық күй. Энергиялық сызықтар.
Электрондардың қозғалуы.
5. Кристалдағы байланыстардың түрлері.
6. Кристалданудың басты теориялары. Қатты фазалардың пайда болуы.
Гомогендік және гетерогендік механизмдер. Суыту жылдамдығының
әсері.
7. Қорытпаның басты теориялары. Қатты күйдегі компоненттердің еруі.
Қатты ерітінділердің түрлері. Юм.Розери ережесі. Аралық фазалар.
Интерметалдық қосылыстар.
8. Металдағы және қорытпадағы ақаулар. Диффузиялық механизмдердің
түрлері. Диффузиялық және диффузиялық емес фазалық ауысымдар.
9. Қорытпалардың термиялық өңдеуі. Болаттың ТӨ кезіндегі басты
ауысымдар.
10. Қорытпалардың химия.термиялық өңдеуі. Цементтеу. Азоттау.
11. Фазалық құрам, түсті металдар негізіндегі қорытпаның құрамы және
қасиеті.
12. Ұнтақталған материалдар.
13. Композициялық материалдардың құрамы мен қасиеттері.
14. Металл емес материалдар және пластикалық салмақтар. Шыны. Ағаш
материалдар.
15. Синтетикалық эластомерлер. Резеңкелер. Боялған лак және көмекші
материалдар.
Физикалық материалтану — фазалық өзгеріс және құрылымның өзгерісі, өңдеу режиміне және материалдың химиялық тәуелділігінің, фазалық құрам құрылуының ғылымы болып табылады, сонымен қатар халық шаруашылығында кеңінен қолданылады.
Физикалық материалтануда металлографиядағы сияқты эксперименттік және фазалық құрамның теориялық (есептік) зерттеу әдістері, құрылымдар және физика-химиялық және материалдардың механикалық қасиеттері қолданылады. Эксперименттік әдістерге мыналар жатады:
– оптикалық және электрондық микроскопия;
– рентгенография;
– химиялық және рентген спектрлік нәтижелер.
Металдың эксперименттік зерттеу әдістері тік (құрылымдық) және қисық болып екіге бөлінеді. Олардың барлығы құрылым аралыққа және фазалық күйге тәуелді, бір жағынан, және көрсеткіштің басқа қасиеті жағынан да тәуелді болады.
Тік әдіске микроқұрылымды зерттеу және микроқұрылымдарды оптикалық және электрондық микроскоп арқылы жатады.
Қисық әдістік зерттеуге термиялық нәтиженің әдісі, тұрақты температурадағы электркедергі құрамына тәуелділік нәтижесі (бұл әдіс физика-химиялық нәтиженің мысалы реті болып табылады) және т.б. жатады.
Жиналған эксперименттік материалдар, құрылым затты сипаттайтын, электрондардың құрамын және басқа микрообъектілері классикалық механика негізінде басқаша түрінде жазылуы мүмкін. Микробөлшектер кванттық механикаға бағынады, ол қазіргі заманға сәйкес атом моделі негізінде.
Кванттық механиканың негізгі жағдайларын қарастырайық.
1. Энергия кванттармен шығады және бөлек порция ретінде жұтып алады. Сондықтан, микробөлшек энергиясы секіргіш ретінде өзгертіледі.
2. Электрондар және басқа микробөлшектер еселенген табиғатты иемденеді: бір жағынан, олар бөлшектің қасиетін көрсетеді (мысалы, салмақты және зарядты иемденеді), ал екінші жағынан, қозғалыс кезінде олар электрмагнит толқын қасиеттерін көрсетеді.
3. Кванттық механика микробөлшекте анықталған орбитаны көрсетпейді. Олар атомдық ядроның жанында орналасқан. Тек қана әртүрлі жерлердегі электрондардың орналасу ықтималдылығын қайда екенін анықтауға болады.
1. Физическое металловедение / Под ред. Кан Р.У., Хаазена П. 3-е изд. I-II том. М.: Металлургия, 1987.
2. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. и др Материаловедение / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: МГТУ им. Баумана, 2001.
3. Исин Д.К., Исагулов А.З. Физика твердого тела. Учебное пособие. Караганда: изд. КарГТУ, 2005.




4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение М.: Машиностроение, 1990.
5. Захаров А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. М.: Металлургия, 1978.
6. Лившиц Б.Г. Металлография. М.: Металлургия, 1990.
7. Методические указания к практическим занятиям по курсу «Технологические процессы машиностроительного производства: Мате-риаловедение». Шарая О.А., Балбекова Б.К. Караганда: изд. КарГТУ, 2005г.
8. Методические указания «Материаловедение. Лабораторный практикум». Смолькин А.А., Исагулов А.З., Шарая О.А. Караганда: изд. КарГТУ, 1997г.



Қосымша әдебиеттер тізімі

9 Ахиезер А.И. Атомная физика. Справочное пособие. Киев: Наукова
думка, 1988.
10 Мозберг Р.К. Материаловедение. М.: Высшая школа, 1991.
11 Металлургия / Под ред. Коротича В.И. Свердловск: Уральск. гос.
техн. ун-т, 2001.
12 Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Метал-
лургия, 1991.
13 Материаловедение и конструкционные материалы. Пинчук Л.С., Мышкин Н.К., Свириденок А.И. Минск, Высшая школа, 1989.
14. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Металловедение цветных металлов». Балбекова Б.К., Тулегенова Ш.Н., Малашкевичуте Е.О., Медведева И.Е. Караганда: изд. КарГТУ, 2005.

Пән: Электротехника
Жұмыс түрі:  Материал
Тегін:  Антиплагиат
Көлемі: 99 бет
Таңдаулыға:   
Бұл жұмыстың бағасы: 400 теңге

Қандай қате таптыңыз?

Рақмет!






Мазмұны

1. Металдардың электрондық теориясы. Физикалық материалтанудың негізгі
түсініктері. Фазалық құрамның, материалдардың құрылысы және қасиеттері,
физикалық материалтануда қолдану әдістерін зерттеу.
2. Материалдар қасиеттері. Металдардың атом-кристалдық құрылысы.
Анизотропия.
3. Материалдардың құрылысы. Атомның электрондық құрамы.
Қарапайым және өтетін металдар. Байланыстардың және энергиялық
шекаралардың пайда болуы.
4. Қатты денедегі электрондық күй. Энергиялық сызықтар.
Электрондардың қозғалуы.
5. Кристалдағы байланыстардың түрлері.
6. Кристалданудың басты теориялары. Қатты фазалардың пайда болуы.
Гомогендік және гетерогендік механизмдер. Суыту жылдамдығының
әсері.
7. Қорытпаның басты теориялары. Қатты күйдегі компоненттердің еруі.

Қатты ерітінділердің түрлері. Юм-Розери ережесі. Аралық фазалар.
Интерметалдық қосылыстар.
8. Металдағы және қорытпадағы ақаулар. Диффузиялық механизмдердің
түрлері. Диффузиялық және диффузиялық емес фазалық ауысымдар.
9. Қорытпалардың термиялық өңдеуі. Болаттың ТӨ кезіндегі басты
ауысымдар.
10. Қорытпалардың химия-термиялық өңдеуі. Цементтеу. Азоттау.
11. Фазалық құрам, түсті металдар негізіндегі қорытпаның құрамы және

қасиеті.
12. Ұнтақталған материалдар.
13. Композициялық материалдардың құрамы мен қасиеттері.
14. Металл емес материалдар және пластикалық салмақтар. Шыны. Ағаш
материалдар.
15. Синтетикалық эластомерлер. Резеңкелер. Боялған лак және көмекші
материалдар.

Пайдаланған әдебиеттер тізімі

1. Физическое металловедение Под ред. Кан Р.У., Хаазена П. 3-е изд. I-
II том. М.: Металлургия, 1987.
2. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. и др Материаловедение Под
общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: МГТУ им. Баумана, 2001.
3. Исин Д.К., Исагулов А.З. Физика твердого тела. Учебное пособие.
Караганда: изд. КарГТУ, 2005.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение М.: Машиностроение, 1990.
5. Захаров А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. М.:
Металлургия, 1978.
6. Лившиц Б.Г. Металлография. М.: Металлургия, 1990.
7. Методические указания к практическим занятиям по курсу
Технологические процессы машиностроительного производства: Мате-
риаловедение. Шарая О.А., Балбекова Б.К. Караганда: изд. КарГТУ, 2005г.
8. Методические указания Материаловедение. Лабораторный практикум.
Смолькин А.А., Исагулов А.З., Шарая О.А. Караганда: изд. КарГТУ, 1997г.

Қосымша әдебиеттер тізімі

9 Ахиезер А.И. Атомная физика. Справочное пособие. Киев: Наукова
думка, 1988.
10 Мозберг Р.К. Материаловедение. М.: Высшая школа, 1991.
11 Металлургия Под ред. Коротича В.И. Свердловск: Уральск. гос.
техн. ун-т, 2001.
12 Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Метал-
лургия, 1991.
13 Материаловедение и конструкционные материалы. Пинчук Л.С., Мышкин
Н.К., Свириденок А.И. Минск, Высшая школа, 1989.
14. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине
Металловедение цветных металлов. Балбекова Б.К., Тулегенова Ш.Н.,
Малашкевичуте Е.О., Медведева И.Е. Караганда: изд. КарГТУ, 2005.

Тақырып 1 Металдардың электрондық теориясы

Дәріс жоспары:
1. Физикалық материалтанудың кіріспесі.
2. Фазалық құрылысының, материалдардың құрамы мен қасиеттерін,
физикалық материалтануда қолдануын зерттеу әдістері.
3. Металдың электрондық теориясы. Шекараның пайда болуы. Қарапайым
және өтетін металдың энергиялық шекарасы.
Физикалық материалтану — фазалық өзгеріс және құрылымның өзгерісі,
өңдеу режиміне және материалдың химиялық тәуелділігінің, фазалық құрам
құрылуының ғылымы болып табылады, сонымен қатар халық шаруашылығында
кеңінен қолданылады.
Физикалық материалтануда металлографиядағы сияқты эксперименттік және
фазалық құрамның теориялық (есептік) зерттеу әдістері, құрылымдар және
физика-химиялық және материалдардың механикалық қасиеттері қолданылады.
Эксперименттік әдістерге мыналар жатады:
– оптикалық және электрондық микроскопия;
– рентгенография;
– химиялық және рентген спектрлік нәтижелер.
Металдың эксперименттік зерттеу әдістері тік (құрылымдық) және қисық
болып екіге бөлінеді. Олардың барлығы құрылым аралыққа және фазалық күйге
тәуелді, бір жағынан, және көрсеткіштің басқа қасиеті жағынан да тәуелді
болады.
Тік әдіске микроқұрылымды зерттеу және микроқұрылымдарды оптикалық
және электрондық микроскоп арқылы жатады.
Қисық әдістік зерттеуге термиялық нәтиженің әдісі, тұрақты
температурадағы электркедергі құрамына тәуелділік нәтижесі (бұл әдіс физика-
химиялық нәтиженің мысалы реті болып табылады) және т.б. жатады.
Жиналған эксперименттік материалдар, құрылым затты сипаттайтын,
электрондардың құрамын және басқа микрообъектілері классикалық механика
негізінде басқаша түрінде жазылуы мүмкін. Микробөлшектер кванттық
механикаға бағынады, ол қазіргі заманға сәйкес атом моделі негізінде.
Кванттық механиканың негізгі жағдайларын қарастырайық.
1. Энергия кванттармен шығады және бөлек порция ретінде жұтып алады.
Сондықтан, микробөлшек энергиясы секіргіш ретінде өзгертіледі.
2. Электрондар және басқа микробөлшектер еселенген табиғатты
иемденеді: бір жағынан, олар бөлшектің қасиетін көрсетеді (мысалы, салмақты
және зарядты иемденеді), ал екінші жағынан, қозғалыс кезінде олар
электрмагнит толқын қасиеттерін көрсетеді.
3. Кванттық механика микробөлшекте анықталған орбитаны көрсетпейді.
Олар атомдық ядроның жанында орналасқан. Тек қана әртүрлі жерлердегі
электрондардың орналасу ықтималдылығын қайда екенін анықтауға болады.
Энергиялық күй және қатты денедегі электрондардың қозғалысы. Мысалы: N
атомын ойша кристалдық торда орналастырайық, бірақ олардың аралары алыс
болу керек. Мұндай жүйедегі атомдар тәжірибелік жағдайда әсерлеспейді және
әр электрон атомдық деңгейдегі энергияға – боровкалық орбитаға сәйкес
келеді. Енді бұл бөлінген атомдар реалды атомаралық деңгейге дейін
қысылады. Бұл келісім, атом арасында әсерлесуге тәуелділікті және
сәйкесінше электрондар күйін өзгертеді, изолирленген атомдар қасиеті қатты
дене қасиетіне ауысады.
Мысалға құйманы қарастырайық. Бұл таңдау өте қолайлы, өйткені құйма –
қарапайым элемент, қарапайым қатты күйде болады, толықтырылған қабықшада
екі электрон құралған және бір валенттік электрон. Төменгі сатыда екі
электрон бар, ал үстінгіде – біреу. Атомдар жақындаған сайын бірнеше эффект
пайда болады. Оның біреуі электростатика заңы бойынша түсіндіріледі, ал
басқалары типтік кванттар болып табылады. Әр электронға енді тек қана атом
ядросы ғана әсер етпейді, сонымен қатар көршілес атом ядросы да әсер етеді.
Тартылған электрон, бұл атомдағы ядро байланысын әлсіретеді, потенциалдық
барьердің биіктігі, бөлінген атомдар, ал келесі, кішірейтіледі және
валенттік электрондар байланыс энергиясы да кішірейтіледі. Валенттілік
электрондардың көрші атомдарға әсері және ішкі толтырылған қабықшадағы
электрондар әртүрлі болады. Ішкі қабықшалардың электрондары, қатты денедегі
атомдар араларының күйлерінің өлшемі, көршілес атомдар әрқалай әсер етеді,
ол атом ядросына қарағанда алыста орналасқан. Соған қарамастан қатты
денедегі нәтижесінде туннельдік эффект пайда болатын қозғалыс электрондар
атомдары атомдарға әсер етеді, сонымен қатар ол бір деңгейдегі атом күйдегі
барлық электрондарға да әсер етеді. Анықталмаған ∆ετ ~ ħ сәйкес, өмір
уақытын байланыстыратын электрондар τ кейбір күйдегі анықталмаған оның
энергиясы ∆ε – деңгей ені, туннельдік өткізгіш электрондар атомдағы
электрондар энергиясының кеңеюіне әсер етеді және кристалда пайда болатын
энергиялық сызық (шекараны) ені ∆ε ~ ħτ. Сондықтан туннельдік ықтималдылық
1τ атом арасындағы потенциалдық барьер U биіктігі экспоненциальды әсер
етпейді, 1τ ~ exp(-α√U), мұндағы α – тұрақты, тереңдегі ішкі дәрежеге
арналған энергиялық шекараның ені өте аз және электрондардың мұндай
деңгейін тордағы түйіндегі локализделінген болып табылады. Сондықтан
атомдық ядро барлық ішкі электрондармен қатты денеге бір атомдық құрам
ретінде – берілген йод элементі кіреді.

СӨЖ-ге арналған бақылау сұрақтары 1-тақырып [1, 3, 6, 9]
1. Кванттық механиканың негізгі жағдайлары.
2. Бос электрондардың пошталық моделдері.
3. Бинарлық қорытпалар.
4. Жылулықтың пайда болуы.
5. Магнетизм.

Тақырып 2 Таза металдардың құрылысы

Дәріс жоспары:

1. Атомдардың электрондық құрылысы. Элементтің периодтық жүйесі. В
тобындағы кристалдық құрылымдар. Екі қысқа период IA және IIА топтар.
Өтетін металдардың топтары IB және IIВ. В тобындағы металдар. Қасиеттің
қысқаша жазбасы. Анизотропия.
2. Кристалдағы байланыс күші. Иондық байланыс. Коваленттік байланыс.
Ван-дер-Ваальс байланысы. Металдық байланыс. Резонанстық байланыс.
Полиморфтық ауысу.
3. Металдағы фазалық ауысымдар және құрылым өзгерістері. Металдардың
кристалдануы.
4. Металдық беріктілік және пластикалық деформациясы.

Химиялық элементтің электрондық қабықша атомы. Атомдардың құрылу
теориясы заңға сәйкес, ол микробөлшек қозғалысын (электрондар, атомдар,
молекулалар) және олардың жүйелерін (мысалға, кристалдар) суреттейді.
Микробөлшектердің салмақтары мен бөлшектері микроскопиялық денемен
салыстырғанда оның салмағы мен өлшемі аз. Сондықтан бөлек микробөлшектің
қасиеті микроскопиялық денемен салыстырғанда сапалы қасиетімен және заң
түріндегі қозғалысымен айырылады, ол классикалық физикамен оқытылады.
Қозғалыс және микробөлшектердің әсерлесуі (немесе толқындық) кванттық
механика суреттеледі. Ол кванттық энергияға, микробөлшек қозғалысындағы
толқындық сипаттамаға және микрокөлемдердің ықтималдылық әдісіне
(статистикалық) негізделеді.
Кеңістіктегі ядро жанындағы облыс, электрондардың пайда болу
ықтималдылығын орбиталды деп атайды. Шекаралас жазықтықтың пішіні мен
өлшемін орбиталдың (электрондық қабықша) шекарасы мен жазықтығы ретінде де
санауға болады. Пішін орбиталды және электрондық қабықша пішін
сипаттамасына орбиталды кванттық санды l енгізуге болады. Өткізілетін l
белгіленген сан басты кванттық санымен n анықталады. Кванттық сан l мына
мағынаны береді: 0, 1, 2, 3, ...(n – 1). Орбиталды кванттық санды әріптер
арқылы белгілеу керек:
Орбиталды кванттық l 1 2 3 4 5
Белгіленуі s p d f h
Әрбір кванттық санның белгіленуі орбиталдық сан мына белгілерді
қабылдайды, 0 и (n – 1) аралығында болуы тиіс:

Басты кванттық Орбиттық кванттық санОрбиталдың белгіленуі
сан n l (электрондық бұлттар)
1 0 1 s
2 0, 1 2 s, 2 p
3 0, 1, 2 3 s, 3 p, 3 d
4 0, 1, 2, 3 4 s, 4 p, 4 d, 4 f

Осылайша, бірінші энергиялық электрондық деңгейі (n =1) тек қана бір
пішінді орбитал, ал екінші энергиялық электрондық деңгейіне (n=2) екі
пішінді орбитал, ал үшіншіге үш және т.с.с. сәйкес.
Кванттық-механикалық есептеуге сәйкес s–орбиталдар шар тәріздес
пішінді, p-орбиталдар – гантел пішінін, d- және f- орбиталдар – көбірек
қиын пішінді иемденеді.
Басты кванттық сан электрондық күй белгілеу кезінде орбиталды кванттық
санының алдында белгіленеді. Мысалы, 4s электрон, мұндағы n = 4 және l =
0 (қабықша санды иемденеді); 2p электронды белгілейді, мұндағы n =2 және l
=1( қабықша гантел пішінін иемденеді) және т.с.с.
Кеңістіктегі сипатталған орбиталды орналасу үшін магниттік кванттық
сан ml қолданылады.
Магниттік кванттық санның белгіленуі орбиталды кванттық санға тәуелді
және (2 l + 1) тең.
s-бір орбиталды күйге жауап береді, p-күйге – үш, d-күйге – бес, f-
күйге жеті және т.с.с. Бірдей энергиялы орбиталдар азғындар. Осылайша, p-үш
қысқартылған күй кішірейеді , d-күйі – бес қысқартылған, f-күйі – жеті
қысқартылған және т.с.с.
Атомдық спектрлердің жіңішке құрылымын оқытуы, қабықша өлшемінің
айырылуының айырмашылығын көрсетеді, олардың пішіндері және бір-біріне
сәйкес келетін электрондар спинмен айырылады (Спин ағылшынша – қозғау,
айналдыру). Спинді өз осіндегі электрондар айналысындағы ұршық айналыс
тәрізді ұсынуға болады. Электронның спиндік сипаттамасы үшін төртінші
кванттық сан ms енгізіледі, оны спиндік деп атайды. Ол +12 және -12 бір
немесе белгілерді магниттік дала егістікке тәуелді.
1925 жылы В. Паули принципі бойынша: атомдарда екі электрон болу
мүмкін емес, өйткені барлық төрт кванттық сандар бір жиынтықты иемденеді.
Паули принципінен, бір орбиталда тек қана екі электрон ғана болуы мүмкін.
Сондықтан, s-күйде (бір орбитал) екі электрон болуы мүмкін, p-күйде (үш
орбитал) – алты, d-күйде (бес орбитал) – он және т.с.с.
Берілген энергиялық дәреженің сан орбиталы n2 тең, энергиялық
дәреженің құрамының сыйымдылығы 2n2 электрондарды құрады.
Электрондық қабықшаның конфигурациясы қоздырылмаған атом оның зарядтық
ядросымен анықталады. Бір белгілі басты кванттық санның n электрондары
аспан өлшемі бойынша жақын кванттық қабат пайда болады. n + 1,2,3,4 ...
қабаттарымен мына әріптерге сәйкес K, L, M, N, ... белгілейді. Ядро белгілі
бір өлшемде жойылса, онда қабаттардың сыйымдылығы жоғарылайды және
сәйкесінше 2n2 белгісі құрады: 2 (n=1, қабат K), 8 (n=2, қабат L), 18 (n=3,
қабат M), 32 (n=4, қабат N) электрондар.
Кванттық қабаттар қабат астылармен құралған, бірдей белгілі орбиталды
кванттық санымен l қосылады. Қабат асты орбиталдардан тұрады.
Атомдардың күйлері көбірек берік, олардың электрондары ең төмен
энергияны иемденеді, яғни ядро қабаттарынан табылады. Энергиялық күйдің
жүйелігі көп электронды атомның орбитал осі бойынша энергиялық
орбиталдың өсу қатары келесі атомдар түрінде көрсетілген: 1s 2s 2p
3s 3p 4s ≈ 3d 4p 5s ≈ 4d 5p 6s ≈ 5d ≈ 4f және т.б.
Берілген қабықша асты орбиталды толтыру жөнімен Хунда ережесіне
бағынады: берілген қабықша астының электрондарының жиынтық спиндік саны
максималды болуы тиіс.
Орбиталда бір электрон болса, онда бұл ереже энергиялық түрде пайдалы.
Басқа сөзбен айтқанда, берілген орбитал қабықша астын ең бірінші бір-бірден
толтырады, сосын екі-екіден. Қарама-қарсы электрондар спиндері бір және
басқа орбиталда екі электронды аспан пайда болады және олардың жиынтық
спиндері нөлге тең.
Барлық заттар атомдардан тұрады. Атом зарядталған жағымды ядродағы
жүйені құрады, оның жанында жағымсыз электрондар айналады. Электрондар
ядроға жақындайды және бір-бірімен тебіледі (итеріседі). Ядроға жақын
орналасқан электрондар үлкен тартылысқа ұшырайды, олар ішкі электрондарды
тартылысты әлсіретеді және олар ядродан алыс қашықтықта орналасқан. Ішкі
электрондар бір атомнан екінші атомға енеді және олардың ішкі электрондар
саны өзгереді, басқа атомға қосылады. Мұндай электрондар валенттілік деп
атайды. Әртүрлі заттың атомдары әртүрлі валенттілік сандарды құрады. Бір
немесе бірнеше жоғалтқан атомдар жағымды зарядталған ион болып табылады.
Өзіне бос электрондарды қосқан атомдар, жағымсыз зарядталған ион болып
табылады.
Атомдардан молекулалар құрады. Молекулардағы атомдардың қосылу
байланысы химиялық деп аталады. Басқа заттармен қосылған атомдардың
қабілеттілігі және пайда болған молекулалар химиялық қасиет затымен
анықталады. Молекула заттың ең төменгі бөлшегі болып табылады, ол оның
химиялық қасиетін сақтап қалады. Заттың атомдар арсындағы химиялық
байланысы коваленттілікке (атомдық), иондық, металлдық және молекулярлық
деп бөлуге болады.
Түр байланысының құрылымға және қасиетке әсері. Кристалда пайда
болатын элементарлық бөлшектер атомдардың түр байланысы өзара әсерлесуге
тұратын электрондық құрылуымен анықталады. Кристалдағы элементарлық
бөлшектер анықталған ара қашықтыққа жақындайды, ол кристалға көп
термодинамикалық тұрақтылықты қамтамасыз етеді. Бөлшектер жақындауының
арақышықтығы кристалда қозғалатын өзара әсерлесу күшімен анықталады.
Жақындау күші өз атомының жағымды зарядталған ядросымен өзара әсерлесу
электрондар көмегі арқылы, сонымен қатар көрші атомдардың зарядталған
ядросы да пайда болады.
Тебу күші жақындау кезіндегі көрші атомдардың зарядталған ядролардың
өзара әсерлесуі жағымды нәтижесі кезінде пайда болады.
Тебу күші күшті жақындау нәтижесінде болады және жақындау күшіне
қарағанда интенсивті түрде өседі (2.1-сурет). dо ара қашықтығындағы
элементарлық бөлшек жақындау кезінде тегістеу өлшем күші пайда болады. Бұл
жақындауға Ебайл минимум энергиялық байланыс сәйкес келеді, сондықтан
кристалды термодинамикалық тұрақты болады. Ол балқыту температурсын,
булану, серпімділік модулі, сызықтық кеңеюінің температуралық коэффициенті
және басқа қасиеттерді анықтайды.

2.1-cурет. Әсерлесу күшінің өзгерісі (а) және кристалдағы атомдардың
жақындау кезіндегі энергиялық байланысы (б)

Барлық кристалдар байланысқа басым сипаттама бойынша молекулярлыққа,
коваленттілікке, металдылыққа және иондыққа бөлінеді. Көбінесе, бұл күштер
коваленттілік байланыспен кристалдарда анағұрлым болады. Иондық
байланыспен ол бірнеше кіші және металдық байланыспен одан да кішірек
болады. Молекулярлық кристалда бұл күштер байланысы минимум ретінде
қарастырылады. Бірақ мұндай бөлу шартты түрде болады, кейбір жағдайда тек
қана бір түрлі байланысқа ғана емес бірнеше байланысқа да әсер етеді.
Молекулярлық кристалдар. Бұл кристалдар Ван-дер-Ваальс байланысында
басымдылық көрсетеді. Мұндай байланыс кез-келген элементарлық бөлшектермен
пайда болады (иондар, атомдар, молекулалар), бірақ көп кристалдар үшін
басқа белгілі күштерге қарағанда азырақ.
Кристалдарда инерттік газдар байланысы Ван-дер-Ваальс тек қана жалғыз,
сондықтан ол кристалдың қасиетін және құрылымын анықтайды.
Аргон басқа инерттік газдар тәрізді үлкен қысымда және өте төмен
температурада сұйық және қатты күйге ауысады.
Инертті газдардың атомдары толық құрылған энергиялық дәрежені
иемденеді, сондықтан атомдардың жақындауы кезінде электрондармен ауысу
мүмкін емес. Атомдар арасындағы жақындау күштің пайда болуы жақындау
кезінде атомдардың тез арада поляризациялануымен түсіндіріледі (сурет 2.2).
Аналогиялық күштер молекула арасында H2,N2,Cl2 екі атомдар газдардың
кристалдары қаныққан байланыспен әсерлеседі, үлкен қысымда және өте төмен
температура кезінде пайда болу мүмкіндігі бар; кристалдарда J2, CO2,
сонымен қатар СН4 және қалыпты шарт кезіндегі - басқа органикалық
заттарда да (полиэтиленде, фторопласта) әсерлеседі.

2.2- сурет. Аргон атомының жақындауы кезінде диполдің пайда болуы

Ван-дер-Ваальс күші бағытталған сипаттаманы иемденбейді, сондықтан
көрші әр атомдармен бірге тез арада диполь пайда болады. Нәтижесінде
атомдар кристалдық торда көрші санын үлкейтеді, көбіне компактілік бейнеде
жатқызылады. Инерттік газдарға арналған торлардың түрлері ЖОТ (ГЦК) торы
болып табылады, түйінде атомдар орналастырылады.
Йод кристалы ромбалы шекара орталықтандырылған торды иемденеді (2.3-
сурет), түйінде молекулалар орналасқан.

2.3-cурет. Йодтың кристалдық торы

Ван-дер-Ваальс күшінің байланыс энергиясы үлкен емес, сондықтан
молекулярлық кристалдар балқытудың төмен температурасын және булануын
қамтамасыз етеді. Қарапайым шарт кезіндегі арасындағы көбісі – газдар.
Молекулярлық кристалдар – диэлектрлер, нейтралды электрлік атомдардан
құралған кристалл (молкуладан), мұндағы энергиялық шекаралар толығымен
құрылған.
Полимерлер үшін аз энергиялық байланыс сызықтық кеңеюдің үлкен
температуралық коэфициентті анықтайды.
Молекулярлық байланыстың басты түрі болып су байланысы табылады, ол
екі иондар арасында орналасқан ион сутек арқылы пайда болады (протон).
Сутектік байланыс сутек молекулаларымен және кейбір органикалық
қосылыстармен бірігеді.
Коваленттік кристалдар. Бұл кристалдар коваленттік байланыс түрін
қамтамасыз етеді. Олардан элементтер IV, V, VI топтар пайда болады. Олар
электр жағымсыз, сондықтан ол үлкен потенциал ионизациясын иемденеді және
басқа топтағы элементтердің әсерлесуімен енеді, өзінің валенттілік
шекарасымен салып бітіреді (әртүрлі атомдардың беріктік валенттілік
электрондары пайда болады); бір-бірімен әсерлесу кезінде атомдар көрші
атомдармен бірге ортақтасады, сонымен бірге валенттілік шекараны салып
бітіреді.
Коваленттік кристалдар атомдарды, көміртектерді, кремний, германий,
сүрмк, висмут және т.б. – ды пайдаға әкеледі.
Олармен электрондар жалпыланатын атомдар саны, элементтің
валенттілігіне байланысты болады және (8 – N) ережесіне сәйкес анықталуы
мүмкін, мұнда N – элементтің валенттілігі. Мысалы, көміртегінде бұл сан 4-
ке тең, яғни көміртегі атомының төрт валенттілік электроны бар, ол олардың
көмегімен төрт бағытталған байланысты құрайды және төрт көршілес атоммен
алмасулық өзара әрекеттеседі.
Мұндай жалпылама түсінікті қарапайым жүйеден яғни – сутек
молекуласынан бастаған жөн. Бұл жағдай коваленттік байланыстың типтік
мысалын ұсынады, антибағыттағы қабырғалардың екі электрондармен жүзеге
асады. Екі протонды электрлік шекарада екі электрон болады. Екі электронды
сутек молекулалары екі атомға жатады, және валенттік шекараның соңынан,
барлық уақыт бойы бір атомнан екінші атомға көшеді, сосын коваленттік
ауысым күші пайда болады.
Кристалдық тордың өзегіндегі коваленттік кристалдарда атомдар
орналасқан, олардың арасында сол баяғы күштер әсер етеді.
Мысалы, көміртек атомы төрт валенттік электронды иемденеді, сосын төрт
бағыттық байланысты иеленеді және төрт көрші атомдарымен аусымдық өзара
әсерлесуге кіріседі. Әр сыңар атомдар арасында валенттік электрондармен
ауысым пайда болады, молекуладағы атом сутек тәрізді.
Көміртек табиғатында екі кристалдық пішін кездеседі (2.4-сурет). Екі
кристалдық торлар әр атомдардың төрт көршілермен сипатталады. Қиын алмас
торында барлық төрт көршілер орталықтандырылған атомдардан бірдей
қашықтықта орналасқан (штрихталған сызықта жақсы көрсетілген).
Графиттің гексогондік қабатталған торындағы төрт көршілердің біреуі
(2.4-суреттегі қалың сызықты қараңыз) айтарлықтай жойылуға сәйкес келеді.
Басты жазықтық торындағы үш атом арасында коваленттік күштер әсерлеседі, ал
басты арасында Ван-дер-Ваальс күші төмен болады. Деформация графиті кезінде
бірінші жағдайда қабатталған байланыс арасы қирайды, графиттің төмен
қаттылығы сонымен түсіндіріледі. Сызықтық коэффициент кеңеюі өте үлкен Ван-
дер-Ваальс күшіне бағытталған байланыс.

а б
2.4-cурет. Алмас (а) және графиттің (б) кристалл торлары

Коваленттік байланыс бағытталғандықтан сипатталады, өйткені әрбір атом
көршілес атомдардың белгілі санымен алмасулық өзара әрекеттеседі. Осының
салдарынан коваленттік кристалдардағы атомдар шағын түрде салынбайды және
аз координаталық саны бар кристалл құрылымдары құрайды. Алмастың кубтық
торы координациялық сан 4 (К4) иемденеді.
Атом аралық байланыстардың бағытталғандығы және тығыз салынбаған
кристалл құрылымдар төмен икемділікке және жоғарғы қаттылыққа әкеледі
(алмас ең қатты материал).
Байланыстың үлкен энергиясы салдарынан коваленттік кристалдар жоғарғы
балқу (алмаста ол 5000оС тең) және булану температураларымен сипатталады.
Мұндай байланыс кезінде валенттілік шекараның толтыруының пайда болуы
коваленттік кристалдарды жартылай өткізгіштікке және диэлектрикке
айналдырады. Алмаз–жартылай өткізгіш. Графиттің жақсы электрлік өткізгіші
Ван-дер-Ваальс байланысының төрт ковалентті біреуімен айырбас болуымен
түсіндіріледі, сосын нәтижесінде электр токтың иеленушілігі пайда болады.
Коваленттік кристалдарда электр кедергісінің температуралық
коэффициентінің теріс мәні бар, яғни қыздырған кезде электр кедергісі
төмендейді. Коваленттік кристалдарға әр текті атомдардан тұратын, көптеген
күрделі кристалл заттар жатады, мысалы кремний карбиді, алюминий нитриді,
бор нитриді және т.б. Кейбір органикалық қосылыстардың; полиэтиленнің
(С2Н4)n, политетр-фторэтиленнің (С2F4)n молекулаларының коваленттік
байланысы бар, сонымен бірге бұл материалдағы жеке молекулалар арасында
молекулалық байланыстар құрылады.
Коваленттік байланыстың алуан түрлі донорлық-акцепторлық байланыс
болып табылады, ол электронды (донорды) беруге қабілетті атомның және осы
электронды (акцепторды) қабылдауға қабілетті атомның арасында пайда болады.
Мұндай материалдардың мысалы күшаланың (мышьяктың) қосылыстары – галлий Ga
және индий InAs арсенидтері болып табылады.
Металдық кристалдар. Бұл оларда байланыстың металдық типі басым
болатын кристалдар. Оларды барлық А қосымша тобының және В қосымша тобының
I – III элементтері құрайды. Металл кристалында басқа топтар
элементтерімен өзара әрекеттескенде атомдар өздерінің валенттілік
электрондарын оңай береді және оң ионға айналады.
Бір-бірімен өзара әрекеттескенде еркін қосымша деңгейлермен ортақ
аумақты құрып, атомдардың валенттілік энергетикалық аумақтары жабылады. Бұл
валенттілік электрондардың осы аумақ шегінде еркін орын ауыстыруына
мүмкіндік береді. Барлық кристалл көлемінде валенттік электрондар
жалпыланады.
Сөйтіп, металдағы валенттік электрондарды жоғалған немесе алынған
атомдар деп санауға болмайды. Олар онда мұндай жалпылану атомдардың бір
жұбымен шектелген, коваленттік кристалдардан ерекшелігінде, барлық
кристалдың көлемінде атомдармен жалпыланған.
Металдық байланыс бағытталмаған, өйткені әрбір атом өзіне
мүмкіндігінше көп көршілес атомдарды тартуға ұмтылады. Мұның салдары жоғары
координациялық сан және металдардың кристалл құрылымдарының үлкен
жинақтылығы болып табылады. ЖОТ және ГТО кристалдық құрылымдары үлкен
координациялық санды иеленеді. Ni, Ag, Cu, Fe, Pt, Al, Pb металдарында ГТО
торы бар. Көптеген металдарда гексагонды тығыз салынған тор бар, бірақ тек
Mg пен Co-ға ғана иондардың сфералық симметриясына сәйкес келетін, са =
1,633 қатынасы бар.
Са-ның 1,633 мәнінен ауытқуын коваленттік байланыстың және осы
сфералық емес симметрияның нәтижесінде пайда болған атомдардың бар болуымен
түсіндіріледі. Бұл жағдайда, металдық өзара әрекеттесуден басқа, онда атом
созылған бағытта коваленттік өзара әрекеттесу пайда болады. Кристалда
сфералық емсе атомдар өзінің үлкен осімен z осінің бойында орналасқанда са
қатынасы 1,633-тен артық болады (Zn, Cd). Атомдар кіші осімен z осінің
бойында орналасқан са қатынасы 1,633-тен кем болады (Be, Tiα, Zrα).
Коваленттік байланысының сыбағасының пайда болуы және атомдардың
сфералық емес симметриясы КОТ кристалдық құрылыммен пайда болатындығымен
түсіндіріледі. Feα, Cr, Mo, W, V, Ta, Tiβ, Nb, Zrβ КОТ торы бар. Мұндай
құрылым салудың үлкен тығыздығын иеленбейді.
Металдардың және кейбір металл еместердің арасында полиморфизм
құбылысы – қатты күйде әр түрлі темперутараларда (қысымда) кристалдық
құрылымдардың әр түрлі типтерінің болу қабілеті. Бұл кристалл құрылымдарды
аллотропиялық пішіндер немесе түр өзгертушіліктер деп атайды. Төмен
температурада түр өзгертуді - α, ал жоғарғы температурада β, γ, δ және т.б.
Белгілі температура мен қысымда түр өзгертушіліктің тұрақтылығы
термодинамикалық потенциалдың мәнімен (еркін энергиямен) анықталады
G = H – ST.
Берілген температурада термодинамикалық потенциалдың кіші алгебралық
мәні бар түр өзгертушілік аса тұрақты болады, оған Н кіші энтальпияның, не
болмаса S үлкен энтропияның есебінен қол жеткізілуі мүмкін.
Металлдық кристалдарда ГПУ және ҚЦК тығыз жинақталған құрылымдары
(сурет. 2.5) кіші энтальпия салдарынан төмен температураларда тұрақты (Т1-
ге дейін) болады. КЦК аса борпылдақ құрылымынң үлкен энтропиясы бар,
сондықтан жоғары температураларда тұрақты. Ол көптеген металдарда Ti, Zr,
Fe,U байқалады.

2.5-cурет. Қыздыру кезінде металлдың екі түр өзгертуінің
термодинамикалық потенциалының өзгеруі

Модификация тұрақтылығы байланыс типінің өзгеруімен ауысуы мүмкін.
Төмен температура кезінде коваленттік байланыстың үлкен энергиясының
арқасында, сонымен қатар, және энтальпия аздығы модификация қалайысы алмас
торымен Snα тұрақты, ал қыздыру кезінде Snβ металлдық байланыстың әсері
көбірек модификациясы ауысады.
Температуралық полиморфизм отз шақты металдарды иемденеді (2.1-
кесте).
2.1-кесте Полиморфты металдардың кристалдық құрылымы

Металл Кристалдық тор Берілген модификация
кезінде темпетарураның
аралығы, оС
Титан ГПУ 882 дейін
ОЦК 882 - 1668
Цирконий ГПУ 862 дейін
ОЦК 862 - 1852
Қалайы Алмаздық 13 дейін
ТОЦ 13 - 232
Уран Ромбтық 663 дейін
ТОЦ 663 – 764
ОЦК 764 - 1130
Темір ОЦК до 911
ГЦК 911 – 1392
ОЦК 1392 - 1539
Кобальт ГПУ до 477
ГЦК 477 - 1490

Жоғарғы температуралы модификацияны 20 – 25оС температура кезінде ұзақ
уақытқа дейін тез суытады, сонымен қатар мұндай температура кезінде
атомдардың төмен диффузиялық жылжымалылығы тордық қайта құруына қабілетті
емес.
Полиморфизм температура және қысым кезінде әсер етеді. 2000оС
қыздыруға дейін және 1010 Па қысым кезінде графит тәрізді пішіндегі
көміртек алмазда қайта кристалданады. Темірдегі өте үлкен қысым кезінде ГПУ
гексагональдік тормен төмен температуралық модификация табылады.
Қысым өсуі төмен температура кезіндегі тығыз жинақталған
модификациядағы тығыз жинақталған құрылымға әкеліп соғады. Үлкен қысым
кезінде Ge, Si, Snα тетрагональді көлем-орталықтандырылған торымен (К=8)
металдық кристалдағы коваленттік кристалдың алмазға (К=4) ауысуы болып
табылады.
Металдық байланыс энергиясы коваленттік энергия байланысына қарағанда
біршама аз, сондықтан көп металдар коваленттік кристалдармен салыстырғанда,
балқудың, беріктіктің, буланудың төмен температурасын иемденеді, бірақ
сызықтық коэфициент кеңеюінің температурасы жоғары болады.
Көп жағдайда эергия байланысының өсуі Есв балқу температурасы tпл,
беріктік модулі Еберіктік, өзіндік диффузияның энергия активациясы Qдиф
өседі; сызықтық кеңею коэффициенті α керісінше өседі.
Заңсыздық экспериментальдік түрде табылған және шығару түрін
иемденеді. Олардың санында: Ве-да беріктік модулі аномальді түрде аса
көтеріледі, олардың қорытпалары жоғарғы қаттылықтағы материалды иемденеді.
Ti және Zr металдары тек қана беріктік модулі тәрізді төмен белгіні
иемденбейді, сонымен қатар өзіндік диффузияның энергиялық белсенділігін
иемденеді. Соңғысы төмендетілген ыстыққа төзімділікпен түсіндіріледі.
Метал емес байланыстың бағытталмағандықтан және металдық кристалдар
тығыздалған жинақтылықтың пайда болуы көбірек берік және коваленттік
кристалға қарағанда аз ғана қатты. Жақсы электр өткізгіштік валенттілік
энергиялық шекарадағы бос дәреже астындағы бар болуды керек етеді.
Металдық кристалдағы электр кедергінің температуралық коэффициенті
жағымды белгіні иемденеді, яғни қыздыру кезінде электрлік кедергі өседі.
Иондық кристалдар. Әр түрлі валенттілікті элементтерден тұратын,
күрделі кристалдарда иондық байланыс типінің құрылуы мүмкін. Мұндай
кристалдар иондық деп аталады.
Атомдар жақындасқанда және элементтер арасында валенттік энергетикалық
аумақтар жабылғанда электрондар қайта бөлінеді. Электрлік оң элемент оң
ионға айналып, валенттік электрондарын жоғалтады, ал электрлік теріс
элемент инерттік газдардағы сияқты, өзінің валенттік аумағын тұрақты
конфигурацияға дейін толықтырып салып, оларды иеленеді. Сөйтіп, иондық
кристалл түйіндерінде иондар орналасады.
Бұл топтың өкілі – FeO оксидінің кристалы, оның торы оттегінің теріс
зарядталған иондарынан және темірдің оң зарядталған иондарынан тұрадын.
Иондық байланыс кезінде бір молекула атомдарының (темірдің бір атомы
және оттегінің бір атомы) арасында валенттік электрондар қайта бөлінеді.
Коваленттік кристалдар үшін координациялық сан К, ал осыдан, тордың
мүмкін типі де элементтің валенттілігмен анықталады. Иондық кристалдар үшін
координациялық сан металл және металл емес иондар радиустарының ара
қатысымен анықталады, өйткені әрбір ион өзіне барынша көп қарама-қарсы
таңбалы иондарды тартуға ұмтылады. Тордағы иондар әр түрлі диаметрлі шарлар
сияқты салынады.
Металл емес ионның радиусы металл радиустан артық, және сондықтан
металл иондар кристалл тордағы металл емес иондарымен құрылған қуыстарды
толтырады. Иондық кристалдарда координациялық сан берілген ионды қоршайтын,
қарама-қарсы таңбалы иондардың санын анықтайды.
FeO үшін координациялық сан 6-ға тең болады, өйткені металл радиусының
металл емес радиусына ара қатысы 0,54-ке тең (анықтамалық деректер). 2.6-
суретте FeO кристалл торы келтірілген. Оттегі иондары ГЦК торды құрайды,
онда темір иондары қуыстарды алады. Темірдің әрбір ионы оттегінің алты
ионымен қоршалған, және, керісінше, оттегінің әрбір ионы темірдің алты
ионымен қоршалған. Осыған байланысты иондық кристалдарда оларды молекула
деп санауға болатындай, иондар жұбын атап көрсетуге болмайды. Буланған
кезде мұндай кристалл молекулаларға ыдырайды.

2.6-cурет. FeO кристалдық торы

Қыздырған кезде иондық радиустардың ара қатысы өзгеруі мүмкін, өйткені
металл еместің иондық радиусы металл ионының радиусына қарағанда
қарқындылық өседі. Бұл кристалл құрылым типінің өзгеруіне, яғни
полиморфизмге әкеледі. Мысалы, шпинельдік кристалдық тор қыздыру кезінде
оксидте Fe2O3 ромбоэдрлікке ауысады.
Иондық кристалл байланысының энергиясы өзінің көлемі бойынша
коваленттік кристалдар байланысының энергиясына жақын және металл және
молекулалық кристалдардың байланыс энергиясына асады. Осыған байланысты
иондық кристалдардың жоғарғы балқу және булану температурасы, жоғарғы
серпімділік модулі және сығылғыштық пен сызықтық кеңеюдің төмен
коэффициенттері бар. Электрондардың қайта бөлінуі салдарынан энергетикалық
аймақтардың толтырылуы иондық кристалдарды жартылай өткізгіштер немесе
диэлектриктер етеді.
Көпетеген иондық кристалдарда коваленттік байланыстың үлесі бар. Бір
бірінің электрмагниттік өрістерінің әсерімен иондар полярланады және
араласқан иондық-коваленттік байланыс пайда болады. Полярлану электрондық
аумақтарды деформацияланады, оның нәтижесінде иондар сфералық симметриясын
жоғалтады. Иондық кристалдарда коваленттік байланыс үлесінің өзгеруімен
қасиеттері де өзгереді. Әр түрлі топтардың АI ВVII, АII ВVI, АIII ВV, АIV
ВIV элементтерімен құрылған кристалдарда, ковалент тік байланыс үлесі АI
ВVII –дан АIV ВIV дейін өседі. Төртінші топ элементтерімен құрылған, соңғы
қосылыстарда коваленттік байланыс үлесі 90% құрайды және кристалдар басым
көпшілігінде коваленттік болып табылады. Коваленттік байланыс үлесінің
ұлғаюы электр өткізгіштің ұлғаюын тудырады. АI ВVII кристалдары – жартылай
өткізгіштер.
Иондық байланысы бар қосылыстар әр түрлі қасиеттерді иеленеді, оларға
типтік металдар мен металл еместер тән. Мұндай байланыстар органикалық емес
диэлектриктер үшін аса тән, олардың өзінің құрамында қарама-қарсы таңбалы
иондар (тұздардың көпшілігі және кейбір оксидтер, мысалы, ZnO, CdO, NiO,
CuO2) бар.
Анизотропия. Кристалл қасиеттерінің кеңістікте атомдардың (иондардың,
молекулалардың) реттелген орналасуы нәтижесінде пайда болатын бағытқа
тәуелділігі анизотропия деп аталады.
Кристалдардың қасиеттері атомдардың өзара әрекеттесуімен анықталады.
Кристалда әр түрлі кристаллографиялық бағыттардағы атомдар арсындағы ара
қашықтықтар әр түрлі, сондықтан қасиеттері де әр түрлі.
Анизотропия кристалдардың барлық қасиеттеріне тән. Анизотропия
моноклинді және ромбтық құрылымдарды күрт айқындалады, бірақ кубтық
құрылымдарда байқалмайды.
Симметрияның меншікті электр кедергіге әсерінің сипаты да сондай.
Магниттік қасиеттер анизотропты және кубтық кристалдарда да сондай.
Кристалдар қасиеттерінің анизотропиясы жасанды жолмен алынған
монокристалдарды пайдалану кезінде айқындалады. Табиғи жағдайларда
кристалдар денелер – поликристалдар, яғни көптеген ұсақ әр түрлі
бағдарланған кристалдардан тұрады. Бұл жағдайда анизотропия жоқ, өйткені
атомдар арасында орташа статистикалық ара қашықтық барлық бағыттар бойынша
шамамен бірдей болады. Осыған байланысты поликристалл денелерді жорамал
бірдей деп санайды. Поликристалды қысыммен өңдеу процесінде әр түрлі
түйіршіктерде бір индекстің кристаллографиялық жазықтықтары параллель
бағдарлануы мүмкін. Мұндай поликристалдарды текстураланған деп атайды және
олар монокристалдарға ұқсас, анизотропты.
Барлық металдарда болатын, негізгі фазалық түрлендіру кристалдандыру,
яғни металдың сұйық күйден қатты күйге өту процесі болып табылады.
Кристалдану үрдісінде зерделеудің материал тану үшін маңызды мәні бар,
өйткені принципінде кристалдандыру заңдары барлық түрлендірулер, соның
ішінде қатты күйіндегі металдар мен қорытпаларда болатын түрлендірулер үшін
де дұрыс болады.
Кристалдану үрдісін түсіну үшін, ең алдымен, сұйық металдың құрылымын
қарастыру керек, сәйкесінше шарт түрінде кристалдар пішінделеді. Қазіргі
заманға сәйкес, физикалық қасиеттерге және сұйық металдар құрылымына
негізделген, бұл жағдайдағы металл өзінің құрылымы бойынша газ тәріздіге
қарағанда, қатты денеге жақын. Көбінесе сұйық металдың жылусыйымдылығы
қатты металдың жылусыйымдылығына қарағанда 10% ғана жоғары, онда бұл
қасиет бойынша да өлшемнің айырмашылығы сұйық металл арасында және газ
тәрізді күйде 25-30% және одан көбірек құрады.
Құрылымды зерттеулер, 40-50 жылдардағы В.И. Данилмен берілген металдағы
сол координациямен сұйық металда атомдардың топтары пайда болады дер
көрсетті. Бұл топтар өте кішкентай олардың күйлері динамикалық тұрақсыз
болады, сосын бір жерде пайда болады және сорады. Жақын тәртіп деп аталатын
бұл атомдар топтары тек қана сәйкес шарттарда ғана тұрақты болады.
Кристалдану үрдісінің басты заңдылықтары. Термодинамика заңдарына
сәйкес кез келген заттың жаңа күйі егер оның бос энергиясы алғашқы күйдегі
тура сол заттың бос энергиясынан кем болған жағдайда пайда болуы мүмкін.
Бұл ереже кристалдану үрдісінің теориясында негізгі болып табылады, яғни
егер кристалдардың еркін энергиясымен металдың сұйық күйдегі көлемдік еркін
энергиясына ғарағанда, кем болған жағдайда пайда болуы мүмкін. Бұл
жағдайды графитте қарастырамыз (2.7 - сурет). Осы графиктен, кристалдану
үрдісі, яғни кристалдардың түзілуі То төмен температура болғанда, яғни
тиісті аса салқындату кезінде болуы мүмкін деген қорытынды шығады. ∆ Т
белгіленген, аса салқындату дәрежесі – бұл То мен Т1 үрдісінің шынайы
температурасы арасындағы айырым:То – Т1 = ∆ Т.
∆ Т қаншалықты артық болса, металдың сұйық және қатты күйі ((∆ GV = GL
– GS) арасындағы көлемдік еркін энергиялар шамаларындағы айырым соншалықты
артық болады. Бұл шама кристалданудың қозғаушы күші болып табылады.

2.7-сурет. Металдың еркін энергияларын Т температураға байланысты (Т0
— тепе-теңдік температурасы) сұйық GL және қатты GS күйлерге өзгерту.
Келтірілген графиктен сондай-ақ кристалдық металдың балқуы мүмкін
болатын жағдайды анықтауға болады. Бұл температура То болғанда мүмкін,
яғни сондай-ақ кейбір аса қыздыру кезінде аса қыздыру дәрежесін (∆ Т' = Т'
– То) сипаттауға болады. Аса қыздыру дәрежесі металдарды балқыту кезінде,
ереже бойынша, бірнеше градустардан артық болмайды.
Графикте кристалдану мен балқудың температуралық аймақтарын белгілеуге
болады. Олардың біріншісі үшін GS GL, ал екіншісі үшін GL GS.Нақты
жеткен аса салқындатудың немесе аса қыздырудың дәреже шамасы металл
табиғатына байланысты болады. Ол оның жиіліктерін және салқындату
жылдамдықтарын арттырумен ұлғайтылады. Әдеттегі өндіріс жағдайларында
металдарды аса салқындату дәрежесі кристалдану кезінде 10-нан 30оС дейін
тербеледі; ол салқындатудың үлкен жылдамдықтары кезінде жүздеген
градустарға жетуі мүмкін. Салқындату жылдамдығы қаншалықты артық болса,
сұйық металл кристалданудың аяғына дейін аса салқындатылуы мүмкін,
температура соншалықты төмен болады. Соңғы жылдары бұл тек қана теория
жағынан ғана емес, сонымен қатар тәжірибелік жағдайда да белгілі. Өте
үлкен суыту жылдамдығында (107-109 оСс) сұйық метал кристалданусыз ақ
қарапайым температураға дейін қайта суыту мүмкін. Нәтижесінде метал аморфты
немесе шыны тәрізді күйде болады.
Мұндай күйдегі метал пайда болған техника арқылы өте жіңішке шашбау,
сымдар, ұсақ тамшы (түйіршік), қабыршық және т.б. алуға болады. Мұндай
жағдайда да метал бұрын-соңды болып көрмеген қасиетті яғни міндетті
техниканы иемденеді, бұл кристалдық метал құрылымына арналған қолж жетпес
жеңілдік. Мұндай металдың құрылымы қатты шардағы хаотикалық тығыз буу
тәрізді сипатталады. Метал құрамында қайта суыту сұйықтығы бар кристалдық
күйге қарағанда термодинамикалық тұрақсыз, сонымен қатар оның көлемдік бос
энергиясы жоғары. Сондықтан, келесі қыздыру кезінде, атомдар арнайы
жылжымалылық кезінде аморфты немесе шынытәрізді металда (металдық шынылар)
кристалдану үрдісі жүреді. Шыны тәрізді металдардың сапасының мысалы
ретінде қорытпа құрамын келтіруге болады Fe38Si10B12. Ол келесі шыны
тәрізді күйді иемденеді: σВ = 3400 МПа, Е = 87 ГПа, НV = 9100 МПа, δ
=0,3%, яғни сапалық өзінің жоғары сапалы болатқа қарағанда едәуір
көрнектісі жоғары. Металдық-шыны қорытпалары жарияланған σВ 7000 Мпа.
Аморфты қорытпалар, мысалы, толық химиялық және бір құрылымды және шекара
дәннің жоқ болуы үлкен құрылымды Fe33Cr10Ni40P10C7 яғни жоғарғы коррозиялық
беріктікті иемденеді.
Өзінің магниттік қасиетіне байланысты – металдық шынылар динамдық және
трансформаторлық болаттар белгілі және сондықтан олардың қолданулары,
есептеу көрсеткендей, үлкен экономикалық эффекті көрсетеді (дала жарығының
трансформаторға ауысуы металдық шыныдан магнитөткізгіш АҚШ-та орын
ауыстырады және 200 млн. Долларға дейін экономикалық эффектілікті береді).
Жалпы термодинамикалық тапсырыс негізінде механизм және кристалдану
жылдамдығы және балқыту, кристалдану кезіндегі құрылыс металы туралы
қорытынды жасауға болмайды. Бұл үшін механизмді және фазалық ауысым
жылдамдығын білу қажет.
Кез келген фазалық түрленулер бастапқы фазада дәнекшетар немесе
центрлер деп аталатын, жаңа фазалардың шамалы көлемдерінің пайда болуы,
және олардың кезекті өсуі жолымен өтетіні анықталған. Мұндай центрлер мен
олардың өсуінің жылдамдығы қаншалықты артық туындайтын болса, фазалық
түрленулер соншалықты тез өтеді. Кристалдану жағдайларында мұндай центрлер
уақыттың осы моментінде атомдардың орналасуы олардың кристалл торында
орналасуына жақын немесе ұқсас болған аралықта, сұйық фазалардың сол
көлемдерінде туындауы мүмкін және мұнда энергиялардың флуктуациясы (сұйық
металдардың жеке аймақтарында атомдар тобының энергиялар ауытқуы кейбір
орташа мәннен) бөлімнің фазааралық беттерінде сұйық қорытпалар – кристалдың
пайда болу салдары болып табылатын, пайда болудың энергетикалық
тосқауылдарын жою үшін жеткілікті болады. Сонымен энергиялардың ұқсас
флуктуациясы жеткен, сұйық фазалардың көлемдері сындық өлшемнің кристалдық
Дәнекшенің өлшеміне жақын болуы тиіс. Кристалдану центрлерінің пайда болуы
сұйық металда кездейсоқ болатын (тотықтар, бейметалл қосылулар және т.б.),
кейде қасақана енгізілген (модификациялау), бөтен (қоспалар) қатты
бөліктердің болуына мүмкіндік туғызады, өйткені бұл жағдайда мұндай
центрлерінің пайда болу үшін энергиялар флуктуациясы айтарлықтай біршама
кем болады. Кристалдану центрлері пайда болуының бірінші жолы өздігінен
(немесе гомогенді), екіншісі - өздігінен емес (гетерогенді) деп аталады.
Кристалдануға сәйкес өздігінен немесе өздігінен емес болуы мүмкін. Бірақ,
центрлердің пайда болу механизмінен тәуелсіз олардың әрі қарай өсуі бірдей
заңға бағынады.

Өзіндік кристалдану. Сұйық жағдайдағы атомдардың күйлері жылу қозғалыс
ретінде тәртіпсіздікке ауысады. Сонымен қатар сұйықтыққа көп емес көлемдегі
атомдардар топтастырылады. Бұл топтастырулар тұрақсыз, олар сорылады және
сұйықтықта қайта пайда болады. Қайта суыту сұйықтығы кезінде олардың
арасындағы ірі кейбіреуі тұрақты және өлшемге қабілетті. Атомдардың бұл
тұрақты топтастырылуы орталық кристалдану деп атайды (дәнекшетандыру).
Дәнекшетандырудың пайда болуы энергия флуктуатациясына мүмкіндік туғызады.
Пайда болған дәнекшетандырудың өлшемі флуктуация шекарасына тәуелді.

Орталықтандырудың пайда болуы ∆Gжалпы. (2.8-сурет) термодинамикалық
потенциал жүйесін өзгертеді. Бір жағынан сұйықтықтың кристалдану күйіне
ауысуы термодинамикалық потенциал V∆GV(G1) төмендетіледі, ал екінші жағынан
сұйықтық және өлшемдегі кристалдану ұрығы ұлғайады Sσ(G2):
∆ Gжалпы= –V∆GV + Sσ
Мұндағы: V – Дәнекшенің көлемі, см3; S – Дәнекшенің жазықтығы, см2; σ
– кристал-сұйықтық шекарасындағы салыстырмалы жазықтық керуі, Джсм2 (Нм);
∆GV – сұйықтықтың кристалдық күйге ауысуы кезіндегі термодинамикалық
потенциалдың салыстырмалы айырмасы (Джсм3),
∆GV = Q ∆ТТК
Мұндағы: Q – кристалдану жылулығы; ∆Т – қайта суыту дәрежесі; ТК –
кристалдану температурасы.

2.8-сурет. Олардың өлшемдеріне байланысты Дәнекшенің пайда болу кезіндегі
термодинамикалық потенциалдың өзгеруі

Егер де дәнекшетандыру А қабырғасының куб пішінді иемденсе, онда
термодинамиканың жалпы потенциалының өзгерісі былай анықталады.
∆ Gжалпы = А3∆GV + 6А2σ
Соңғы теңдеуден дәнекше өлшеміне байланысты термодинамикалық
потенциалдың графикалық тәуелділігі кейбір белгілерде А максимумды
иемденеді (3.2-сурет), ол критикалық деп аталады. Дәнекшенің көп
критикалық өлшемі төмендетуді шакыртады ∆ Gжалпы сондықтан өлшемге
қабілетті тұрақты болып келеді. Критикалықтан төмен өлшемді иемденетін
дәнекшетар тұрақсыз және сұйықтықта ерітіледі, сондықтан өсіруді шакыртады
∆Gжалпы А критикалық белгісінің анықтауы үшін А бойынша ∆G дифференциялау
керек және өндірістік нөлге теңестіру қажет,d∆GжалпыdA = 0, онда Акр. =
4σ ∆GV болады.
Қайта суыту дәрежесінің жоғарлануымен жазықтық созылуы белгісіз
өзгереді, ∆GV тез жоғарылайды. Сондықтан, қайта суыту дәрежесінің
жоғарлануымен Дәнекшенің өлшемі азаяды, сосын өлшемге қабілетті көп дәнекше
пайда болады. Мысалы, қайта суыту дәрежесі кезінде 10К критикалық темір
дәнекшенің өлшемі 3,55·107 элементарлық бөлшектерді құрады, ал қайта суыту
дәрежесі кезінде 100К – 3,55·104 болады.
Үрдістің жылдамдығы және кристалдардың соңғы өлшемдері кристал
жылдамдығының өсуімен және кристалданудың орталық пайда болуымен
анықталады. Дәнекшенің пайда болу жылдамдығы дәнекше санымен өлшенеді,
бірлік уақыт пен бірлік көлемі пайда болады (1мм-3·с-1); өсу жылдамдығы -
өсу кристалының сызықтық жоғарылануымен бірлік (ммс). Екі үрдіс атомдардың
ауысымдарымен байланысты және температураға тәуелді. Дәнекшенің ... жалғасы
Ұқсас жұмыстар
Металдардың бұзылуы
Металдардың сипаттамасы
Металдардың жемірілуі
Металдардың кристалдануы
Сілтілік металдардың қасиеттері
Металдардың жалпы химиялық қасиеттері
Педагогикалық бақылау теориясы бойынша электрондық терминологиялық түсіндірмелік сөздік
Металдардың кристалдық құрылысы
Металдардың қаттылығын анықтау
Сілтілік металдардың жалпы қасиеттері
Пәндер
Stud.kz
Арайлым
Біз міндетті түрде жауап береміз!
Мы обязательно ответим!
Жіберу / Отправить

Рақмет!
Хабарлама жіберілді. / Сообщение отправлено.

Email: info@stud.kz

Жабу / Закрыть