ҚАТТЫ ДЕНЕНІҢ ІШКІ ҚҰРЫЛЫМЫ
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..3
1 ҚАТТЫ ДЕНЕНІҢ ІШКІ ҚҰРЫЛЫМЫ. КРИСТАЛ ТОРЫ ... ... ... ... ... .13
1.1 Қатты денелердегі анизотропия. Моно және поликристалды қатты
денелер.Химиялық элементтердің кристалдық
құрылымдары ... ... ... ... ... ... ... 17
1.2 Кристалдардағы құрылым жетіспеушілігі.Түйін аралық атомдар және
ваканция.Электрондар және кемтіктер. Дислокациялар және
экситондар ... ... .23
1.3 Дислокация.Дислокация көздері.Дислокациялардың өзара
әсерлесуі ... ... ..38
2 МЕТАЛДАР МЕН КРИСТАЛДАРДАҒЫ МИКРОСЫЗАТТАР ... ... ... ... .49
2.1 Микросызаттарды зерттейтін тәсілдер. Кіші бұрышты рентген
сәулесінің шашырауы.Жарықтың
шашырауы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ..48
2.2 Ақау тығыздығын өлшеу. Элекртондық микроскопия. Микросызат ұрығының
өлшемі, концентрациясы және
формасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..51
2.3 Электрондық микроскопия көмегімен микросызаттарды анықтау.
Деформациядан тығыздықтың
төмендеуі ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..53
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ..69
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН
ӘДЕБИЕТТЕР ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
70
Кіріспе
Қазіргі заманда ғылым мен техниканың дамуы барлық ғылым саласын
қамтиды, нәтижеде жаңа зерттеу бағыттары пайда болады. Сонымен қатар
қалыптасқан теорияларды және көзқарастарды қайтадан қарауды талап етеді.
Бұл терең зерттеу үдерістері және қайтадан қалыптастыру мақсатындағы
зерттеулер беріктілік физикасында да орын алады. Кез келген материалдың
беріктілігі сол материал қирамай өзінің біртұтастығын сақтайтын шама
екендігі белгілі.
Материалдардың қирау проблемасы қатты денелер физикасындағы ең
актуалды проблемалардың бірі болып есептеледі. Материалдардың қирауын
зерттеу ғылым саласының ерекшелігі қазіргі техникада экстремальді жағдайда
жұмыс істей алатын жаңа материалдарды табу қажеттілігінен туындайды.
Материалдың төзімділігін, жарамдылық мерзімін ұлғайту жолдарын
қарастыру, сонымен қатар ол материалдың жұмыс атқару мерзімін алдын-ала
болжау тәсілдерін дамыту тағы басқа орын алады.
Жоғарыда айтылған проблемаларды шешуде материал қирауының физикалық
табиғатын білумен тығыз байланыста екендігі белгілі.Сонымен бірге бұл
бағытта материалдың деформациялану үдерісінің физикалық табиғатын зерттеу
қираумен қатар актуалды мәселе болып табылады. Көп уақытқа дейін қатты
денелердің қирау проблемасын таза механикалық көзқараста қарастырылған.
Яғни қатты дененің қирауы тұтас денелер механикасы төңірегінде дамуын
тапқан. Яғни берілген қасиетке байланысты серпімді өтетін мәселелерді
есептеу жолымен қарастырылады. Кейінгі кездерде серпімді қарастырылған,
соның арқасында ол денеде кездесетін сызаттардың болуынан денелердің қирауы
төмендейтіндігі қарастырылады.
Қирау физикасының дамуына атомаралық байланыс күштерге негізделген
теориялардың елеулі үлесі бар. Бұл теория арқылы бірнеше қатты денелердің
теориялық беріктілігі анықталған.Бұл еңбектерге қарағанда материалдың
теориялық беріктілігі 100-1000 есе нақты беріктіліктен төмен екендігі
анықталған. Бұл қайшылықтарды түсіндіру мақсатында табиғаттағы кез келген
қатты денелерде, олардың құрылымында ақаулар бар деп есептеледі. Атап
айтқанда, материалдың ішінде микросызаттың болуынан деп есептеледі. Бірақ,
дененің қирауын таза механикалық көзқараспен қарағанда дене қирауы
критикалық құбылыс деп қарастырылады.
Дене қирауына физикалық көзқараспен қара, ол көзқарастың ары қарай
дамуына ΧΧ-шы ғасырдың 50-ші жылдары академик С.Н.Журков қарастырған.
Нәтижесінде қатты дене қирауының кинетикалық концепциясын ұсынған.
Бұл концепция өзінің дамуын В.Р.Регель, В.А.Степанов және басқа да
зерттеушілердің еңбектерінде қарастырылған.
Қираудың кинетикалық концепциясы бойынша болған кезде қирау үдерісі
термофлуктуациялық әсерден басталатынын дәлелдеген. Денені жүктеген
механикалық кернеу атомаралық байланыстағы потенциалдық тосқауылды
төмендетеді. Ол тосқауыл қирауға қажетті энергия шамасына тең болады. Сол
себепті механикалық кернеу дененің қирауына бағыт береді.
Денелердің қирау механизмін термофлуктуациялық процесс деп есептеп, бұл
зерттеу жұмысында кристалдық құрылымға ие қатты денелердің кинетикалық
қирау заңдылықтары қарастырылған. Атап айтқанда, иондық кристалдар
қарастырылған. Бірақ алдымен зерттеуге қойылған нақты шешілетін мәселелерге
тоқтайық. Нақты мәселелерді қарастырудан бұрын қарастырылып шешілген
мәселелерге тоқтайық. [1] еңбекте дененің қирауын кинетикалық
термофлуктуациялық үдеріс деп атауға түрткі болған негізгі мәліметтерді
қарастырайық.
1920-шы жылдары дене пластиктивтілігінің температураға, жүктеу
жылдамдығына тәуелділігі зерттеліп Беккерь мынадай ой-пікірді ұсынған.
Дене пластиктивтілігін зерттегенде дене атомдарының жылулық қозғалысын
ескеру қажет. Беккерьдің ой-пікірі бойынша термофлуктуация жүктелген
денедегі жақыннан әсерлесу тосқауылдан өтуге көмектесіп, пластикалық
ығысуға алып келеді. Яғни пластикалық деформацияны термоактивациялық үдеріс
деп қарастыруды ұсынған.
Термофлуктуациялық үдерістің негізгі рөл атқаратынын және атом-
молекулалық бөлшектердің механикалық күш өрісінде қайтадан орналасып,
нәтижеде деформациялық және релакцияциондық үдерістің дамуына алып келу
мәселелері[1-2] еңбектерде талданған.
Жүктелген денеде дене формасының өзгеруін талдай отырып, [1-2]
еңбектердің авторлары механикалық күш өрісіндегі атомдар жүйесі потенциал
тосқауылдарынан өтуін термофлуктуация деп есептеген.
Сонымен пластикалық деформация және релаксация үдерістері
термофлуктуациялық үдеріс деп есептеу ертеде басталған. Бұл көзқарас
бірнеше еңбектерде дислокациялық теория негізінде қарастырылып, мысалы [2-
3] еңбекте алынған нәтижелер қираудың кинетикалық концепциясын ұсынуға
өзінің үлесін қосқан.
Шынында да, бір-бірімен байланысты қирау және деформация
құбылыстарыныңтабиғатта елеулі айырмашылықтары бар: деформация
термофлуктуациялық және кинетикалық болса, қирау атермикалық және
критикалық түрде өтеді.
Дегенмен, қираудың кинетикалық концепциясы негізінде экспериментальды
түрде алынған нәтижелер жатады. Ол нәтижелерге қарағанда қатты денелер
беріктілігінің температураға, уақытқа тәуелділігі: беріктілік шегінің
кернеуге және температураға тәуелділігі [18]; жоғары температуралы
жылжығыштық және жоғары мерзімді беріктілік мысалы, [19]. Ал ең негізгісі
беріктілікке әсер еткен күштің мерзімі болып есептеледі.
Бұл мәліметтерді статикалық шаршау деп атайды және ол мәліметтер кейбір
металдарға [21], ас тұзына [22], болаттарға [23], бір топ қатты денелерге
[24,25] екені анықталған. Бірақ барлық [5]-ке дейінгі анықталған
мәліметтердегі беріктілікке уақыттың тәуелділігін қосымша фактор деп
есептейді. Яғни қирау критикалық түрде өтеді деген ой-пікірде қалған
[26].Мысалы, [4] еңбекте беріктіліктің уақытқа тәуелділігін қатты дене
құрылымы тұтқыр-серпімді гетерогендікпен түсіндірілді. Яғни, жүктің уақытқа
тәуелділігі дененің ішінде кернеудің бөлінуімен байланыстырылды. Ол
бөлінудің арқасында үлгінің серпімді бөлігінде кернеу пайда болып дененің
лезде қирауына алып келеді. Ал [5] еңбекте беріктілік шегіне уақыттың
әсерін материалдың құрылымы біртексіздігімен байланысты. Атап айтқанда, бұл
ой-пікір күйдіріп-шыңдалған болаттың беріктілігіне қатысты. Белгілі уақыт
аралығында құрылым өзгереді. Сондықтан шамасы төмендейді. Бұл ой-пікір [6]
еңбектегі мәселелерді біршама нақтырақ қарастырады.
Қатты дене қирауының негізінде жататын беріктіліктің уақытқа
тәуелділігін дәлелдеу мақсатында жүйелі зерттеу нәтижелеріне қарағанда
беріктіліктің уақытқа тәуелділігі ортаның құрылымының гетерогендігінде.
Яғни құрылымның біртексіздігінде емес, ол факторлар беріктіліктің уақытқа
тәуелділік заңдылығына қосымша фактор болып есептеледі.
Беріктілікке температураның әсерін жүйелі түрде зерттеу Ресей ғылым
академиясының А.Ф.Иоффе атындағы физика техникалық институтта басталған.
Сол институтта жүргізілген Журковтың, Регельдің, Нарзуллаевтың,
Санфированың, Томашерскийдің бірінші жүргізілген тәжірибелеріне қарағанда
беріктіліктің уақытқа тәуелділігі әртүрлі қатты денелерде орын алады.
Ол зерттелген қатты денелердің поликристалды құрылымға ие алюминий,
никель, мырыш, платина металдары жатады және алюминий негізіндегі екі түрлі
қатты ерітінділер жатады.
Жарамдылық мерзімінің τ сыртқы бір бағытта тартатын механикалық
кернеуге σ және сынау температурасына тәуелділігі [7] еңбекте көрсетілген.
Ол еңбектегі параметрлер арасындағы талдай отырып, барлық зерттелген қатты
денелерге мынадай түрдегі параметрлер қатынасына бағынатындығы анықталған:
(1)
Мұндағы, – белгілі σ кернеуіндегі және t температурадағы сол
материалдың жарамдылық мерзімі.
τ0 - t10-12 – 10-13 с температураға тәуелсіз жарамдылықмерзім.
u0- зерттелген қатты дененің жүктелмеген кездегі қирау активация
энергиясы.
- активациялық көлем.
Температура тұрақты болғанда 1- ші теңдеу мына формулаға [10].
(2)
Мұндағы, А және α коэффициенттері координатадағы тура сызықтың
иілгіштігімен анықталады.
, u0, тұрақты коэффициенттерА және α коэффициенттерімен
төмендегі формула арқылы байланысқан.
;
(3)
, u0, параметрлердің талдаған [5] еңбектің нәтижелеріне
қарағанда exp алдындағы барлық зерттелген қатты денелерде бірдей
екендігі , яғни дәрежесі 10-12-10-13 аралғында жататындығы және ол
жарамдылық мерзім атомның жылулық тербеліс периодына тең екендігі
анықталған, u0 – параметр материалдан материалға өткенде өзгеретіндігі,
бірақ әрбір материалға оның ішкі құрылымына тәуелсізбірдей екендігі
анықталған. Мысалы, жоғарыда көрсетілген металдар үшін u0-дің мәні ол
материалдың бастапқы механикалық және термикалық өңдеулеріне тәуелсіз
екендігі анықталған. Әрбір зерттелген металдың u0 мәні сол металдар
атомдарының жылулық ыдырау энергиясына тең екендігі анықталған. Яғни сол
металдың сублимация энергиясына тең екендігі анықталған. және u0- дің
сәйкесінше атомдардың тербеліс периодына және байланыс энергиясына теңдігі
денелерден кинетикалық, термофлуктуациялық процестермен байланыстыруға
болатындығын көрсетеді. Соның негізінде [5]- ші еңбекте ұсынылған
материалдың қирау процесіне , яғни уақыт барысында жүктелген атомаралық
байланыстың ыдырауын біртіндеп және қайтымсыз өтетін процеспен байланысты
деген ой-пікірге негіз бола алады. Бұл қайтымсыз процесс дененің бірнеше
бөлікке бөлінген кезде тоқтайды. Бұл қайтымсыз ыдырау процесі жүруде
негізгі рольді атомдардың жылулық қозғалысы атқарады, әсіресе жылулық
флуктуация , яғни атомдардың орташа kT энергиясы аймағындағы флуктуация
атқарады.
Жоғарыда айтылған ой-пікірлерге сүйене отырып, беріктіліктің
уақытқа тәуелділігін анықтағанда ең негізгі мәселе–қатты денелердің қирау
табиғатының кинетикасын анықтау болып табылады.
Бұл бағыттағы зерттеулер қирау кинетикасына тікелей физикалық
тәсілдермен тіркеу бағытында жүргізіледі, яғни микроскопиялық деңгейінде
қирау қирау кинетикасы зерттелінеді.
Ондай зерттеудің қажеттілігі интегралды қираудың элементар табиғатын,
яғни атом деңгейінде өтетін процестерді анықтауға қажет. Себебі, ол
элементар процестер u0энергетикалық тосқауылдардың қасиеттерін және ол
тосқауылдың шамасын анықтауға қажет болады. Шынында да, u0сол дененің
бастапқы энергетикалық тосқауыл әсер ететін кернеу бастапқы тосқауылды
-ға төмендейді. Төмендетілген тосқауылдың шамасы болады. Яғни
тосқауыл жақын арақашықтықтағы жобамен бірнеше атомаралық ұзындығында
орналасқан болып, сол тосқауылдан өткен кезде атомаралық байланыс қирайды
деген ой-пікірді тудырады. Себебі, егер біз оншақты атомаралықтан үлкен
арақашықтықта әсер ететін күшті σ кернеуді қарастырсақ, ол күштің әсері
атермикалық болуы мүмкін.u0-дің“атом өлшемімен ” байланыстыруға дәлел. u0-
дің сублимацияға тең болған себебі сублимация, яғни булану дененің
бетіндегі атомдарда өтеді. Бірақ бұл қирау элементар атты нақты көптеген
бір-біріне қайшы гипотезалар туады.Мысалы, [6] еңбектегі гипотезалар. Бір-
біріне қарсы u0қирау активация энергиясындағы бірнеше гипотезалардың барына
қарамастан u0-дің табиғатын зерттеуде u0 параметрінің бірнеше факторларға
әсерін анықтау. Мысалы, кернеуленген күйдің түрін анықтау, u0–дің атом-
электрондық сипаттамасымен байланысын анықтау тағы басқа мәселелер.
Қираудың элементар акт жолдарын табудың ең негізгі мәселесі болып табылады.
Мысалы, 1950 жылдары Пинес деген ғалым денелердің қирауына ваканциялық
механизммен өтеді деген гипотезаны ұсынған. Бұл механизм бойынша жүктелген
денеде дене ішіндегі ваканцияның сызаттардың ұшына келуден, сызат өсіп
денені қиратады. Ваканциялық механизмге негізделген теория τ-дың σ-ға, Τ-ға
байланыстылығы жөнінде алынған теориялық теңдеу эксперименттен алынған
теңдеуден өзгеше. Пинестің теңдеуінде exp алдындағы . Бұл теңдеу
арқылы алынған жарамддылық мерзімінің эксперимент мәндерін талдау
нәтижелері металдар үшінuu0өздік диффузия. Бұл алынған u0 мәліметіне
сүйене отырып, дененің элементар қирау актының табиғаты ваканциялық ой-
пікірді айтуға мүмкіндік тудырады. Бірақ Пинестің exp алдындағы
күрделі параметрлер, сол параметрлерді алуға қолданған ваканционды модельге
тура келетіндігіне күмән келтіреді.
Пинес u0-дің өзгеруін темірден өтетін полиморфты өзгерістермен
байланыстырып, яғни u0-ді өздік диффузия энергиясымен байланыстырмай
полиморфты энергияның өздік диффузиямен байланыстырған. Бірақ темірден
өтетін полиморфты энергетикалық сипаттаманың өзгерісін анықтаудың
қаншалықты дұрыс екендігіне көңіл аудармаса, ол өзгерістің мәндері бір-
біріне қайшы.
Сонымен қоса, Пинестің еңбегінде темірдің жарамдылық мерзімін жоғары
температурада анықтаған. ұнтақтан пісірілген кеуекті үлгілер зерттелген, ал
[5-6] еңбектер нәтижелеріне сүйенсек, кеуекті пісірілген үлгілерде және
жоғары температураларда ваканция концепциясы жоғары болғандықтан шынында да
қирау сублимация механикасының ваканционды механизмге өтуі мүмкін.
Жоғарыда айтылған Пинестің эксперимент нәтижелерін дәлелденген
мәліметтер деп айтуға болмайды. Яғни Пинестің еңбегінде u0-дің қалыпты
температурадағы мәні құйма металдарға анықталған сублимация энергиясына тең
екендігіне күмән тудырғаны орынсыз деп есептеуге болады.
Шынында да, жоғары температурада 12Тбалқу және механикалық кернеу
мәні төмен болған кезде 1-ші теңдеу орындалмайды. Онда болу орынды, яғни
орындалған кезде жарамдылық мерзім белгілі мәнге ие болар еді, ал
жоғары температурада жарамдылық мерзім өте кіші мәнге ие болар еді. Жоғары
температурадағы алынған нәтижелер бірінші теңдеуге бағынбайтын себебі [6-7]
еңбектерде қарастырылған.
Шынында да, [7-8] еңбекте күміске кейбір қоспаларды енгізгенде u0
өзгермейтіндігі және сублимация энергиясы өзгермейтіндігі анықталған. Бірақ
өздік диффузия активация энергиясы елеулі өзгереді, яғни u0және өздік
диффузия арасында қалыпты температурада ешқандай бір мәнді байланыс жоқ
екендігін көрсетеді.
Бұл бағытта u0-дің кез келген процестің активация энергиясымен
салыстыру дәлелді көзқарас деп есептеуге болады. Термоактивациялық талдау
теориясында активация энергиясын есептеу оның мәнін феноменологиялық
мәліметтермен, яғни жарамдылық мерзімінің кернеу мен температураға
тәуелділігінен анықталған u0-мен салыстыру тек бірдей құрылымға ие
үлгілерді зерттеу кезінде орын алады. Тек осы жағдайда, яғни бірдей
құрылымға ие кезде термофлуктуациялық акттың өту жылдамдығының
температураға тәуелділігі қарапайым Больцман заңына бағынады. Бұл жағдайда
құрылымның бірдей болуын тексеру тек үлгінің құрылым элементі анықталғаннан
кейін жүргізуге болады. Тек сонда ғана ол құрылымның зерттелетін
процестерге әсерін анықтауға болады.
Біз қарастыратын зерттеулерде құрылымның жарамдылық мерзімге әсерін
анықтауға болады. Бірінші теңдеу арқылы u0 шамасын анықтау, жоғарыда
көрсетілген шарттар арқылы анықтауды мынандай деп тұжырымдауға болады.
Алдын-ала анықталған мәліметтерде бірінші формуладағы γ- коэффициенттің
шамасын құрылым сезімтал коэффициенті деп қабылдап, белгілі күйдегі бір топ
үлгілерге, атап айтқанда алдын-ала күйдіру, прокаттау дәрежесі тағы басқа
өңделген үлгілердің γ- коэффициенттің мәндері бірдей деп қабылданады және
әртүрлі температурада және кернеуде жылжығыштық режимде сынаған кездегі
қираған үлгілері өзгермейді.
Бұрынғы жұмыстарды талдағанда гамма мен дән өлшемдері арасында
байланыс бар екендігі анықталған, яғни үлгінің дән өлшемі өзгерсе гамма
коэффициентінің өзгеретіні де анықталған. Бірақ металды әртүрлі
темпеартурада және кернеуде жарамдылық мерзімін анықтауға зерттеу процесі
барысында дән өлшемінің тұрақтылығы анықталмаған. Тек γ-ның үлгі дәнінің
өлшемімен байланысы бар екендігі анықталған.
Жарамдылық мерзімге нақты құрылымның әсерін зерттеуде құрылым
түрлерінің ішінде құрылым түрінің деформацияланған металдарда иондық
коваленттік моно және поликристалды денелерде бірдей жалпы қасиеттерін
анықтайтын құрылым түрлеріне назар аударған жөн.
Әдебиеттегі мәліметтерді талдау барысында көптеген кристалдық
материалдарда блок құрылымы кездеседі, ол құрылым кристалл торында
дислокацияның көлем бойынша біртексіз таралуынан келіп шығады. Жобамен блок
салыстырмалы түрде дислокациясы жоқ кристалл торының бөлігін дислокация
тығыздығы жоғары бөлігінің шекарасын көрсетеді. Сонымен қатар блок
шекарасындағы бір таңбалы дислокациялар блоктардың орналасуында бір-бірінен
бұрылу шамасын анықтайды. Ол бір таңбалы дислокациялардың концентрациясы
жоғары болса, блоктың бұрылуы да жоғары.
Хирщтің ой-пікірі бойынша блоктың бұзылуы шамасы кристалдардың
деформациясына, қирауына елеулі әсер етеді деп есептейміз. Бірақ қазіргі
таңда блоктың бұрылу шамасы кристалдың беріктілігі мен байланыстылығын,
сонымен қатар бірінші теңдеудегі γ- коэффициентімен байланысы бар екендігі
зерттелмеген. Зерттелмеген себептің бірі–блок бұрылуын нақты анықтайтын
тәсілді табу қиындығында, әсіресе поликристалды минералдар үшін. Әрине
жарамдылық мерзімді шектейтін құрылым элементін табу өте қажет, бірақ u0
шамасын жан-жақты талдауға жеткіліксіз.
u0 –ді жеткілікті дәрежеде талдауға жүйелі түрде ол шаманың тек
поликристалды металдарға ғана емес, сонымен қатар көптеген ионды,
ковалентті, металдық, молекулааралық (ВДВ)әсерлесуге ие моно және поли
кристалдарды зерттеуді қажет етеді. Сонымен қатар u0-дің шамасына
материалдың күйін анықтайтын негізгі параметрлердің, яғни қысым мен
температураның әсерін білуді қажет етеді. u0-ге кристалды механикалық және
термикалық өңдегенде, әртүрлі қоспаларды кристалға енгізгенде, фазалардың
бөлінуі, аллатропиялық өтулер арқасындағы кристалл құрылымының өзгеруі u0
шамасына әсерін анықтауды қажет етеді.
Шынында да, жоғарыда айтқанымыздай жарамдылық мерзімінің
температураға және кернеуге тәуелділігі жөніндегі мәлімет және активация
энергиясын талдауға арналған еңбектер аса көп еместігі, сонымен қатар ол
мәліметтер нәтижелері бір-бірімен қайшылығы бар екендігі анықталған. Ал
қирау активация энергиясын анықтағанда материалдардың құрылымы жөнінде
зерттеулер жасалынбаған.
Бұл бағытта тек феноменологиялық зерттеу жүргізу жеткіліксіз. Бірақ
материалдардың қирау кинетика табиғатын талдауда, дәлелдеуде қажетті
мәліметтерді береді. Ол мәліметтерді нақтылау мақсатында тікелей физикалық
тәсілдерді қолдануды қажет етеді.
Атом деңгейдегі физикалық тәсілдер микродеңгейдегі қирау элементінің
пайда болуын және ол элементтердің дамуын зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл
бағыттағы зерттеулер 70-жылдары басталып, ол тәсілдер бірін-бірі
толықтырады және бірін алған мәліметін бірі тексеріп отырады.
Бұл зерттеу тәсілдері негізінен қираудың бастапқы кезіндегі өтетін
мәліметтерді анықтайды. Ол мәліметтер кіші өлшемдегі тұрақты сызаттардың
пайда болуымен байланысты ол сызаттарды сызат ұрығы деп атайды. Сол
микросызаттардың пайда болуын олардың өлшемдері, концентрациясы, формасы,
материал көлемі бойынша өлшемдерінің таралуы материалдың жарамдылық
мерзімін анықтау барысында жоғарыда айтылған сызаттардың өзгеру
заңдылықтары сонымен қатар қирауға қарама-қарсы микросызаттардың емделу
процестерін зерттеуді қажет етеді.
Металдар мен кристалдарда микросызаттардың болуы соның арқасында ол
кристалдардың нақты беріктілігі теориялық беріктіліктен төмен болуының
себебі ертеде қарастырылған. Кристалл материалдарында сызаттардың пайда
болуын пластикалық деформациясының оқшаулануымен байланыстырған .
Бұл еңбектегі идеяларды нақтылау мақсатында дислокация теориясы
арқылы сызаттардың пайда болуын дәлелдеу мақсатында бірнеше механизмдер
ұсынылған. Бірақ қатты денелердің ішінде микросызаттардың болу идеясы
ертеде айтылмағанымен және сонымен қатар ол сызаттардың пайда болу
механизмін ұсынғанмен микросызаттар жөнінде яғни олардың пайда болуы және
дамуы жөнінде эксперименталдық мәліметтер жоқтың қасы. Сондықтан жоғарыдағы
айтылған бастапқы қирау кездегі заттың пайда болуы және дамуы зерттелмеген.
Зерттелмеудің бірден-бір себебі, микросызатты көру тәсілдерінің
қиындығы мен күрделілігінде деп есептеуге болады. Дегенмен, қазіргі кездегі
кездесетін микросызатты анықтайтын мәліметтерге тоқталайық.
Микрон және одан да үлкен әрбір сызаттар [8] еңбектерде пайда болуын
дислокациялық механизммен қарастырылған болса, оларды эксперимент арқылы
көру ионды LiFжәне MgO кристалдарда В.Н.Рожанскийдің және т.б. ғалымдардың
еңбектерінде анықталған.
Р.И.Гарберд, И.В.Обреимов, Л.М.Поляков еңбектерінде бірнеше
тәсілдермен, атап айтқанда жарық сәулесінің шашырауы, электрондық
микроскопия және тығыздықты өлшеу тәсілдерімен бөлме температурасын
(18температурада) NaCl кристалында оны қысқан кезде пайда болған
микросызаттар зерттелген. Зерттеу нәтижелеріне қарағанда деформацияның
басында-ақ үлгінің көлемінде 200-ден 1000 Å өлшем аралығында сызаттар
пайда болғаны анықталған. Бірақ бұл сызаттардың концентрациясы, олардың
жинақталуы және бастапқы қирау кезіндегі басқа да мәліметтер бұл еңбектерде
қарастырылмаған. Сондықтан жарық сәулесінің кристалда шашырауын
микросызатпен байланыстыру біршама күмән тудырады. Ол жөнінде Н.И.Абаев,
Н.И.Корнфельт сияқты зерттеушілер ескерткен.
И.А.Одюнг, Ю.П.Либеров еңбектерінде электрондық микроскопия және
тығыздықты электрокедергіні өлшеу арқылы бөлме температурасында
поликристалды никель, мыс, алюминий, темір металдарын бір бағытта созған
кезде пайда болған микросызаттар анықталған. Алынған мәліметтерге қарағанда
зерттелген материалдардың деформациясы қираған кездегі деформациямен
жобамен 20-30% деформациясына жеткен кезде металдар ретінде ұзындығы 2-7
мкм және ені 0,1 мкм микросызаттар пайда болғаны анықталған. Бірақ жоғарыда
айтқанымыздай ол сызаттардың қирау басталғандағы концентрациясы, олардың
жинақталуы және басқа да мәліметтер анықталмаған.
Жоғарыда көрсетілген еңбектерде әртүрлі тәсілдермен микросызаттардың
пайда болуын анықтағанмен ол сызаттардың пайда болуы әртүрлі тәсілдерде
түрлі екендігі байқалған. Мысалы, жарық сәулесінің шашырауы арқылы
анықталған микросызаттан ерте басталатындығы байқалады.Микросызаттар
жөніндегі мәліметтерді талдай отырып, деформацияланған металдарда өлшемі
1мкм-ден төмен сызаттардың болуын жарықтандыру электрондық микроскопта жұқа
полировкаланған үлгілерде болатыныВ.П.Северденко, Э.К.Точицкий, В.И.Елин,
Л.Г.Орлов еңбектерінде айтылған.Орта кернеуде температурада металдарды
елеулі бір бағытта созған немесе қысқан кезде сызаттардың пайда болғанын
жоғарыдағы еңбектерден көре аламыз. Кристалды материалдардың жарамдылық
мерзімін жоғары температурада және аса үлкен емес кернеуде микросызаттардың
пайда болу кинетикасы анықталған. Яғни сызаттардың пайда болу кинетикасы
жоғары температурада жылжығыштық режимде анықталған (σ,T=const). Бұл
режимде салыстырмалы үлкен өлшемді сызаттар (бірнеше микрон немесе бірнеше
ондаған микрон өлшемге ие зат) зерттелген. Бұл еңбектерде оптикалық және
электрондық микроскопия арқылы, сонымен қатар деформациядан материалдың
тығыздығының өзгеруін өлшеу арқылы кеуектердің және сызаттардың жинақталуы
жобамен үлгінің деформациясына тәуелділігі анықталған. Кеуектер – кез
келген дене ішінде бар болады. Ал сызат сырттан күш әсер еткенде пайда
болады. Ал олардың пайда болуы деформация басында орын алады, яғни
жылжығыштың екінші кезеңінің басында пайда болады.
Сонымен кристалды денелерде, әсіресе кіші өлшемді сызаттардың пайда
болуын еңбектердің саны санаулы екендігін айтуға болады. Ал әртүрлі
температурада және кернеуде үлгінің жарамдылық мерзімімен байланыстыратын
сызаттың пайда болуы және дамуы жөнінде мәліметтер жоқ. Бірақ жылжығыштық
режимде материалдың жарамдылық мерзімінің температура мен кернеуге
тәуелділігі заңымен микросызаттардың пайда болуы, олардың өсуі және
концентрациясының өзгеруі мәліметтерімен байланыстырса, дененің қирау
кинетикасының физикалық табиғатын анықтауға біршама мәлімет беретіндігі
айтпаса да белгілі.
Осы бағытта беріктіліктің уақытқа тәуелділік табиғатын айтуда
әртүрлі көзқарас бар екендігін ескерту қажет. С.Н.Журков, Б.Н.Нарзуллаев,
Регель, Г.М.Бартенов, Г.П.Санфирова, Э.Е.Томашевский, Б.Я.Левин және
Б.Я.Пинес, Л.С.Мороз, Ю.Д.Хесин, Т.К.Маринец сияқты ғалымдардың
көзқарастарынан басқа беріктіліктің уақытқа тәуелділігі пластикалық
деформация кинетикасының көрінісі деп есептейді. Қирау кинетикалық және
сонымен қатар атермикалық (температураға тәуелсіз) құбылыс деп
қарастырылады. Осы көзқарастардың бірінде микросызаттар тек ақырғы үшінші
кезеңдегі жылжығыштың басталуымен байланыстырылады. Мысалы, Ф.Горофало
көзқарасы сондай. Ал бірқатар ғалымдар атап айтқанда, Журков, Бартенов,
Пинес, Б.М.Ровинский, Л.М.Рыбакова, Ю.Н.Роботнов микросызаттар дене
жүктелгеннен бастап пайда болады деп ойлайды.Қорытындылай келе,
кристалдардың қирау кинетикасын анықтау мақсатында феноменологиялық
микроқұрылымдық зерттеу нәтижелері жоғарыда айтқанымыздай бір– біріне
қарама–қарсы көзқарастарды тудырады. Сондықтан кристалды материалдардың
қирауында белгілі бір ой–пікір қалыптаспаған себепті кристалды денелердің
жарамдылық мерзіміне кернеу мен температураның әсерін анықтау жұмыстың
негізгі мақсаты болып табылады.Жұмыста атомдары әртүрлі табиғатқа ие
байланыстары бар кристалдар, сонымен қатар торлары әртүрлі кристалл
құрылымының дамуы әртүрлі, яғни моно және поли кристалдар олардың
пластикалық және морт күйлеріндегі жарамдылық мерзімге температура мен
кернеудің әсері зерттелген.
Диплом жұмыстың мақсаты:
- Қирау заңдылықтарын әсіресе жарамдылық мерзімінің бастапқы
кезіндегі пайда болған микросызаттарды анықтау жарамдылық мерзім
механизімін және оның табиғатын анықтаудағы ең негізгі мәселе болып
табылады.
- Сондықтан да анықталған кіші өлшемді заттар үлкен дәлділікпен
анықтауды қәжет етеді.Себебі металдарды және кристалдардың жарамдылық
мерзімін анытауда үлгінің ішінде микросызаттардың қанша екендігін
және өлшемдері қанша екендігін білу дененің қирау мәселесінде
негізгі мәселе болып табылады.
- Сондықтан да оларды анықтау тәсілдерді қолдануды қәжет
етеді.Микросызаттарды анықтауға қажетті тәсілдерді таңдау және
оларды қолданып микросызаттарды анықтап сынау барысында қирау
процесін микросызаттармен байланыстыру диплом жұмысымның негізгі
мақсаты болып табылады.
1 Қатты дененің ішкі құрылымы. Кристалл торы
Қатты денелердің ішкі құрылымын сипаттау үшін кеңістік немесе кристалл
торы деген түсінікті енгізу ыңғайлы. Кристалл торы кеңістік торын құрайды,
тордың түйінінде бөлшектер (атом, молекула) орналасқан болады, сонымен
қатты денені құрайды.
.
Сурет 1.1- Элементар немесе негізгі тор ұяшығы
Қалың сызықпен ең кіші параллелепипед көрсетілген, бұл
параллелепипедтің өзінің үш осі бойынша орын ауыстыруымен барлық кристалды
құруға болады. Бұл параллелепипедті элементар немесе негізгі тор ұяшығы
деп атайды. Бұл тор ұяшығын сипаттау үшін 6 шаманы беру керек: үш қырын (а,
в, с) және осьтер арасындағы бұрыштарын ((, (, (). Бұл шамаларды тор
параметрлері деп атайды. Қарапайым тор түріне куб торы жатады, мұнда а = в
= c және ( = ( = ( = 90º. Кейбір жағдайда тордың симметриясын нақты
айқындау мақсатында элементар тор ұяшығын құрғанда олардағы бөлшектер
тек тор шыңдарында ғана орналаспай, тағы тор ұяшығының басқа нүктелерінде
де орналасқан болады. Мысалы, көлем центрленген торда кеңістік
диагональдардың қиылысқан нүктесінде қосымша бір бөлшек орналасқан болады
(1.2.б –сурет), жақ центрленген торларда жақ диагональдарының қиылысқан
нүктелерінде қосымша бөлшектер орналасқан болады (1.2.в –сурет), т.б. Енді
түйіндерді, бағыттарды және тордың жазықтықтарын белгілеуді қарастырайық.
Бұл белгілеулерді Миллер индекстері деп атайды.
Сурет 1.2–Жақ центрленген торларда жақ диагональдарының қиылысқан
нүктелерінде қосымша бөлшектер орналасқан болады
Тор индекстері. Координата басынан алынған кез-келген тор түйінінің
орнын оның x, y, z координатасымен анықтайды. (1.3-сурет)
Сурет 1.3-1.4- Координата басынан алынған кез-келген тор түйінінің
орнын оның x, y, z координатасымен анықтайды
Бұл координаттарды мынадай түрде жазуға болады:
x = ma, y = nb, z = pc
(1.1)
мұндағы a, b, c – тор параметрлері, m, n, p – бүтін сандар.
Ось бойымен өлшенетін бірлікті метр деп есептемей, бірлік ретінде
тордың a, b, c параметрлерін алсақ, онда тор координаталары m, n, p бүтін
сандар болады. Бұл сандарды түйін индекстері деп атайды және былай
жазылады: [[mnp]]. Теріс индекс болса, теріс таңба индекс төбесіне
қойылады: [[mnp]].
Бағыт индекстері. Кристалдағы бағытты сипаттау үшін координата басынан
тура сызық алынады. Ол сызықтың орналасуын бірінші түйіннің mnp индексі
анықтайды, сызық сол бірінші түйіннен өтеді (1.3.-сурет). Сондықтан
түйіннің тор индекстері бағыт индексі де болады. Бағыт индексін [mnp] -
мен белгілейді. Бағыт индексінің анықтамасы бойынша оны үш ең кіші бүтін
сан анықтайды екен, бұл сандар осы бағыттағы ең жақын түйіннің
орналасуын анықтайды. Мысалы, координата басынан және [[435]] түйіннен
өтетін бағыт индексі [435] болады.
Мысал ретінде куб торының негізгі бағыттарын көрсетуге болады (1.4.-
сурет). Тор осьтерінің индекстері: ОХ осінің индексі [100], ОУ осінің -
[010], OZ осінің - [001]. Жақ диагональдарының индексі: вс жағы
диагоналының индексі [011], ас жағы диагоналының - [101], ав жағы
диагоналының - [110], кеңістік диагоналының индексі - [111].
Кристалл жақтарының индекстері. Кристалл жақтарының орнын кристалл
торының осьтерін қиып өтетін А, В, С кескіндер анықтайды. Мұндай жазық
теңдеуінің түрі мынадай болады:
(1.2)
Мұндағы X, Y, Z – осы жазықта жататын нүктенің координаталары. Егер
кристалл жазығы (жағы) тор түйінінен өтетін болса (тек сондай жақтар
қарастырылады), онда жазықта жататын кез-келген түйіннің координаталары
түйін индекстеріне тең:
x = m, y = n, z = p.
Сондықтан жазық теңдеуін мынадай түрде жазамыз:
(1.3)
m, n, p бүтін сан болғандықтан, (1.3) теңдеу 1А, 1В, 1С қатынастар
рационалды сандар болуы керек, олардың қатынастарын h, k, l үш бүтін сан
қатынастарымен ауыстыруға болады:
(1.4)
Осы h, k, l сандар кристалл жазықтарының индекстерін береді, олар былай
белгіленеді: (hkl). Жазық индекстерін былай анықтайды: тор осьтеріндегі
жазықты қиып өтетін ось бірлігімен алынған А, В, С кескіндерді сол
кескіндердің кері мәндеріне сәйкес, яғни 1А, 1В, 1С етіп жазады. Алынған
1А, 1В, 1С бөлшектерге ортақ бөлім табады. Ортақ бөлім Д болсын дейік,
онда бірінші бөлшекке ДА, екіншіге ДВ, үшіншіге ДС болады. ДА, ДВ,
ДС бүтін сандар кристалл жазығының h, k, l индекстері болады, яғни
(1.5)
Мысалы: 1. Тор осьтерін қиып өтетін A=1, B=2 және C=3 кескіндерге
сәйкес кристалл жазықтығының индексін анықтайық.
Шешім: - рационал сандар, онда жалпы бөлгіш 6 болады. Олай болса,
яғни h=6, k=3, l=2, жазық индексі (632) болады екен.
2. Тор осьтерін қиып өтетін A=12, B=2 және C=13 кескіндерге сәйкес
кристалл жазығының индексін анықтайық.
Шешім: -рационалды сандар. Ортақ бөлім 2 болады, онда
жазық индексі (416).
(1.5) қатынастан тор осінен өтетін жазықтықты қиып өтетін кескінді
сол жазықтың индексімен анықтауға болатыны көрініп тұр, яғни
(1.6)
Сондықтан жазық индексі (hkl) арқылы тор осьтерін қиып өтетін
кескіндерді анықтау үшін индекстердің кері мәнін жазып, яғни , олардың
ортақ бөлімін (Д) анықтайды. Онда (1.6) теңдеулер арқылы кескіндер
анықталады:
3. Тор осіндегі (123) жазықты қиып өтетін кескіндерді анықтайық.
Шешім: Жазық индексінің кері мәнін жазамыз: 11, 12, 13. Онда
кескінде тең. Координат осьтеріне параллель жазыққа сәйкес индекс
нольге тең. Мысалы (110) жазық ОZ осіне параллель, (011) жазық ОХ осіне
параллель, т.б.
Сурет 1.5-Куб торларының негізгі жақтарының индекстері
Сурет 1.6- Гексагональды кристалдардың жазықтарын белгілеу үшін 4
негізгі координата жүйесі қолданылады
Мысал ретінде куб торларының негізгі жақтарының индекстерін анықтайық
(1.5.-сурет). Куб жақтарының индекстері: с жақтың индексі – (001), а
жақтың индексі – (100), в жақтың индексі – (010). Жақтың диагоналынан
өтетін жақтың индексі (ромбалық додекаэдр жағының индекстері: (110), (101),
(011), т.б. осьтерді бірлік қимамен қиып өтетін жазықтардың (октаэдр
жазықтарының) индекстері: (111), (), (), (), т.б.
гексагональды кристалдардың жазықтарын белгілеу үшін 4 негізгі координата
жүйесі қолданылады (1.6.-сурет): үш (а1, а2, а3) бір-біріне 120º жасаған
ось, бұл осьтер алты жақты призманың бетінде жатады (базис жазықтығы), ал
төртінші ось (с) базис жазықтығына перпендикуляр. Әрбір жазық 4 индекспен
белгіленеді: hkіl. Қосымша индекс і үшінші орынға қойылады, бұл индекстің
мәні h және k индекстер арқылы есептеледі: і=-(h+k). а1, а2, а3
осьтеріне параллель базис жазығының индексі (0001) болады. Призма бүйірінің
жағына параллель жазықтың индексі мынадай типті болады: (10-10). Мұндай бір-
біріне параллель емес беттер (жазықтар) үшеу; оларды бірінші типтегі
(жазықтар) беттер деп атайды.
1.1 Қатты денелердегі анизотропия. Моно және поликристалды қатты
денелер. Химиялық элементтердің кристалдық құрылымдары
Қатты денелердің бөлшектері кристал торында біртекті қатар-қатар
орналасқан деп есептейік (Кристалдардағы ақауларды ескермейміз).
Сурет 1.7- Қатты денелердің бөлшектері кристал торында біртекті қатар-
қатар орналасуы
О нүктесінен ОА, ОВ, ОС, т.б. бағытта сызық өткізейік. Әрбір бағытта
бірлік арақашықтықта кездесетін бөлшектер саны әртүрлі жиі кездесетін
бөлшектер ОА бағытта, ал сирек кездесетін бөлшектер ОС бағытта. Әрбір
бағыттағы қатты денелердің қасиеттерін бөлшектердің сол бағытта қаншалықты
тығыз орналасуы анықтайтын болғандықтан, алынған бағыт бойынша қатты
денелердің қасиеттері әр түрлі болуы керек. Дене қасиетінің бағытқа
тәуелділігін (қасиеттің бағыттылығын) анизотропия деп атайды.
Арнайы жағдайда қатты денелерді бір кристалл түрінде өсіруге болады,
яғни монокристалл түрінде. Бірақ көп жағдайда ерітінділерде (балқыған
денелерде) бір мезгілде көптеген кристаллизацияланатын орталықтар пайда
болып, көптеген өзінше бөлек кристалдар болуына алып келеді. Бұл
кристалдардың өсуінің арқасында олар бір-біріне жақындай түседі. Сонымен
көптеген бөлшектер пайда болады, яғни поликристалл. Өскен кристаллиттер
(дәндер) әр түрлі формада болады, сыртқы көрінісі ішкі ретті құрамына
сәйкес келмейді. Себебі олардың (дәндердің) орналасуы суытылған ерітіндіде
(сұйық күйдегі затта) кристаллизация орталығы кездейсоқ орналасқан болады,
өскен дәндердің өзара орналасуы да кездейсоқ болады. Сондықтан
поликристалдарда олардың қасиеттері кристалл бағытына елеулі тәуелді болуы
байқалмайды, яғни олар изотропты болады[8].
Сонымен қатар өскен дәндердің әр түрлі бағытта болғандығы дәндер
(кристаллиттер) шекарасында кристаллиттер шекарасы деп аталатын әр түрлі
қалыңдыққа ие қабаттар пайда болады. Бұл дән шекаралары поликристалл
агрегатының механикалық қасиетінің қалыптасуына елеулі әсер етеді. Өте
таза, қоспа атомдардың болуы жоқтың қасы болғанда да дәнаралық қабатындағы
тор дән торына қарағанда елеулі ауытқыған болады. Бұл тор ауытқуы бір атом
аралығымен шектелмейді, бірнеше атом аралықтарына дейін орын алады. Бұл
торлары ауытқыған атомдармен дән шекарасындағы атомдар бір-бірімен
әсерлеседі. Дән шекарасындағы ретсіздік дәрежесі үлкен (жоғары) болған
сайын, ретсіздік көлемі (ретсіздік қабыршақтың қалыңдығы – ені) үлкен (кең)
болады және олардың тор ауытқулары ұлғаяды, яғни тор ауытқу дәрежесі өседі.
Кристаллит тор жолағындағы ауытқулар бұл жолақта артық еркін энергияның
шоғырлануына (локализация) алып келеді. Еркін энергияның шоғырлануы бірнеше
тәжірибелерде дәлелденген. Мысалы, Галмерс өте таза қалайының (олово) дән
шекаралары дәннің балқу температурасынан төмен температурада балқығанын
анықтаған. Дән шекарасы бойынша өтетін диффузия жылдамдығы, көлем бойынша
өтетін диффузия жылдамдығынан жоғары. Рекристаллизация кезіндегі жаңа дән
өсуі ескі дән шекарасында басталады немесе интенсивті пластикалық
деформация өткен жерде басталады, ал рекристаллизация ескі кристалл
торларын өзгертеді. Егер металда қоспа атомдар болса, онда кристаллизация
кезінде қоспа атомдар дән шекараларына орналасады, соның арқасында
кристаллиттер (дәндер) аралығында құрамдары да, қасиеттері де дәндерге
қарағанда өзгеше жолақтар пайда болады.
Химиялық элементтердің кристалдық құрылымдары. Қатты күйдегі химиялық
элементтер ішкі ретті құрылымды кристалдық денелерді құрайды. Кристалл
құрылымының түрін негізінен құрылым бөлшектердің (атомдар, иондар,
молекулалар) арасындағы байланыс күшінің түрі (характері) анықтайды. Бұл
бөлшектер арасында 4 негізгі байланыс болғандықтан 4 типті кристалл торын
құрайды: ионды немесе координационды тор, бұл торда атомдар арасындағы
негізгі байланыс ионды болады; поляризационды немесе молекулярлы тор;
мұндағы молекулалар арасындағы байланыс Ван-дер-Вальс күштері арқылы
болады; валентті байланысты атомдық тор және металды байланысты металл
торлары болады. Таза бір күш түрімен байланысқан, яғни өзара әсерлесетін
атомдарды сирек кездестіретін секілді, құрылым түрлерінде де таза бір типті
тордың кездесуі де өте сирек. Көп жағдайда тор өткінші (переходной) болып
келеді, яғни тордың өткінші болуы атомдар арасындағы байланыстың түрі екі
немесе бірнеше болудың арқасында химиялық элементтердің кристалдық
құрылымын жобамен 4 классқа бөлуге болады.
Кесте 1.1- Химиялық элементтердің кристалдық құрылымдары
IA IIA IIIA IVA
Бұл құрылымдарды талдауды IV класстан бастаған ыңғайлы. Бұл классқа
инерт газдардың құрылымы жатады. Инерт газдардың сұйық күйге және кристалға
айналғанда электрондары симметриялы сфералық қабыршақтары бар атомдар
арасындағы байланыс әлсіз Ван-дер-Вальс күштің пайда болуынан болады. Бұл
күштің әсерінен симметриялық атомдар тығыз орналасқан жақ центрленген куб
торын құрайды (1.2-сурет).
Тордағы әрбір атомды оған жақын орналасқан 12 атом қоршайды. Атомға
жақын орналасқан атомдардың санын тордың координациялық саны деп атайды.
ІІІ-класс. Бұл классқа қысқа периодтан кремний және көміртегі IVB
топтан германий және қалайы және VB, VІB және VІІB топтарындағы барлық
элементтер жатады. Бұл класстағы барлық элементтер 8-N ережесіне сәйкес
кристаллизацияланады, яғни тордағы әрбір атом 8-N жақын атомдармен
қоршалған, мұндағы N - сол элемент орналасқан топтың нөмірін білдіреді.
Мысалы, алмаз, кремний, германий және сұр қалайы N топтың элементтеріне
жатады. Сондықтан олардың торының координациялық саны 8-4=4 болады.
Шынында да, бұл элементтердің барлығы тэтраэдралық торға ие, мұнда әрбір
атом 4 жақын атомдармен қоршалған (1.8. а-сурет).
Сурет 1.8- Әрбір атом бір жазықта 1,2,3,4 жақын атомдармен қоршалған
Мышьяк, фосфор, сурьма және висмут периодтық жүйенің V тобында
орналасқан, торларының координациялық саны 8-5=3 тең. Бұларда әрбір атом
бір жазықта 3 жақын атомдармен қоршалған (1.8. б-сурет).
Торлары жұқа қабыршақтардан тұрады. Атом қабыршақтары бір-бірімен Ван-
дер-Вальс күші арқылы байланысқан. Селен және теллур VІ топта орналасқан,
торларының координациялық саны 2-ге тең. Олардың атомдары ұзын спираль
тізбектерден тұрады. Тізбектегі әрбір атомды жақын екі атом қоршайды (1.8.
в-сурет).
Тізбектер өзара Ван-дер-Вальс күштерімен байланысқан. Ал иод VІІ топқа
жатады. Иодтың координациялық саны бірге тең. Иодтың торында қос-қос
атомдар орналасады (1.8. г-сурет).
Бұл қосақталған атомдар бір-бірімен Ван-дер-Вальс күштерімен
байланысқан болады. Сондықтан да иодтың тез буланып ұшып кетуіне алып
келеді.
8-N ережесі арқылы химиялық элементтердің кристаллизациялануын оңай
түсінуге болады. Мысалы ІV топтағы элемент атомының сыртқы қабыршағында 4
электрон орналасқан. Тұрақты 8 электронды конфигурацияны құрастыру үшін
тағы 4 электрон жетіспейді. Бұл кемшілікті толтыру үшін жақын орналасқан 4
атомдардың электрондарымен өзара алмасады (1.8. а-сурет). Сондықтан да
кристалл торындағы әрбір атом 4 жақын атомдармен қоршалған. Осы сияқты 8
электронға дейін сыртқы атом қабыршақтары Менделеевтің периодтық
кестесіндегі V, VІ, VІІ топтардағы элементтердің атомдары толтырылады.
І-класс. Бұл классқа көп элементтер жатады, олар - металдар. Металл
торларында атомдар емес, олардың иондары орналасқан. Олар инертті газдар
секілді сфералық симметрияға ие. Сондықтан металдар кристаллизация кезінде
инертті газдар секілді тығыз орналасқан торға ие деп күтуге болады. Шынында
да, металдар 3 түрлі кристалл торларына ие. Координациялық саны 12-ге тең
жақ центрленген куб (1.2. в-сурет), координациялық саны 12-ге тең
гексагональды тығыз орналасқан тор (1.2.-сурет) және 8 координациялық санға
тең көлем центрленген куб (1.2. б-сурет). Бұл ең ұлпа торлы металл
(кеңістікті атомдармен толтыру мағынасында). Идеал гексагональды торда
тең.
ІІ-класс. Бұл класстағы химиялық элементтер металл мен ІІІ класстағы 8-
N ережемен кристаллизацияланатын элементтер арасындағы аралық кристалдарға
жатады. ІІВ топтағы Zn, Cd, Hg металдар, олай болса олар жоғары
координациялық санға ие металл торларының біріне жатуы керек. Ал шындығында
Zn және Cd кристаллизацияланғанда ерекше гексагональды компакты құрылымға
ие болады. са=1,633 болмай, бұл қатынас 1,9 тең болады. Бұл кристалдардың
координациялық саны 12-ге тең болмай, 6-ға тең, яғни 8-N ережеге
сәйкес келеді.[4] Бұл атомдар базис жазықтығында орналасқан болады. Ал
сынапқа (Hg) 8-N ереже толығымен орындалады, ол қарапайым ромбоэдрикалық
құрылымға ие, мұнда әрбір атом 6 жақын орналасқан атомдармен қоршалған,
яғни координациялық сан 6-ға тең. Бор ІІІВ топқа жатады, оның торы
деформацияланған, әрбір атомы 5 жақын атомдармен қоршалған тормен
сипатталады, яғни тордағы атомдардың орналасуы 8-N ережеге сәйкес келеді.
Ерекше топтарға алюминий, индий, талий және қорғасын элементтердің
торларын жатқызуға болады. Олардың барлығы металдың немесе аз шамаға
деформацияланған металдың құрылымына ие, бірақ бұл элементтердің атомдары
кристалдарда жарым-жартылай ионизацияланған болуы мүмкін. Себебі олардың
атом ара қашықтығы ол элементтердің алдындағы элементтер атомдарының ара
қашықтығынан үлкен болып келеді. Мысалы, алюминий торының параметрі а=4,04
Å болса, оның алдындағы магнийдікі а=3,2 Å, индийдікі а=4,87 Å болса, оның
алдындағы кадмийдікі а=2,97 Å, қорғасындікі а=4,94 Å болса, оның алдындағы
сынаптікі а=3,83 Å.
Әр түрлі кристалл құрылымы болуының себебін түсіндіру мақсатында
көптеген теориялық зерттеулер болған. Солардың ішінде ең қарапайым таза
металдарға кванттық механика арқылы атомдардың әр түрлі орналасуына
анықталған атомдар арасындағы әсерлесу энергиясына қарағанда, кристалл
құрылымының тұрақтылығына жүйенің (кристалдың) энергиясы минимальды болуы
сәйкес келуімен дәлелденген.
Таза металдардың және интерметалды қосындылардың құрылымын түсіндіруде
Юм-Розери өзінің ерекше ұсынысын жасаған. Юм-Розеридің гипотезасы
электрондық концентрация түсінігіне негізделген. Тордың бір атомына келетін
валенттік электрондардың санын электрондық концентрация деп атайды. Металл
торының түйінінде орналасқан оң заряды бар иондардың электрон газдармен
бірін-бірі тарту күшін тудыратын себебі, электрондық концентрациясы бірдей
әр түрлі металдардың және қоспалардың байланыс күштері ұқсас болады және
олардың кристалдық құрылымы бір типті болады. Эксперимент нәтижелері бұл Юм-
Розери ұсынысының дұрыс екенін дәлелдейді. Менделеевтің периодтық
кестесіндегі бір топта орналасқан химиялық элементтердің валенттік
электрондары бірдей және олар негізінен бір құрылымға сәйкес
кристаллизацияланады (1.1-кесте). AgZn, Cu3Al, Cu3Sn және басқа көп
интерметалды қосындылардың электрондық концентрациясы, жобамен 1,5 тең және
олардың кристалдық құрылымы бірдей – көлем центрленген куб. AgCd3, CuZn3
т.б. интерметалды қосындылардың электрондық концентрациясы 1,75 тең, олар
гексагоналды тығыз орналасқан құрылымға ие, т.с.с.Бірақ электрондық
концентрация ережесі барлық жағдайда орындала бермейді, кейбір кезде бір
топта орналасқан элементтердің кристалдық торы әр түрлі болады. Сонымен
қатар электрондық концентрациясы бірдей, бірақ кристалдың құрылымы әр түрлі
көптеген қосындыларды көрсетуге болады. Бұл мәліметтерге қарағанда,
кристалл құрылымын тек электрондық концентрация анықтай алмайды, сонымен
қатар құрылымға тор элементтері арасындағы өріс күші де (оның
интенсивтілігі, геометриясы), т.б. факторлар да өзінің әсерін тигізеді.
Полиморфизм құбылысы. Бірнеше қатты денелерде екі және одан да көп
кристалдар құрылымына және қасиеттерге ие, әрбір құрылым әр түрлі
температурада және қысымда тұрақты болады. Мұндай құрылымдарды полиморфты
форма немесе заттың модификациясы деп атайды, ал бір модификациядан екінші
модификацияға өтуді полиморфты түрлену деп атайды.
Полиморфты модификацияны грек әрпімен белгілеу қабылданған: қалыпты
және төменгі температурада тұрақты модификация (-мен белгіленеді, ал жоғары
температурадағы тұрақты модификацияларды сәйкесінше (, (, ( және т.б.
әріптермен белгілейді. Полиморфизмге классикалық мысал ретінде қалайыны
алуға болады. 13,3(С температурадан төмен температурада қалайының (
модификациясы тұрақты болады, бұл кезде қалайының құрылымы алмаз типті
тетрагональды куб торға ие. Бұл қалайыны сұр қалайы деп те атайды. Мұндай
құрылымды қалайы морт болып келеді және ұнтаққа айналып оңай қирайды;
13,3(С температурада (-Sn қалайының модификациясы (-Sn модификациясына
айналады, құрылымы көлем центрленген тетрагональды торына ие болады. (-Sn
модификациялы қалайыны ақ металды қалайы деп те атайды, ол пластиктивті
болып келеді. (-Sn-нен (-Sn модификациясына өту барысында салыстырмалы
көлемі елеулі өзгереді (шамамен (25(). Бұрынғы кезде көп заттар қалайыдан
жасалған (мысалы әскери киімдердің түймелері, т.б.) төмен температурада
заттардың бетінде бөртпелердің (наросттың) пайда болуы және заттың төменгі
температурада ұнтаққа айналып, қирауын байқаған, бұл құбылысты
түсінбегендіктен, металдың белгісіз ауруы деп, оны қалайылы чума деп
атаған. Қалайыдан басқа полиморфизм қасиетіне көптеген басқа да химиялық
элементтер ие, мысалы: көміртегі, темір, никель, кобальт, вольфрам, титан,
бор, бериллий, т.б., сонымен қатар көптеген химиялық қосындылар және
қоспалар. Теориялық көзқарас бойынша, полиморфизм барлық қатты денелерде
болу керек еді, егер олардың қатты күйде тұрақты болып қалу мүмкіндігі
олардың балқу және сублимация процестерімен шектелмеген болғанда.
Полиморфизм құбылысының болуы кристалды қыздырғанда немесе қысыммен әсер
еткенде атомдардың қозғалу интенсивтілігінің өзгеруінің арқасында және
атомдар ара қашықтығының өзгеруі кристалл торындағы атомдар арасындағы
байланыс күштің және оның интенсивтілігінің өзгеруіне алып келуімен
байланысты, басқаша айтқанда температура мен қысым атомдардың қозғалысын,
атомдар ара қашықтығын өзгертеді, ал бұл өзгеріс атомдар арасындағы күшті
және оның интенсивтілігін өзгертеді, ал бұл өзгеріс атомдар арасындағы
күшті және оның интенсивтілігін өзгертеді, ал бұл өзгерістер полиморфизм
құбылысына алып келеді. Абсолют ноль температурасы аумағындағы тұрақты
құрылымда атомдар арасындағы байланыс күш ең жоғары болуы керек. Менделеев
кестесінде қалайы ІV топта орналасқан, мұнда құрылым алмаз құрылымды
болады, яғни әрбір атом валенті 4 атоммен бағытталған ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..3
1 ҚАТТЫ ДЕНЕНІҢ ІШКІ ҚҰРЫЛЫМЫ. КРИСТАЛ ТОРЫ ... ... ... ... ... .13
1.1 Қатты денелердегі анизотропия. Моно және поликристалды қатты
денелер.Химиялық элементтердің кристалдық
құрылымдары ... ... ... ... ... ... ... 17
1.2 Кристалдардағы құрылым жетіспеушілігі.Түйін аралық атомдар және
ваканция.Электрондар және кемтіктер. Дислокациялар және
экситондар ... ... .23
1.3 Дислокация.Дислокация көздері.Дислокациялардың өзара
әсерлесуі ... ... ..38
2 МЕТАЛДАР МЕН КРИСТАЛДАРДАҒЫ МИКРОСЫЗАТТАР ... ... ... ... .49
2.1 Микросызаттарды зерттейтін тәсілдер. Кіші бұрышты рентген
сәулесінің шашырауы.Жарықтың
шашырауы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ..48
2.2 Ақау тығыздығын өлшеу. Элекртондық микроскопия. Микросызат ұрығының
өлшемі, концентрациясы және
формасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..51
2.3 Электрондық микроскопия көмегімен микросызаттарды анықтау.
Деформациядан тығыздықтың
төмендеуі ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..53
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ..69
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН
ӘДЕБИЕТТЕР ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
70
Кіріспе
Қазіргі заманда ғылым мен техниканың дамуы барлық ғылым саласын
қамтиды, нәтижеде жаңа зерттеу бағыттары пайда болады. Сонымен қатар
қалыптасқан теорияларды және көзқарастарды қайтадан қарауды талап етеді.
Бұл терең зерттеу үдерістері және қайтадан қалыптастыру мақсатындағы
зерттеулер беріктілік физикасында да орын алады. Кез келген материалдың
беріктілігі сол материал қирамай өзінің біртұтастығын сақтайтын шама
екендігі белгілі.
Материалдардың қирау проблемасы қатты денелер физикасындағы ең
актуалды проблемалардың бірі болып есептеледі. Материалдардың қирауын
зерттеу ғылым саласының ерекшелігі қазіргі техникада экстремальді жағдайда
жұмыс істей алатын жаңа материалдарды табу қажеттілігінен туындайды.
Материалдың төзімділігін, жарамдылық мерзімін ұлғайту жолдарын
қарастыру, сонымен қатар ол материалдың жұмыс атқару мерзімін алдын-ала
болжау тәсілдерін дамыту тағы басқа орын алады.
Жоғарыда айтылған проблемаларды шешуде материал қирауының физикалық
табиғатын білумен тығыз байланыста екендігі белгілі.Сонымен бірге бұл
бағытта материалдың деформациялану үдерісінің физикалық табиғатын зерттеу
қираумен қатар актуалды мәселе болып табылады. Көп уақытқа дейін қатты
денелердің қирау проблемасын таза механикалық көзқараста қарастырылған.
Яғни қатты дененің қирауы тұтас денелер механикасы төңірегінде дамуын
тапқан. Яғни берілген қасиетке байланысты серпімді өтетін мәселелерді
есептеу жолымен қарастырылады. Кейінгі кездерде серпімді қарастырылған,
соның арқасында ол денеде кездесетін сызаттардың болуынан денелердің қирауы
төмендейтіндігі қарастырылады.
Қирау физикасының дамуына атомаралық байланыс күштерге негізделген
теориялардың елеулі үлесі бар. Бұл теория арқылы бірнеше қатты денелердің
теориялық беріктілігі анықталған.Бұл еңбектерге қарағанда материалдың
теориялық беріктілігі 100-1000 есе нақты беріктіліктен төмен екендігі
анықталған. Бұл қайшылықтарды түсіндіру мақсатында табиғаттағы кез келген
қатты денелерде, олардың құрылымында ақаулар бар деп есептеледі. Атап
айтқанда, материалдың ішінде микросызаттың болуынан деп есептеледі. Бірақ,
дененің қирауын таза механикалық көзқараспен қарағанда дене қирауы
критикалық құбылыс деп қарастырылады.
Дене қирауына физикалық көзқараспен қара, ол көзқарастың ары қарай
дамуына ΧΧ-шы ғасырдың 50-ші жылдары академик С.Н.Журков қарастырған.
Нәтижесінде қатты дене қирауының кинетикалық концепциясын ұсынған.
Бұл концепция өзінің дамуын В.Р.Регель, В.А.Степанов және басқа да
зерттеушілердің еңбектерінде қарастырылған.
Қираудың кинетикалық концепциясы бойынша болған кезде қирау үдерісі
термофлуктуациялық әсерден басталатынын дәлелдеген. Денені жүктеген
механикалық кернеу атомаралық байланыстағы потенциалдық тосқауылды
төмендетеді. Ол тосқауыл қирауға қажетті энергия шамасына тең болады. Сол
себепті механикалық кернеу дененің қирауына бағыт береді.
Денелердің қирау механизмін термофлуктуациялық процесс деп есептеп, бұл
зерттеу жұмысында кристалдық құрылымға ие қатты денелердің кинетикалық
қирау заңдылықтары қарастырылған. Атап айтқанда, иондық кристалдар
қарастырылған. Бірақ алдымен зерттеуге қойылған нақты шешілетін мәселелерге
тоқтайық. Нақты мәселелерді қарастырудан бұрын қарастырылып шешілген
мәселелерге тоқтайық. [1] еңбекте дененің қирауын кинетикалық
термофлуктуациялық үдеріс деп атауға түрткі болған негізгі мәліметтерді
қарастырайық.
1920-шы жылдары дене пластиктивтілігінің температураға, жүктеу
жылдамдығына тәуелділігі зерттеліп Беккерь мынадай ой-пікірді ұсынған.
Дене пластиктивтілігін зерттегенде дене атомдарының жылулық қозғалысын
ескеру қажет. Беккерьдің ой-пікірі бойынша термофлуктуация жүктелген
денедегі жақыннан әсерлесу тосқауылдан өтуге көмектесіп, пластикалық
ығысуға алып келеді. Яғни пластикалық деформацияны термоактивациялық үдеріс
деп қарастыруды ұсынған.
Термофлуктуациялық үдерістің негізгі рөл атқаратынын және атом-
молекулалық бөлшектердің механикалық күш өрісінде қайтадан орналасып,
нәтижеде деформациялық және релакцияциондық үдерістің дамуына алып келу
мәселелері[1-2] еңбектерде талданған.
Жүктелген денеде дене формасының өзгеруін талдай отырып, [1-2]
еңбектердің авторлары механикалық күш өрісіндегі атомдар жүйесі потенциал
тосқауылдарынан өтуін термофлуктуация деп есептеген.
Сонымен пластикалық деформация және релаксация үдерістері
термофлуктуациялық үдеріс деп есептеу ертеде басталған. Бұл көзқарас
бірнеше еңбектерде дислокациялық теория негізінде қарастырылып, мысалы [2-
3] еңбекте алынған нәтижелер қираудың кинетикалық концепциясын ұсынуға
өзінің үлесін қосқан.
Шынында да, бір-бірімен байланысты қирау және деформация
құбылыстарыныңтабиғатта елеулі айырмашылықтары бар: деформация
термофлуктуациялық және кинетикалық болса, қирау атермикалық және
критикалық түрде өтеді.
Дегенмен, қираудың кинетикалық концепциясы негізінде экспериментальды
түрде алынған нәтижелер жатады. Ол нәтижелерге қарағанда қатты денелер
беріктілігінің температураға, уақытқа тәуелділігі: беріктілік шегінің
кернеуге және температураға тәуелділігі [18]; жоғары температуралы
жылжығыштық және жоғары мерзімді беріктілік мысалы, [19]. Ал ең негізгісі
беріктілікке әсер еткен күштің мерзімі болып есептеледі.
Бұл мәліметтерді статикалық шаршау деп атайды және ол мәліметтер кейбір
металдарға [21], ас тұзына [22], болаттарға [23], бір топ қатты денелерге
[24,25] екені анықталған. Бірақ барлық [5]-ке дейінгі анықталған
мәліметтердегі беріктілікке уақыттың тәуелділігін қосымша фактор деп
есептейді. Яғни қирау критикалық түрде өтеді деген ой-пікірде қалған
[26].Мысалы, [4] еңбекте беріктіліктің уақытқа тәуелділігін қатты дене
құрылымы тұтқыр-серпімді гетерогендікпен түсіндірілді. Яғни, жүктің уақытқа
тәуелділігі дененің ішінде кернеудің бөлінуімен байланыстырылды. Ол
бөлінудің арқасында үлгінің серпімді бөлігінде кернеу пайда болып дененің
лезде қирауына алып келеді. Ал [5] еңбекте беріктілік шегіне уақыттың
әсерін материалдың құрылымы біртексіздігімен байланысты. Атап айтқанда, бұл
ой-пікір күйдіріп-шыңдалған болаттың беріктілігіне қатысты. Белгілі уақыт
аралығында құрылым өзгереді. Сондықтан шамасы төмендейді. Бұл ой-пікір [6]
еңбектегі мәселелерді біршама нақтырақ қарастырады.
Қатты дене қирауының негізінде жататын беріктіліктің уақытқа
тәуелділігін дәлелдеу мақсатында жүйелі зерттеу нәтижелеріне қарағанда
беріктіліктің уақытқа тәуелділігі ортаның құрылымының гетерогендігінде.
Яғни құрылымның біртексіздігінде емес, ол факторлар беріктіліктің уақытқа
тәуелділік заңдылығына қосымша фактор болып есептеледі.
Беріктілікке температураның әсерін жүйелі түрде зерттеу Ресей ғылым
академиясының А.Ф.Иоффе атындағы физика техникалық институтта басталған.
Сол институтта жүргізілген Журковтың, Регельдің, Нарзуллаевтың,
Санфированың, Томашерскийдің бірінші жүргізілген тәжірибелеріне қарағанда
беріктіліктің уақытқа тәуелділігі әртүрлі қатты денелерде орын алады.
Ол зерттелген қатты денелердің поликристалды құрылымға ие алюминий,
никель, мырыш, платина металдары жатады және алюминий негізіндегі екі түрлі
қатты ерітінділер жатады.
Жарамдылық мерзімінің τ сыртқы бір бағытта тартатын механикалық
кернеуге σ және сынау температурасына тәуелділігі [7] еңбекте көрсетілген.
Ол еңбектегі параметрлер арасындағы талдай отырып, барлық зерттелген қатты
денелерге мынадай түрдегі параметрлер қатынасына бағынатындығы анықталған:
(1)
Мұндағы, – белгілі σ кернеуіндегі және t температурадағы сол
материалдың жарамдылық мерзімі.
τ0 - t10-12 – 10-13 с температураға тәуелсіз жарамдылықмерзім.
u0- зерттелген қатты дененің жүктелмеген кездегі қирау активация
энергиясы.
- активациялық көлем.
Температура тұрақты болғанда 1- ші теңдеу мына формулаға [10].
(2)
Мұндағы, А және α коэффициенттері координатадағы тура сызықтың
иілгіштігімен анықталады.
, u0, тұрақты коэффициенттерА және α коэффициенттерімен
төмендегі формула арқылы байланысқан.
;
(3)
, u0, параметрлердің талдаған [5] еңбектің нәтижелеріне
қарағанда exp алдындағы барлық зерттелген қатты денелерде бірдей
екендігі , яғни дәрежесі 10-12-10-13 аралғында жататындығы және ол
жарамдылық мерзім атомның жылулық тербеліс периодына тең екендігі
анықталған, u0 – параметр материалдан материалға өткенде өзгеретіндігі,
бірақ әрбір материалға оның ішкі құрылымына тәуелсізбірдей екендігі
анықталған. Мысалы, жоғарыда көрсетілген металдар үшін u0-дің мәні ол
материалдың бастапқы механикалық және термикалық өңдеулеріне тәуелсіз
екендігі анықталған. Әрбір зерттелген металдың u0 мәні сол металдар
атомдарының жылулық ыдырау энергиясына тең екендігі анықталған. Яғни сол
металдың сублимация энергиясына тең екендігі анықталған. және u0- дің
сәйкесінше атомдардың тербеліс периодына және байланыс энергиясына теңдігі
денелерден кинетикалық, термофлуктуациялық процестермен байланыстыруға
болатындығын көрсетеді. Соның негізінде [5]- ші еңбекте ұсынылған
материалдың қирау процесіне , яғни уақыт барысында жүктелген атомаралық
байланыстың ыдырауын біртіндеп және қайтымсыз өтетін процеспен байланысты
деген ой-пікірге негіз бола алады. Бұл қайтымсыз процесс дененің бірнеше
бөлікке бөлінген кезде тоқтайды. Бұл қайтымсыз ыдырау процесі жүруде
негізгі рольді атомдардың жылулық қозғалысы атқарады, әсіресе жылулық
флуктуация , яғни атомдардың орташа kT энергиясы аймағындағы флуктуация
атқарады.
Жоғарыда айтылған ой-пікірлерге сүйене отырып, беріктіліктің
уақытқа тәуелділігін анықтағанда ең негізгі мәселе–қатты денелердің қирау
табиғатының кинетикасын анықтау болып табылады.
Бұл бағыттағы зерттеулер қирау кинетикасына тікелей физикалық
тәсілдермен тіркеу бағытында жүргізіледі, яғни микроскопиялық деңгейінде
қирау қирау кинетикасы зерттелінеді.
Ондай зерттеудің қажеттілігі интегралды қираудың элементар табиғатын,
яғни атом деңгейінде өтетін процестерді анықтауға қажет. Себебі, ол
элементар процестер u0энергетикалық тосқауылдардың қасиеттерін және ол
тосқауылдың шамасын анықтауға қажет болады. Шынында да, u0сол дененің
бастапқы энергетикалық тосқауыл әсер ететін кернеу бастапқы тосқауылды
-ға төмендейді. Төмендетілген тосқауылдың шамасы болады. Яғни
тосқауыл жақын арақашықтықтағы жобамен бірнеше атомаралық ұзындығында
орналасқан болып, сол тосқауылдан өткен кезде атомаралық байланыс қирайды
деген ой-пікірді тудырады. Себебі, егер біз оншақты атомаралықтан үлкен
арақашықтықта әсер ететін күшті σ кернеуді қарастырсақ, ол күштің әсері
атермикалық болуы мүмкін.u0-дің“атом өлшемімен ” байланыстыруға дәлел. u0-
дің сублимацияға тең болған себебі сублимация, яғни булану дененің
бетіндегі атомдарда өтеді. Бірақ бұл қирау элементар атты нақты көптеген
бір-біріне қайшы гипотезалар туады.Мысалы, [6] еңбектегі гипотезалар. Бір-
біріне қарсы u0қирау активация энергиясындағы бірнеше гипотезалардың барына
қарамастан u0-дің табиғатын зерттеуде u0 параметрінің бірнеше факторларға
әсерін анықтау. Мысалы, кернеуленген күйдің түрін анықтау, u0–дің атом-
электрондық сипаттамасымен байланысын анықтау тағы басқа мәселелер.
Қираудың элементар акт жолдарын табудың ең негізгі мәселесі болып табылады.
Мысалы, 1950 жылдары Пинес деген ғалым денелердің қирауына ваканциялық
механизммен өтеді деген гипотезаны ұсынған. Бұл механизм бойынша жүктелген
денеде дене ішіндегі ваканцияның сызаттардың ұшына келуден, сызат өсіп
денені қиратады. Ваканциялық механизмге негізделген теория τ-дың σ-ға, Τ-ға
байланыстылығы жөнінде алынған теориялық теңдеу эксперименттен алынған
теңдеуден өзгеше. Пинестің теңдеуінде exp алдындағы . Бұл теңдеу
арқылы алынған жарамддылық мерзімінің эксперимент мәндерін талдау
нәтижелері металдар үшінuu0өздік диффузия. Бұл алынған u0 мәліметіне
сүйене отырып, дененің элементар қирау актының табиғаты ваканциялық ой-
пікірді айтуға мүмкіндік тудырады. Бірақ Пинестің exp алдындағы
күрделі параметрлер, сол параметрлерді алуға қолданған ваканционды модельге
тура келетіндігіне күмән келтіреді.
Пинес u0-дің өзгеруін темірден өтетін полиморфты өзгерістермен
байланыстырып, яғни u0-ді өздік диффузия энергиясымен байланыстырмай
полиморфты энергияның өздік диффузиямен байланыстырған. Бірақ темірден
өтетін полиморфты энергетикалық сипаттаманың өзгерісін анықтаудың
қаншалықты дұрыс екендігіне көңіл аудармаса, ол өзгерістің мәндері бір-
біріне қайшы.
Сонымен қоса, Пинестің еңбегінде темірдің жарамдылық мерзімін жоғары
температурада анықтаған. ұнтақтан пісірілген кеуекті үлгілер зерттелген, ал
[5-6] еңбектер нәтижелеріне сүйенсек, кеуекті пісірілген үлгілерде және
жоғары температураларда ваканция концепциясы жоғары болғандықтан шынында да
қирау сублимация механикасының ваканционды механизмге өтуі мүмкін.
Жоғарыда айтылған Пинестің эксперимент нәтижелерін дәлелденген
мәліметтер деп айтуға болмайды. Яғни Пинестің еңбегінде u0-дің қалыпты
температурадағы мәні құйма металдарға анықталған сублимация энергиясына тең
екендігіне күмән тудырғаны орынсыз деп есептеуге болады.
Шынында да, жоғары температурада 12Тбалқу және механикалық кернеу
мәні төмен болған кезде 1-ші теңдеу орындалмайды. Онда болу орынды, яғни
орындалған кезде жарамдылық мерзім белгілі мәнге ие болар еді, ал
жоғары температурада жарамдылық мерзім өте кіші мәнге ие болар еді. Жоғары
температурадағы алынған нәтижелер бірінші теңдеуге бағынбайтын себебі [6-7]
еңбектерде қарастырылған.
Шынында да, [7-8] еңбекте күміске кейбір қоспаларды енгізгенде u0
өзгермейтіндігі және сублимация энергиясы өзгермейтіндігі анықталған. Бірақ
өздік диффузия активация энергиясы елеулі өзгереді, яғни u0және өздік
диффузия арасында қалыпты температурада ешқандай бір мәнді байланыс жоқ
екендігін көрсетеді.
Бұл бағытта u0-дің кез келген процестің активация энергиясымен
салыстыру дәлелді көзқарас деп есептеуге болады. Термоактивациялық талдау
теориясында активация энергиясын есептеу оның мәнін феноменологиялық
мәліметтермен, яғни жарамдылық мерзімінің кернеу мен температураға
тәуелділігінен анықталған u0-мен салыстыру тек бірдей құрылымға ие
үлгілерді зерттеу кезінде орын алады. Тек осы жағдайда, яғни бірдей
құрылымға ие кезде термофлуктуациялық акттың өту жылдамдығының
температураға тәуелділігі қарапайым Больцман заңына бағынады. Бұл жағдайда
құрылымның бірдей болуын тексеру тек үлгінің құрылым элементі анықталғаннан
кейін жүргізуге болады. Тек сонда ғана ол құрылымның зерттелетін
процестерге әсерін анықтауға болады.
Біз қарастыратын зерттеулерде құрылымның жарамдылық мерзімге әсерін
анықтауға болады. Бірінші теңдеу арқылы u0 шамасын анықтау, жоғарыда
көрсетілген шарттар арқылы анықтауды мынандай деп тұжырымдауға болады.
Алдын-ала анықталған мәліметтерде бірінші формуладағы γ- коэффициенттің
шамасын құрылым сезімтал коэффициенті деп қабылдап, белгілі күйдегі бір топ
үлгілерге, атап айтқанда алдын-ала күйдіру, прокаттау дәрежесі тағы басқа
өңделген үлгілердің γ- коэффициенттің мәндері бірдей деп қабылданады және
әртүрлі температурада және кернеуде жылжығыштық режимде сынаған кездегі
қираған үлгілері өзгермейді.
Бұрынғы жұмыстарды талдағанда гамма мен дән өлшемдері арасында
байланыс бар екендігі анықталған, яғни үлгінің дән өлшемі өзгерсе гамма
коэффициентінің өзгеретіні де анықталған. Бірақ металды әртүрлі
темпеартурада және кернеуде жарамдылық мерзімін анықтауға зерттеу процесі
барысында дән өлшемінің тұрақтылығы анықталмаған. Тек γ-ның үлгі дәнінің
өлшемімен байланысы бар екендігі анықталған.
Жарамдылық мерзімге нақты құрылымның әсерін зерттеуде құрылым
түрлерінің ішінде құрылым түрінің деформацияланған металдарда иондық
коваленттік моно және поликристалды денелерде бірдей жалпы қасиеттерін
анықтайтын құрылым түрлеріне назар аударған жөн.
Әдебиеттегі мәліметтерді талдау барысында көптеген кристалдық
материалдарда блок құрылымы кездеседі, ол құрылым кристалл торында
дислокацияның көлем бойынша біртексіз таралуынан келіп шығады. Жобамен блок
салыстырмалы түрде дислокациясы жоқ кристалл торының бөлігін дислокация
тығыздығы жоғары бөлігінің шекарасын көрсетеді. Сонымен қатар блок
шекарасындағы бір таңбалы дислокациялар блоктардың орналасуында бір-бірінен
бұрылу шамасын анықтайды. Ол бір таңбалы дислокациялардың концентрациясы
жоғары болса, блоктың бұрылуы да жоғары.
Хирщтің ой-пікірі бойынша блоктың бұзылуы шамасы кристалдардың
деформациясына, қирауына елеулі әсер етеді деп есептейміз. Бірақ қазіргі
таңда блоктың бұрылу шамасы кристалдың беріктілігі мен байланыстылығын,
сонымен қатар бірінші теңдеудегі γ- коэффициентімен байланысы бар екендігі
зерттелмеген. Зерттелмеген себептің бірі–блок бұрылуын нақты анықтайтын
тәсілді табу қиындығында, әсіресе поликристалды минералдар үшін. Әрине
жарамдылық мерзімді шектейтін құрылым элементін табу өте қажет, бірақ u0
шамасын жан-жақты талдауға жеткіліксіз.
u0 –ді жеткілікті дәрежеде талдауға жүйелі түрде ол шаманың тек
поликристалды металдарға ғана емес, сонымен қатар көптеген ионды,
ковалентті, металдық, молекулааралық (ВДВ)әсерлесуге ие моно және поли
кристалдарды зерттеуді қажет етеді. Сонымен қатар u0-дің шамасына
материалдың күйін анықтайтын негізгі параметрлердің, яғни қысым мен
температураның әсерін білуді қажет етеді. u0-ге кристалды механикалық және
термикалық өңдегенде, әртүрлі қоспаларды кристалға енгізгенде, фазалардың
бөлінуі, аллатропиялық өтулер арқасындағы кристалл құрылымының өзгеруі u0
шамасына әсерін анықтауды қажет етеді.
Шынында да, жоғарыда айтқанымыздай жарамдылық мерзімінің
температураға және кернеуге тәуелділігі жөніндегі мәлімет және активация
энергиясын талдауға арналған еңбектер аса көп еместігі, сонымен қатар ол
мәліметтер нәтижелері бір-бірімен қайшылығы бар екендігі анықталған. Ал
қирау активация энергиясын анықтағанда материалдардың құрылымы жөнінде
зерттеулер жасалынбаған.
Бұл бағытта тек феноменологиялық зерттеу жүргізу жеткіліксіз. Бірақ
материалдардың қирау кинетика табиғатын талдауда, дәлелдеуде қажетті
мәліметтерді береді. Ол мәліметтерді нақтылау мақсатында тікелей физикалық
тәсілдерді қолдануды қажет етеді.
Атом деңгейдегі физикалық тәсілдер микродеңгейдегі қирау элементінің
пайда болуын және ол элементтердің дамуын зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл
бағыттағы зерттеулер 70-жылдары басталып, ол тәсілдер бірін-бірі
толықтырады және бірін алған мәліметін бірі тексеріп отырады.
Бұл зерттеу тәсілдері негізінен қираудың бастапқы кезіндегі өтетін
мәліметтерді анықтайды. Ол мәліметтер кіші өлшемдегі тұрақты сызаттардың
пайда болуымен байланысты ол сызаттарды сызат ұрығы деп атайды. Сол
микросызаттардың пайда болуын олардың өлшемдері, концентрациясы, формасы,
материал көлемі бойынша өлшемдерінің таралуы материалдың жарамдылық
мерзімін анықтау барысында жоғарыда айтылған сызаттардың өзгеру
заңдылықтары сонымен қатар қирауға қарама-қарсы микросызаттардың емделу
процестерін зерттеуді қажет етеді.
Металдар мен кристалдарда микросызаттардың болуы соның арқасында ол
кристалдардың нақты беріктілігі теориялық беріктіліктен төмен болуының
себебі ертеде қарастырылған. Кристалл материалдарында сызаттардың пайда
болуын пластикалық деформациясының оқшаулануымен байланыстырған .
Бұл еңбектегі идеяларды нақтылау мақсатында дислокация теориясы
арқылы сызаттардың пайда болуын дәлелдеу мақсатында бірнеше механизмдер
ұсынылған. Бірақ қатты денелердің ішінде микросызаттардың болу идеясы
ертеде айтылмағанымен және сонымен қатар ол сызаттардың пайда болу
механизмін ұсынғанмен микросызаттар жөнінде яғни олардың пайда болуы және
дамуы жөнінде эксперименталдық мәліметтер жоқтың қасы. Сондықтан жоғарыдағы
айтылған бастапқы қирау кездегі заттың пайда болуы және дамуы зерттелмеген.
Зерттелмеудің бірден-бір себебі, микросызатты көру тәсілдерінің
қиындығы мен күрделілігінде деп есептеуге болады. Дегенмен, қазіргі кездегі
кездесетін микросызатты анықтайтын мәліметтерге тоқталайық.
Микрон және одан да үлкен әрбір сызаттар [8] еңбектерде пайда болуын
дислокациялық механизммен қарастырылған болса, оларды эксперимент арқылы
көру ионды LiFжәне MgO кристалдарда В.Н.Рожанскийдің және т.б. ғалымдардың
еңбектерінде анықталған.
Р.И.Гарберд, И.В.Обреимов, Л.М.Поляков еңбектерінде бірнеше
тәсілдермен, атап айтқанда жарық сәулесінің шашырауы, электрондық
микроскопия және тығыздықты өлшеу тәсілдерімен бөлме температурасын
(18температурада) NaCl кристалында оны қысқан кезде пайда болған
микросызаттар зерттелген. Зерттеу нәтижелеріне қарағанда деформацияның
басында-ақ үлгінің көлемінде 200-ден 1000 Å өлшем аралығында сызаттар
пайда болғаны анықталған. Бірақ бұл сызаттардың концентрациясы, олардың
жинақталуы және бастапқы қирау кезіндегі басқа да мәліметтер бұл еңбектерде
қарастырылмаған. Сондықтан жарық сәулесінің кристалда шашырауын
микросызатпен байланыстыру біршама күмән тудырады. Ол жөнінде Н.И.Абаев,
Н.И.Корнфельт сияқты зерттеушілер ескерткен.
И.А.Одюнг, Ю.П.Либеров еңбектерінде электрондық микроскопия және
тығыздықты электрокедергіні өлшеу арқылы бөлме температурасында
поликристалды никель, мыс, алюминий, темір металдарын бір бағытта созған
кезде пайда болған микросызаттар анықталған. Алынған мәліметтерге қарағанда
зерттелген материалдардың деформациясы қираған кездегі деформациямен
жобамен 20-30% деформациясына жеткен кезде металдар ретінде ұзындығы 2-7
мкм және ені 0,1 мкм микросызаттар пайда болғаны анықталған. Бірақ жоғарыда
айтқанымыздай ол сызаттардың қирау басталғандағы концентрациясы, олардың
жинақталуы және басқа да мәліметтер анықталмаған.
Жоғарыда көрсетілген еңбектерде әртүрлі тәсілдермен микросызаттардың
пайда болуын анықтағанмен ол сызаттардың пайда болуы әртүрлі тәсілдерде
түрлі екендігі байқалған. Мысалы, жарық сәулесінің шашырауы арқылы
анықталған микросызаттан ерте басталатындығы байқалады.Микросызаттар
жөніндегі мәліметтерді талдай отырып, деформацияланған металдарда өлшемі
1мкм-ден төмен сызаттардың болуын жарықтандыру электрондық микроскопта жұқа
полировкаланған үлгілерде болатыныВ.П.Северденко, Э.К.Точицкий, В.И.Елин,
Л.Г.Орлов еңбектерінде айтылған.Орта кернеуде температурада металдарды
елеулі бір бағытта созған немесе қысқан кезде сызаттардың пайда болғанын
жоғарыдағы еңбектерден көре аламыз. Кристалды материалдардың жарамдылық
мерзімін жоғары температурада және аса үлкен емес кернеуде микросызаттардың
пайда болу кинетикасы анықталған. Яғни сызаттардың пайда болу кинетикасы
жоғары температурада жылжығыштық режимде анықталған (σ,T=const). Бұл
режимде салыстырмалы үлкен өлшемді сызаттар (бірнеше микрон немесе бірнеше
ондаған микрон өлшемге ие зат) зерттелген. Бұл еңбектерде оптикалық және
электрондық микроскопия арқылы, сонымен қатар деформациядан материалдың
тығыздығының өзгеруін өлшеу арқылы кеуектердің және сызаттардың жинақталуы
жобамен үлгінің деформациясына тәуелділігі анықталған. Кеуектер – кез
келген дене ішінде бар болады. Ал сызат сырттан күш әсер еткенде пайда
болады. Ал олардың пайда болуы деформация басында орын алады, яғни
жылжығыштың екінші кезеңінің басында пайда болады.
Сонымен кристалды денелерде, әсіресе кіші өлшемді сызаттардың пайда
болуын еңбектердің саны санаулы екендігін айтуға болады. Ал әртүрлі
температурада және кернеуде үлгінің жарамдылық мерзімімен байланыстыратын
сызаттың пайда болуы және дамуы жөнінде мәліметтер жоқ. Бірақ жылжығыштық
режимде материалдың жарамдылық мерзімінің температура мен кернеуге
тәуелділігі заңымен микросызаттардың пайда болуы, олардың өсуі және
концентрациясының өзгеруі мәліметтерімен байланыстырса, дененің қирау
кинетикасының физикалық табиғатын анықтауға біршама мәлімет беретіндігі
айтпаса да белгілі.
Осы бағытта беріктіліктің уақытқа тәуелділік табиғатын айтуда
әртүрлі көзқарас бар екендігін ескерту қажет. С.Н.Журков, Б.Н.Нарзуллаев,
Регель, Г.М.Бартенов, Г.П.Санфирова, Э.Е.Томашевский, Б.Я.Левин және
Б.Я.Пинес, Л.С.Мороз, Ю.Д.Хесин, Т.К.Маринец сияқты ғалымдардың
көзқарастарынан басқа беріктіліктің уақытқа тәуелділігі пластикалық
деформация кинетикасының көрінісі деп есептейді. Қирау кинетикалық және
сонымен қатар атермикалық (температураға тәуелсіз) құбылыс деп
қарастырылады. Осы көзқарастардың бірінде микросызаттар тек ақырғы үшінші
кезеңдегі жылжығыштың басталуымен байланыстырылады. Мысалы, Ф.Горофало
көзқарасы сондай. Ал бірқатар ғалымдар атап айтқанда, Журков, Бартенов,
Пинес, Б.М.Ровинский, Л.М.Рыбакова, Ю.Н.Роботнов микросызаттар дене
жүктелгеннен бастап пайда болады деп ойлайды.Қорытындылай келе,
кристалдардың қирау кинетикасын анықтау мақсатында феноменологиялық
микроқұрылымдық зерттеу нәтижелері жоғарыда айтқанымыздай бір– біріне
қарама–қарсы көзқарастарды тудырады. Сондықтан кристалды материалдардың
қирауында белгілі бір ой–пікір қалыптаспаған себепті кристалды денелердің
жарамдылық мерзіміне кернеу мен температураның әсерін анықтау жұмыстың
негізгі мақсаты болып табылады.Жұмыста атомдары әртүрлі табиғатқа ие
байланыстары бар кристалдар, сонымен қатар торлары әртүрлі кристалл
құрылымының дамуы әртүрлі, яғни моно және поли кристалдар олардың
пластикалық және морт күйлеріндегі жарамдылық мерзімге температура мен
кернеудің әсері зерттелген.
Диплом жұмыстың мақсаты:
- Қирау заңдылықтарын әсіресе жарамдылық мерзімінің бастапқы
кезіндегі пайда болған микросызаттарды анықтау жарамдылық мерзім
механизімін және оның табиғатын анықтаудағы ең негізгі мәселе болып
табылады.
- Сондықтан да анықталған кіші өлшемді заттар үлкен дәлділікпен
анықтауды қәжет етеді.Себебі металдарды және кристалдардың жарамдылық
мерзімін анытауда үлгінің ішінде микросызаттардың қанша екендігін
және өлшемдері қанша екендігін білу дененің қирау мәселесінде
негізгі мәселе болып табылады.
- Сондықтан да оларды анықтау тәсілдерді қолдануды қәжет
етеді.Микросызаттарды анықтауға қажетті тәсілдерді таңдау және
оларды қолданып микросызаттарды анықтап сынау барысында қирау
процесін микросызаттармен байланыстыру диплом жұмысымның негізгі
мақсаты болып табылады.
1 Қатты дененің ішкі құрылымы. Кристалл торы
Қатты денелердің ішкі құрылымын сипаттау үшін кеңістік немесе кристалл
торы деген түсінікті енгізу ыңғайлы. Кристалл торы кеңістік торын құрайды,
тордың түйінінде бөлшектер (атом, молекула) орналасқан болады, сонымен
қатты денені құрайды.
.
Сурет 1.1- Элементар немесе негізгі тор ұяшығы
Қалың сызықпен ең кіші параллелепипед көрсетілген, бұл
параллелепипедтің өзінің үш осі бойынша орын ауыстыруымен барлық кристалды
құруға болады. Бұл параллелепипедті элементар немесе негізгі тор ұяшығы
деп атайды. Бұл тор ұяшығын сипаттау үшін 6 шаманы беру керек: үш қырын (а,
в, с) және осьтер арасындағы бұрыштарын ((, (, (). Бұл шамаларды тор
параметрлері деп атайды. Қарапайым тор түріне куб торы жатады, мұнда а = в
= c және ( = ( = ( = 90º. Кейбір жағдайда тордың симметриясын нақты
айқындау мақсатында элементар тор ұяшығын құрғанда олардағы бөлшектер
тек тор шыңдарында ғана орналаспай, тағы тор ұяшығының басқа нүктелерінде
де орналасқан болады. Мысалы, көлем центрленген торда кеңістік
диагональдардың қиылысқан нүктесінде қосымша бір бөлшек орналасқан болады
(1.2.б –сурет), жақ центрленген торларда жақ диагональдарының қиылысқан
нүктелерінде қосымша бөлшектер орналасқан болады (1.2.в –сурет), т.б. Енді
түйіндерді, бағыттарды және тордың жазықтықтарын белгілеуді қарастырайық.
Бұл белгілеулерді Миллер индекстері деп атайды.
Сурет 1.2–Жақ центрленген торларда жақ диагональдарының қиылысқан
нүктелерінде қосымша бөлшектер орналасқан болады
Тор индекстері. Координата басынан алынған кез-келген тор түйінінің
орнын оның x, y, z координатасымен анықтайды. (1.3-сурет)
Сурет 1.3-1.4- Координата басынан алынған кез-келген тор түйінінің
орнын оның x, y, z координатасымен анықтайды
Бұл координаттарды мынадай түрде жазуға болады:
x = ma, y = nb, z = pc
(1.1)
мұндағы a, b, c – тор параметрлері, m, n, p – бүтін сандар.
Ось бойымен өлшенетін бірлікті метр деп есептемей, бірлік ретінде
тордың a, b, c параметрлерін алсақ, онда тор координаталары m, n, p бүтін
сандар болады. Бұл сандарды түйін индекстері деп атайды және былай
жазылады: [[mnp]]. Теріс индекс болса, теріс таңба индекс төбесіне
қойылады: [[mnp]].
Бағыт индекстері. Кристалдағы бағытты сипаттау үшін координата басынан
тура сызық алынады. Ол сызықтың орналасуын бірінші түйіннің mnp индексі
анықтайды, сызық сол бірінші түйіннен өтеді (1.3.-сурет). Сондықтан
түйіннің тор индекстері бағыт индексі де болады. Бағыт индексін [mnp] -
мен белгілейді. Бағыт индексінің анықтамасы бойынша оны үш ең кіші бүтін
сан анықтайды екен, бұл сандар осы бағыттағы ең жақын түйіннің
орналасуын анықтайды. Мысалы, координата басынан және [[435]] түйіннен
өтетін бағыт индексі [435] болады.
Мысал ретінде куб торының негізгі бағыттарын көрсетуге болады (1.4.-
сурет). Тор осьтерінің индекстері: ОХ осінің индексі [100], ОУ осінің -
[010], OZ осінің - [001]. Жақ диагональдарының индексі: вс жағы
диагоналының индексі [011], ас жағы диагоналының - [101], ав жағы
диагоналының - [110], кеңістік диагоналының индексі - [111].
Кристалл жақтарының индекстері. Кристалл жақтарының орнын кристалл
торының осьтерін қиып өтетін А, В, С кескіндер анықтайды. Мұндай жазық
теңдеуінің түрі мынадай болады:
(1.2)
Мұндағы X, Y, Z – осы жазықта жататын нүктенің координаталары. Егер
кристалл жазығы (жағы) тор түйінінен өтетін болса (тек сондай жақтар
қарастырылады), онда жазықта жататын кез-келген түйіннің координаталары
түйін индекстеріне тең:
x = m, y = n, z = p.
Сондықтан жазық теңдеуін мынадай түрде жазамыз:
(1.3)
m, n, p бүтін сан болғандықтан, (1.3) теңдеу 1А, 1В, 1С қатынастар
рационалды сандар болуы керек, олардың қатынастарын h, k, l үш бүтін сан
қатынастарымен ауыстыруға болады:
(1.4)
Осы h, k, l сандар кристалл жазықтарының индекстерін береді, олар былай
белгіленеді: (hkl). Жазық индекстерін былай анықтайды: тор осьтеріндегі
жазықты қиып өтетін ось бірлігімен алынған А, В, С кескіндерді сол
кескіндердің кері мәндеріне сәйкес, яғни 1А, 1В, 1С етіп жазады. Алынған
1А, 1В, 1С бөлшектерге ортақ бөлім табады. Ортақ бөлім Д болсын дейік,
онда бірінші бөлшекке ДА, екіншіге ДВ, үшіншіге ДС болады. ДА, ДВ,
ДС бүтін сандар кристалл жазығының h, k, l индекстері болады, яғни
(1.5)
Мысалы: 1. Тор осьтерін қиып өтетін A=1, B=2 және C=3 кескіндерге
сәйкес кристалл жазықтығының индексін анықтайық.
Шешім: - рационал сандар, онда жалпы бөлгіш 6 болады. Олай болса,
яғни h=6, k=3, l=2, жазық индексі (632) болады екен.
2. Тор осьтерін қиып өтетін A=12, B=2 және C=13 кескіндерге сәйкес
кристалл жазығының индексін анықтайық.
Шешім: -рационалды сандар. Ортақ бөлім 2 болады, онда
жазық индексі (416).
(1.5) қатынастан тор осінен өтетін жазықтықты қиып өтетін кескінді
сол жазықтың индексімен анықтауға болатыны көрініп тұр, яғни
(1.6)
Сондықтан жазық индексі (hkl) арқылы тор осьтерін қиып өтетін
кескіндерді анықтау үшін индекстердің кері мәнін жазып, яғни , олардың
ортақ бөлімін (Д) анықтайды. Онда (1.6) теңдеулер арқылы кескіндер
анықталады:
3. Тор осіндегі (123) жазықты қиып өтетін кескіндерді анықтайық.
Шешім: Жазық индексінің кері мәнін жазамыз: 11, 12, 13. Онда
кескінде тең. Координат осьтеріне параллель жазыққа сәйкес индекс
нольге тең. Мысалы (110) жазық ОZ осіне параллель, (011) жазық ОХ осіне
параллель, т.б.
Сурет 1.5-Куб торларының негізгі жақтарының индекстері
Сурет 1.6- Гексагональды кристалдардың жазықтарын белгілеу үшін 4
негізгі координата жүйесі қолданылады
Мысал ретінде куб торларының негізгі жақтарының индекстерін анықтайық
(1.5.-сурет). Куб жақтарының индекстері: с жақтың индексі – (001), а
жақтың индексі – (100), в жақтың индексі – (010). Жақтың диагоналынан
өтетін жақтың индексі (ромбалық додекаэдр жағының индекстері: (110), (101),
(011), т.б. осьтерді бірлік қимамен қиып өтетін жазықтардың (октаэдр
жазықтарының) индекстері: (111), (), (), (), т.б.
гексагональды кристалдардың жазықтарын белгілеу үшін 4 негізгі координата
жүйесі қолданылады (1.6.-сурет): үш (а1, а2, а3) бір-біріне 120º жасаған
ось, бұл осьтер алты жақты призманың бетінде жатады (базис жазықтығы), ал
төртінші ось (с) базис жазықтығына перпендикуляр. Әрбір жазық 4 индекспен
белгіленеді: hkіl. Қосымша индекс і үшінші орынға қойылады, бұл индекстің
мәні h және k индекстер арқылы есептеледі: і=-(h+k). а1, а2, а3
осьтеріне параллель базис жазығының индексі (0001) болады. Призма бүйірінің
жағына параллель жазықтың индексі мынадай типті болады: (10-10). Мұндай бір-
біріне параллель емес беттер (жазықтар) үшеу; оларды бірінші типтегі
(жазықтар) беттер деп атайды.
1.1 Қатты денелердегі анизотропия. Моно және поликристалды қатты
денелер. Химиялық элементтердің кристалдық құрылымдары
Қатты денелердің бөлшектері кристал торында біртекті қатар-қатар
орналасқан деп есептейік (Кристалдардағы ақауларды ескермейміз).
Сурет 1.7- Қатты денелердің бөлшектері кристал торында біртекті қатар-
қатар орналасуы
О нүктесінен ОА, ОВ, ОС, т.б. бағытта сызық өткізейік. Әрбір бағытта
бірлік арақашықтықта кездесетін бөлшектер саны әртүрлі жиі кездесетін
бөлшектер ОА бағытта, ал сирек кездесетін бөлшектер ОС бағытта. Әрбір
бағыттағы қатты денелердің қасиеттерін бөлшектердің сол бағытта қаншалықты
тығыз орналасуы анықтайтын болғандықтан, алынған бағыт бойынша қатты
денелердің қасиеттері әр түрлі болуы керек. Дене қасиетінің бағытқа
тәуелділігін (қасиеттің бағыттылығын) анизотропия деп атайды.
Арнайы жағдайда қатты денелерді бір кристалл түрінде өсіруге болады,
яғни монокристалл түрінде. Бірақ көп жағдайда ерітінділерде (балқыған
денелерде) бір мезгілде көптеген кристаллизацияланатын орталықтар пайда
болып, көптеген өзінше бөлек кристалдар болуына алып келеді. Бұл
кристалдардың өсуінің арқасында олар бір-біріне жақындай түседі. Сонымен
көптеген бөлшектер пайда болады, яғни поликристалл. Өскен кристаллиттер
(дәндер) әр түрлі формада болады, сыртқы көрінісі ішкі ретті құрамына
сәйкес келмейді. Себебі олардың (дәндердің) орналасуы суытылған ерітіндіде
(сұйық күйдегі затта) кристаллизация орталығы кездейсоқ орналасқан болады,
өскен дәндердің өзара орналасуы да кездейсоқ болады. Сондықтан
поликристалдарда олардың қасиеттері кристалл бағытына елеулі тәуелді болуы
байқалмайды, яғни олар изотропты болады[8].
Сонымен қатар өскен дәндердің әр түрлі бағытта болғандығы дәндер
(кристаллиттер) шекарасында кристаллиттер шекарасы деп аталатын әр түрлі
қалыңдыққа ие қабаттар пайда болады. Бұл дән шекаралары поликристалл
агрегатының механикалық қасиетінің қалыптасуына елеулі әсер етеді. Өте
таза, қоспа атомдардың болуы жоқтың қасы болғанда да дәнаралық қабатындағы
тор дән торына қарағанда елеулі ауытқыған болады. Бұл тор ауытқуы бір атом
аралығымен шектелмейді, бірнеше атом аралықтарына дейін орын алады. Бұл
торлары ауытқыған атомдармен дән шекарасындағы атомдар бір-бірімен
әсерлеседі. Дән шекарасындағы ретсіздік дәрежесі үлкен (жоғары) болған
сайын, ретсіздік көлемі (ретсіздік қабыршақтың қалыңдығы – ені) үлкен (кең)
болады және олардың тор ауытқулары ұлғаяды, яғни тор ауытқу дәрежесі өседі.
Кристаллит тор жолағындағы ауытқулар бұл жолақта артық еркін энергияның
шоғырлануына (локализация) алып келеді. Еркін энергияның шоғырлануы бірнеше
тәжірибелерде дәлелденген. Мысалы, Галмерс өте таза қалайының (олово) дән
шекаралары дәннің балқу температурасынан төмен температурада балқығанын
анықтаған. Дән шекарасы бойынша өтетін диффузия жылдамдығы, көлем бойынша
өтетін диффузия жылдамдығынан жоғары. Рекристаллизация кезіндегі жаңа дән
өсуі ескі дән шекарасында басталады немесе интенсивті пластикалық
деформация өткен жерде басталады, ал рекристаллизация ескі кристалл
торларын өзгертеді. Егер металда қоспа атомдар болса, онда кристаллизация
кезінде қоспа атомдар дән шекараларына орналасады, соның арқасында
кристаллиттер (дәндер) аралығында құрамдары да, қасиеттері де дәндерге
қарағанда өзгеше жолақтар пайда болады.
Химиялық элементтердің кристалдық құрылымдары. Қатты күйдегі химиялық
элементтер ішкі ретті құрылымды кристалдық денелерді құрайды. Кристалл
құрылымының түрін негізінен құрылым бөлшектердің (атомдар, иондар,
молекулалар) арасындағы байланыс күшінің түрі (характері) анықтайды. Бұл
бөлшектер арасында 4 негізгі байланыс болғандықтан 4 типті кристалл торын
құрайды: ионды немесе координационды тор, бұл торда атомдар арасындағы
негізгі байланыс ионды болады; поляризационды немесе молекулярлы тор;
мұндағы молекулалар арасындағы байланыс Ван-дер-Вальс күштері арқылы
болады; валентті байланысты атомдық тор және металды байланысты металл
торлары болады. Таза бір күш түрімен байланысқан, яғни өзара әсерлесетін
атомдарды сирек кездестіретін секілді, құрылым түрлерінде де таза бір типті
тордың кездесуі де өте сирек. Көп жағдайда тор өткінші (переходной) болып
келеді, яғни тордың өткінші болуы атомдар арасындағы байланыстың түрі екі
немесе бірнеше болудың арқасында химиялық элементтердің кристалдық
құрылымын жобамен 4 классқа бөлуге болады.
Кесте 1.1- Химиялық элементтердің кристалдық құрылымдары
IA IIA IIIA IVA
Бұл құрылымдарды талдауды IV класстан бастаған ыңғайлы. Бұл классқа
инерт газдардың құрылымы жатады. Инерт газдардың сұйық күйге және кристалға
айналғанда электрондары симметриялы сфералық қабыршақтары бар атомдар
арасындағы байланыс әлсіз Ван-дер-Вальс күштің пайда болуынан болады. Бұл
күштің әсерінен симметриялық атомдар тығыз орналасқан жақ центрленген куб
торын құрайды (1.2-сурет).
Тордағы әрбір атомды оған жақын орналасқан 12 атом қоршайды. Атомға
жақын орналасқан атомдардың санын тордың координациялық саны деп атайды.
ІІІ-класс. Бұл классқа қысқа периодтан кремний және көміртегі IVB
топтан германий және қалайы және VB, VІB және VІІB топтарындағы барлық
элементтер жатады. Бұл класстағы барлық элементтер 8-N ережесіне сәйкес
кристаллизацияланады, яғни тордағы әрбір атом 8-N жақын атомдармен
қоршалған, мұндағы N - сол элемент орналасқан топтың нөмірін білдіреді.
Мысалы, алмаз, кремний, германий және сұр қалайы N топтың элементтеріне
жатады. Сондықтан олардың торының координациялық саны 8-4=4 болады.
Шынында да, бұл элементтердің барлығы тэтраэдралық торға ие, мұнда әрбір
атом 4 жақын атомдармен қоршалған (1.8. а-сурет).
Сурет 1.8- Әрбір атом бір жазықта 1,2,3,4 жақын атомдармен қоршалған
Мышьяк, фосфор, сурьма және висмут периодтық жүйенің V тобында
орналасқан, торларының координациялық саны 8-5=3 тең. Бұларда әрбір атом
бір жазықта 3 жақын атомдармен қоршалған (1.8. б-сурет).
Торлары жұқа қабыршақтардан тұрады. Атом қабыршақтары бір-бірімен Ван-
дер-Вальс күші арқылы байланысқан. Селен және теллур VІ топта орналасқан,
торларының координациялық саны 2-ге тең. Олардың атомдары ұзын спираль
тізбектерден тұрады. Тізбектегі әрбір атомды жақын екі атом қоршайды (1.8.
в-сурет).
Тізбектер өзара Ван-дер-Вальс күштерімен байланысқан. Ал иод VІІ топқа
жатады. Иодтың координациялық саны бірге тең. Иодтың торында қос-қос
атомдар орналасады (1.8. г-сурет).
Бұл қосақталған атомдар бір-бірімен Ван-дер-Вальс күштерімен
байланысқан болады. Сондықтан да иодтың тез буланып ұшып кетуіне алып
келеді.
8-N ережесі арқылы химиялық элементтердің кристаллизациялануын оңай
түсінуге болады. Мысалы ІV топтағы элемент атомының сыртқы қабыршағында 4
электрон орналасқан. Тұрақты 8 электронды конфигурацияны құрастыру үшін
тағы 4 электрон жетіспейді. Бұл кемшілікті толтыру үшін жақын орналасқан 4
атомдардың электрондарымен өзара алмасады (1.8. а-сурет). Сондықтан да
кристалл торындағы әрбір атом 4 жақын атомдармен қоршалған. Осы сияқты 8
электронға дейін сыртқы атом қабыршақтары Менделеевтің периодтық
кестесіндегі V, VІ, VІІ топтардағы элементтердің атомдары толтырылады.
І-класс. Бұл классқа көп элементтер жатады, олар - металдар. Металл
торларында атомдар емес, олардың иондары орналасқан. Олар инертті газдар
секілді сфералық симметрияға ие. Сондықтан металдар кристаллизация кезінде
инертті газдар секілді тығыз орналасқан торға ие деп күтуге болады. Шынында
да, металдар 3 түрлі кристалл торларына ие. Координациялық саны 12-ге тең
жақ центрленген куб (1.2. в-сурет), координациялық саны 12-ге тең
гексагональды тығыз орналасқан тор (1.2.-сурет) және 8 координациялық санға
тең көлем центрленген куб (1.2. б-сурет). Бұл ең ұлпа торлы металл
(кеңістікті атомдармен толтыру мағынасында). Идеал гексагональды торда
тең.
ІІ-класс. Бұл класстағы химиялық элементтер металл мен ІІІ класстағы 8-
N ережемен кристаллизацияланатын элементтер арасындағы аралық кристалдарға
жатады. ІІВ топтағы Zn, Cd, Hg металдар, олай болса олар жоғары
координациялық санға ие металл торларының біріне жатуы керек. Ал шындығында
Zn және Cd кристаллизацияланғанда ерекше гексагональды компакты құрылымға
ие болады. са=1,633 болмай, бұл қатынас 1,9 тең болады. Бұл кристалдардың
координациялық саны 12-ге тең болмай, 6-ға тең, яғни 8-N ережеге
сәйкес келеді.[4] Бұл атомдар базис жазықтығында орналасқан болады. Ал
сынапқа (Hg) 8-N ереже толығымен орындалады, ол қарапайым ромбоэдрикалық
құрылымға ие, мұнда әрбір атом 6 жақын орналасқан атомдармен қоршалған,
яғни координациялық сан 6-ға тең. Бор ІІІВ топқа жатады, оның торы
деформацияланған, әрбір атомы 5 жақын атомдармен қоршалған тормен
сипатталады, яғни тордағы атомдардың орналасуы 8-N ережеге сәйкес келеді.
Ерекше топтарға алюминий, индий, талий және қорғасын элементтердің
торларын жатқызуға болады. Олардың барлығы металдың немесе аз шамаға
деформацияланған металдың құрылымына ие, бірақ бұл элементтердің атомдары
кристалдарда жарым-жартылай ионизацияланған болуы мүмкін. Себебі олардың
атом ара қашықтығы ол элементтердің алдындағы элементтер атомдарының ара
қашықтығынан үлкен болып келеді. Мысалы, алюминий торының параметрі а=4,04
Å болса, оның алдындағы магнийдікі а=3,2 Å, индийдікі а=4,87 Å болса, оның
алдындағы кадмийдікі а=2,97 Å, қорғасындікі а=4,94 Å болса, оның алдындағы
сынаптікі а=3,83 Å.
Әр түрлі кристалл құрылымы болуының себебін түсіндіру мақсатында
көптеген теориялық зерттеулер болған. Солардың ішінде ең қарапайым таза
металдарға кванттық механика арқылы атомдардың әр түрлі орналасуына
анықталған атомдар арасындағы әсерлесу энергиясына қарағанда, кристалл
құрылымының тұрақтылығына жүйенің (кристалдың) энергиясы минимальды болуы
сәйкес келуімен дәлелденген.
Таза металдардың және интерметалды қосындылардың құрылымын түсіндіруде
Юм-Розери өзінің ерекше ұсынысын жасаған. Юм-Розеридің гипотезасы
электрондық концентрация түсінігіне негізделген. Тордың бір атомына келетін
валенттік электрондардың санын электрондық концентрация деп атайды. Металл
торының түйінінде орналасқан оң заряды бар иондардың электрон газдармен
бірін-бірі тарту күшін тудыратын себебі, электрондық концентрациясы бірдей
әр түрлі металдардың және қоспалардың байланыс күштері ұқсас болады және
олардың кристалдық құрылымы бір типті болады. Эксперимент нәтижелері бұл Юм-
Розери ұсынысының дұрыс екенін дәлелдейді. Менделеевтің периодтық
кестесіндегі бір топта орналасқан химиялық элементтердің валенттік
электрондары бірдей және олар негізінен бір құрылымға сәйкес
кристаллизацияланады (1.1-кесте). AgZn, Cu3Al, Cu3Sn және басқа көп
интерметалды қосындылардың электрондық концентрациясы, жобамен 1,5 тең және
олардың кристалдық құрылымы бірдей – көлем центрленген куб. AgCd3, CuZn3
т.б. интерметалды қосындылардың электрондық концентрациясы 1,75 тең, олар
гексагоналды тығыз орналасқан құрылымға ие, т.с.с.Бірақ электрондық
концентрация ережесі барлық жағдайда орындала бермейді, кейбір кезде бір
топта орналасқан элементтердің кристалдық торы әр түрлі болады. Сонымен
қатар электрондық концентрациясы бірдей, бірақ кристалдың құрылымы әр түрлі
көптеген қосындыларды көрсетуге болады. Бұл мәліметтерге қарағанда,
кристалл құрылымын тек электрондық концентрация анықтай алмайды, сонымен
қатар құрылымға тор элементтері арасындағы өріс күші де (оның
интенсивтілігі, геометриясы), т.б. факторлар да өзінің әсерін тигізеді.
Полиморфизм құбылысы. Бірнеше қатты денелерде екі және одан да көп
кристалдар құрылымына және қасиеттерге ие, әрбір құрылым әр түрлі
температурада және қысымда тұрақты болады. Мұндай құрылымдарды полиморфты
форма немесе заттың модификациясы деп атайды, ал бір модификациядан екінші
модификацияға өтуді полиморфты түрлену деп атайды.
Полиморфты модификацияны грек әрпімен белгілеу қабылданған: қалыпты
және төменгі температурада тұрақты модификация (-мен белгіленеді, ал жоғары
температурадағы тұрақты модификацияларды сәйкесінше (, (, ( және т.б.
әріптермен белгілейді. Полиморфизмге классикалық мысал ретінде қалайыны
алуға болады. 13,3(С температурадан төмен температурада қалайының (
модификациясы тұрақты болады, бұл кезде қалайының құрылымы алмаз типті
тетрагональды куб торға ие. Бұл қалайыны сұр қалайы деп те атайды. Мұндай
құрылымды қалайы морт болып келеді және ұнтаққа айналып оңай қирайды;
13,3(С температурада (-Sn қалайының модификациясы (-Sn модификациясына
айналады, құрылымы көлем центрленген тетрагональды торына ие болады. (-Sn
модификациялы қалайыны ақ металды қалайы деп те атайды, ол пластиктивті
болып келеді. (-Sn-нен (-Sn модификациясына өту барысында салыстырмалы
көлемі елеулі өзгереді (шамамен (25(). Бұрынғы кезде көп заттар қалайыдан
жасалған (мысалы әскери киімдердің түймелері, т.б.) төмен температурада
заттардың бетінде бөртпелердің (наросттың) пайда болуы және заттың төменгі
температурада ұнтаққа айналып, қирауын байқаған, бұл құбылысты
түсінбегендіктен, металдың белгісіз ауруы деп, оны қалайылы чума деп
атаған. Қалайыдан басқа полиморфизм қасиетіне көптеген басқа да химиялық
элементтер ие, мысалы: көміртегі, темір, никель, кобальт, вольфрам, титан,
бор, бериллий, т.б., сонымен қатар көптеген химиялық қосындылар және
қоспалар. Теориялық көзқарас бойынша, полиморфизм барлық қатты денелерде
болу керек еді, егер олардың қатты күйде тұрақты болып қалу мүмкіндігі
олардың балқу және сублимация процестерімен шектелмеген болғанда.
Полиморфизм құбылысының болуы кристалды қыздырғанда немесе қысыммен әсер
еткенде атомдардың қозғалу интенсивтілігінің өзгеруінің арқасында және
атомдар ара қашықтығының өзгеруі кристалл торындағы атомдар арасындағы
байланыс күштің және оның интенсивтілігінің өзгеруіне алып келуімен
байланысты, басқаша айтқанда температура мен қысым атомдардың қозғалысын,
атомдар ара қашықтығын өзгертеді, ал бұл өзгеріс атомдар арасындағы күшті
және оның интенсивтілігін өзгертеді, ал бұл өзгеріс атомдар арасындағы
күшті және оның интенсивтілігін өзгертеді, ал бұл өзгерістер полиморфизм
құбылысына алып келеді. Абсолют ноль температурасы аумағындағы тұрақты
құрылымда атомдар арасындағы байланыс күш ең жоғары болуы керек. Менделеев
кестесінде қалайы ІV топта орналасқан, мұнда құрылым алмаз құрылымды
болады, яғни әрбір атом валенті 4 атоммен бағытталған ... 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