Дәнекерленетін қатты дененің құрылысы

1 Дәріс тақырыбы Кіріспе. Катты де ненің құрылысы

Материалтану - материалдардың қүрылымдарын олардың қүрамымен, физикалық, химиялық, технологиялық және ксплуатациялық қасиеттерін, электрондық қүрылымдарының өзара байланысын зерттейтін гылым.

Материалтану дербес ғылыми пән ретінде XIX ғасырдың алғашқы жартысынан кейін дами бастады. Ғылымның бүл саласының дамуы металдар қүрылысын микроскоппен алғаш рет (1831) зерттеген үлы орыс ғалымы П.П. Аносовтың атымен байланысты. Ол қоспаланған болаттарды алудың алғашқысы деп есептелінеді. Жүздерді даярлауға арналған қүрыш болаттың теориясы мен технологиясын шығарды. Болат беттеріне қүрышты болаттық өрнектердің пайда болуы оның ішкі қүрылымына байланысты болатындығы оның жүмыстарының нәтижесінде анықталды.

Металдарды микроскоппен зерттеу әдісін 1863 жылы, яғнн 30 жылдай уақыт өткен соң ағылшын оқымыстысы Сорби қолданды. Металтанудың ғылыми негіздерін жасаушы ғалым Д. К. Чернов болып есептелінеді, себебі ол болаттарда көміртек санымен болаттардың фазалық айналулардың сын температурасы мен олардың байланысын орнатты. Металтануда өте маңызды болып табылатын темір мен көміртегінің қоспалары негізіндегі қорытпалардың күй-жағдайларының диаграммасын алу. Д.К. Чернов болаттағы аллотропиялық айналуларды ашу арқылы болаттың термиялық өңделуінің негізін салды. Өндірістік жағдайда болаттың сын нүктесі арқылы суару мен жүмсартудың және пластикалық түр өзгертулерінің үтымды температурасын тандауға мүмкіншілігін берді. Д.К. Чернов өзінің болаттың кристалдануымен және кесегінің қүрылымы жүмысында қүю теориясының негізгі жайларын баяндады, бүл жүмыс өзінің ғылыми және практикалық маңыздылығын осы кезге дейін жоғалтпаған. Д.К. Чернов металдар мен қорытпалардың қасиеттерін зерттеп, дағдарыс нүктесін ашты.

Металтану ғылымы металдардың, қорытпалардың күрылысы мен қасиеттерін зерттеп, олардың арасындағы заңдылықтарды анықтайды. Металтану ғылымы, химия, математика және физика пәндерімен тығыз байланысты. Бүл ғылымның негізгі міндеті – техникада қолданылатын металдар мен корытпалардың қасиеттерін зерттеу және жасанды жолмен өзгерту, шаруашылық нысандарының әртүрлі тарауларында қолданылатын жоғары сапалы, жаңа қасиетті жасанды материалдар алу.

Металтанудың негізгі даму бағыттары таза және ең таза металдарды өңдеудің өндірістік тәсілдерін жетілдіріп, қолданыстағы техникалық таза металдардан айрықша қасиетті болатын және күшті жүмыс істеу мүмкіншілігі бар. Материалтанудың басты мақсаты алдын ала берілген есептегі параметрлерге және жүмыс шарттарына сәйкес келетін қасиеттердегі материалдарды жасау. Экстремалды жағдайларда (төменгі және жоғары қызулар мен қысым жағдайында) металдардың зерттелуіне аса назар аударылуда.

Металдар, олардың атомдық-кристалдық қүрылымының

ерекшеліктері

Ерте заманнан адам баласының өмір тіршілігіне қажетті материалдардың қатарына кең және көп қолданылатын металдардың орны әрқашан ерекше болған. Бүған гректердің адамзат тарихын замандардың аттарына (алтын, күміс, қола, темір ғасырларын) сәйкес бөлуі және археологиялық қазбаларда табылған металл бүйымдары (соғылған мыс әшекейлері, ауыл шаруашылық қүрал-сайманы), сонымен бірге, қазіргі заман техникаларында металдардың және қорытпалардың жаппай қолданылуы дәлел бола алады. Мүның себебі металдардың басқа материалдарға қарағанда көп жағдайда өзгермейтін пайдалы ерекше қасиеттеріне байланысты. Металдар - конструкциялық материалдардың сыныптары ретінде ерекше сипаттаушы қасиеттердің атауына ие:

• «Металл жарқылы» (жақсы шағылыстырғыштық қабілеті);

• Пластикалық иілімділігі;

• Жоғары жылу өткізгіштігі;

• Жоғары электр өткізгіштігі.

Осы қасиеттері металдар қүрылымдарының ерекшеліктерін ескертеді. Металдың күйінің теориясына сәйкес, металл дүрыс зарядталған түйіндерден (ядролардан) қүрылып, оның орбиталары арқылы электрондарға айналатын зат. Соңғы деңгейдегі электрондардың саны аз және олар түйінмен әлсіз байланыста. Бүл электрондар металл көлемінің барлық жерінде орналасу мүмкіншілігіне ие, демек атомдардың бүтін жиынтығына жатады. Сайып келгенде, «электрондық газдың» болуымен пластикалық, жылу өткізгіштік және электр өткізгіштік жағдайлары қамтамасыз етіледі.

Барлық металдар, әдеттегі шарттарда қата бастаганда, кристалдық зат ретінде сипатталып, яғни олардағы атомдар орналасуы айқын ретпен - мерзімділікпен, әртүрлі бағыттармен, сол сияқты әртүрлі жазықтықтармен сипатталады. Бүл дегеніміз кристалдық тор ретіндегі үғымды береді. Басқаша айтқанда, кристалдық тор - кеңістік қүрайтын тор, әр түйіндерде қатты зат қүраушы кішкентай бөлшектер орналасқан.

Элементарлық ұя - атомдардың аз сандары бар, қайта-қайта тасымалдаумен кеңістікте барлық кристалды салуға болатын көлемнің бөлігі.

Элементарлық үя кристалл қүрылымдарының ерекшеліктері туралы сипаттама береді. Кристалдың негізгі параметрлері төменгідей:

- элементарлық үяның қабырғаларының өлшемдері. а, Ь, с – тор кезеңдері - жақын орналасқан атомдардың орталарының ара қашықтықтары. Бір бағытта қатал айқын іркіледі.

- үйлестік сан (К), тордағы атомдардың жақын арасының бірдей арақашықтығында орналасқан атомдардың санын көрсетеді.

- тордың бір элементарлық үясына келетін атомдардың саны торнегізі (базисі) деп аталады.

- кристалдық тордағы атомдардың орам тығыздығы - атомдармен толған көлем, шартты түрде қатты шарлар сияқты қаралатын. Оны атомдармен толған көлемнің, үя көлеміне қатынасы арқылы анықтайды. (көлемді - ортаға келтірілген кубтық торлар үшін -0,68, қырлы - ортаға келтірілген кубтық торлар үшін -0,74).

1 –көлеміне центрленген куб торы, (ОЦК); 2 – қабырғаға центрленген куб торы, (ГЦК); 3 – гексагоналды тығыздалған тор, (ГПУ).

1 – сурет. Элементарлық ұяшықтар

Дене қасиеттері қайта қүрылған атомдардың табиғатына және сол атомдардың өзара әсер ету күшіне байланысты болады. Атомдардың аралық тартылыс күштері олардың ара қашықтықтарына тәуелді анықталады. Аморфты денелерде атомдар тәртіпсіз орналасқандықтан, кеңістігінде атомдардың ара қашықтығы әртүрлі бағыттарда бірдей, демек қасиеттері де бірдей болады, яғни аморфтыденелер изотропты болады.

Кристалдық денелерде кеңістікте атомдар дүрыс орналасады,атомдардың ара қашықтықғы әртүрлі бағыттарда бірдей емес және олардың тартылыс күштері бірдей емес, сондықтан қасиеттері бірдей болмайды. Қасиеттердің бағыттарға тәуелділігі анизотропия деп аталады.

Анизотропия қүбылысын түсіну үшін кристалдағы кристаллографиялық жазықтықтары мене кристаллографиялық бағыттарын бөлу қажет. Кристалдық тор түйіндері арқылы өтетін жазықтық, кристаллографиялық жазықтық деп аталады. Кристалдық тор түйіндері арқылы өтетін түзу кристалло-графиялық бағыт деп аталады.

Сыртқы әсерлерге байланысты (қысым, температура) кейбір металдардың әртүрлі кристалдық түрде болу қабілеттілігі аллотропиялығы немесе полиморфтығы деп аталады. Тордың әрбір түрі өзімен аллотропиялық түр өзгеру немесе модификациялану болып есептелінеді. Температураға тәуелділіктен аллотропиялық түр өзгеру үлгісіне темір жатады (Ғе).

Түрақты температурада бір модификациядан басқа түріне айналуы үдерісі күшті әсерлі жылулықпен жалғасады. Түр өзгертілген бөлшектерде, металдың негізгі белгілерінің көрсеткіші түрінде грек әліпбиінің әріптерімен белгіленеді.

Қысымның өзгеру салдарынан аллотропиялық түр өзгерудің үлгісі көміртегі болып табылады: төменгі қысымның әсерінен графит қүрылады, ал жоғарғы қысымнан - алмас. Полиморфтық қүбылысты қолданып, термиялық өвдеудің көмегіарқылы қорытпаларды беріктендіруге және жүмсартуға болады.

Кейбір металдар магниттік өріс әрекетінің салдарынан магниттеледі. Магниттік өріс алғаннан кейін де олар қалдық магниттікке ие болады. Бүл қүбылыс темірде алғашқы рет табылған және ферромагниттік деп аталды. Ферромагниктерге темір, кобальт, никель және басқа металдар жатады. Қыздыру салдарынан металдардың ферромагниттік қасиеттері бірте-бірте азаяды: басында әлсіз, содан соң өте көп және белгілі темрературада (Кюри нүктесі) жоғалады (темір үшін Кюри нүктесі - 768°С). Бүл температурадан жоғары болғанда металдар парамагнетиктер болады. Магниттікке айналулар кристалдық тордың немесе микроқүрылымның өзгеруіне емес, олар электрондар арасындағы өзара әсерлерінің қасиеттерінің өзгерулеріне байланысты.

2 Дәріс. Металдар мен қорытпалардың кристалдануы.

Кез келген зат үш агрегаттық күйде бола алады: қатты, сүйық, газ тәрізді. Егер жаңа шартты күйінің түрақты энергия қоры азырақ болса, бір күйден басқа түріне ауысуы мүмкін, Сыртқы шарттардың әртүрлі өзгеруінен, сүйық пен кристалдық күйдің бос энергиясы күрделі түрлі заңмен өзгереді.

Кристалдану үдерісі басталу үшін қажетті үдеріс жүйеге термодинамикалық пайдалы болып, жүйедегі бос энергияның азаюымен сүйемелденеді.

Сүйықтықтың кристалдануы тепе-теңдік температураларынан төмен суытуы тоңазытылуы деп аталып, тоңазыту дәрежесімен сипатталады (AT):

ΔT = Т_теор – Т_кр.

Тоңазыту дәрежесі металдың табиғатына, оның ластану дәрежесіне, (метал тазарақ болса, тоңазыту дәрежесі көбірек), салқындату жылдамдығына (суыту жылдамдығы жоғарырақ болса, тоңазыту дәрежесі көбірек) тәуелді болады.

Барлық кристалдық денелерді қыздырғанда қатты күйден сүйыққа ауысудың айқын шекарасы байқалады. Осындай шекара сүйық күйден қаттыға ауысу кезінде де болады. Кристалдану — бул суйық фазада кристалдық тор бөліктерінің пайда болу процесі және құрылган орталықтардан кристалдардың өсуі.

Жүйенің бос энергиясының аз мәнінде термодинамикалық түрақты күйде болғанда кристалдану басталады. Уақыт - температура координаталар жүйесінде металдың сүйық күйден кристалдық жағдайға өту үдерісін қисықпен бейнелеуге болады.

Т_теор - кристаллданудың теориялық температурасы;

Т_кр- кристаллданудың нақты температурасы.

2 - сурет. Таза металды суыту қисығы

Температураның баяу төмендеуімен металдың сүйық күй-жағдайында 1 нүктеге дейін суыту процесі жүреді. 1-2 аралығында жылу шығарумен жалғасқан кристалдану үдерісі жүреді, ол жасырын жылулы кристалдану деп аталады. Ол кеңістікке жылуын тарату арқылы орны толып, сондықтан температура түрақты болып қалады. 2 нүктеде кристалдану тоқтап, температура қайтадан төмендеп, металл қатты күй-жағдайда суытылады.

Металдардың кристалдану механизмі мен заңдылықтары

Сүйық металда температура лайықты төмендеуінің салдарынан кіші кристалдар - кристалдану орталықтары немесе дәндер қүрыла бастайды. Алдымен олардың өсуіне қажетті металдың бос энергиясы азаюы қажет, болмаған жағдайда дәндер еріп кетеді. Дәндердің еркін өсуіне қажетті ең аз өлшем сын өлшемі деп аталады, ал дән - түрақты.

3 - сурет. Қатты фазадагы дәндер өлшемдерінің

жуйе энергиясына тәуелділігі

Сүйық күй-жағдайдан кристалдық жағдайға өту сүйық пен кристалды бөлу беттерін қүруға арналған энергия шығындарын талап етеді. Кристалдану процесі жүзеге асады, егер де бөлу беттерін қүруға арналған энергиядан қатты күй-жағдайға өтуде көбірек жоғалтатын болса, қатты фазадағы дәндердің өлшеміне байланысты энергияның тәуелділігі 3 - суретте келтірілген.

Кристалдану орталықтары бастапқы фазада бір-бірінен байланыссыз кездейсоқ орындарда қүрылады. Басында кристалдар дүрыс түрлі болып, бірақ басқа кристалдармен қағысу және бітіп кетуіне байланысты түрі бүзылады. Оның өсуі қоректенуші ортаға еркін мүмкіншілігі бар бағыттарда жалғасады. Кристалдану біткеннен кейін поликристалды дене алынады.

Үсақ түйірлі қүрылым алу шарттары

Үсақ түйірлі қүрылым алудың тиімді шарттары төмендегідей болады: кристалдану орталықтарының саны барынша көп және кристалдардың өсуінің жылдамдығы аз болуы тиіс.

Кристалдану кезінде түйірлердің өлшемі, дайын кристалдану орталықтарының міндетін атқаратын ерімейтін қоспалардың кішкентай бөлшектерінің санына тәуелді болады - тотықтар, нитридтер, сульфидтер. Кішкентай бөлшектер көбірек болса, кристалданған металдардың түйірлері солғүрлым үсағырақ болады. Калыптардың қабырғаларының тегіс болмауы, кедір-бүдырлар металдың кристалдану жылдамдығын үлкейтеді. Сүйық металдарға бөгде заттарды (модификаторларды) қосып, үсақ түйірлі қүрылымды алуға болады. Оны модификациялау деп атайды. Әсер ететін механизмімен бөлінеді:

1. Сүйық металда ерімейтін заттар - қосымша кристалдану орталықтары ретінде алынады.

2. Металда еритін, өсіп түрған кристалдардың беттерін қоршап, олардың өсуіне кедергі болатын белсенді заттар.

Құйма металдың қүрылымы

Барынша көп тоңазыту шарттарында кристалдану қабықты аймақта жүреді. Кристалдану жылдамдығы кристалдану орталықтарының көп болуымен анықталады. Үсақ түйірлі қүрылым құрылады. Қабықты аумақ астында сүйық металл аз тоңазыту шарттарында орналасады. Орталықтардың саны шектеліп, кристалдану процесі олардың үлкен өлшемге дейін қарқынды өсуі арқылы іске асады Екінші аймақта кристалдардың өсуі бағытталған сипатта болады. Олар қалыптың қабырғаларына перпендикуляр өсіп ағаш тәрізді кристалдарды қүрайды. Олар дендриттер деп аталады. Дендриттер жылу шығу бағытына жақын бағытта өседі.

Құйма үш аймақтан түрады:

1. Үсақ кристалды қабықты аймақ;

2. Бағана тәрізді кристалдар аймағы;

3. Ірі тең ості кристалдардың ішкі аймағы.

4 - сурет. Құйма болат нобайы

5 - сурет. Д.К. Черновтың дендрит нобайы

Кристалданбаған металдардан жылу шығуы құманың ортасында әртүрлі бағыттарда теңеседі, орталық аймақта кездейсоқ бағытталған ірі дендриттер қүрылады. Кристалдану барысында бағана тәрізді кристалдар аймағы тоғысады, бүл қүбылыс транскристалдану деп аталады.

3 Дәріс. Металдардың механикалық қасиеттері

Механикалық қасиеттер – бұл, пайдалану шарты мен оның анықталған жағдайында түсетiн күштердiң әсерi арқылы материалдың күйiн анықтайтын қасиетi. Сынайтын материалда пайда болатын кернеулi күйдiң сипатына және күш түсiру шарттарына байланысты механикалық сынаулардың бiрнеше түрлерi болады:

• статикалық сынау (үлгiге күш баяу қойылады да бiркелкi өседi): созып сынау, сығып сынау, бұрап сынау, қаттылыққа сынау;

• динамикалық сынау (күш соққымен және үлкен жылдамдықпен әсер етедi): соққы созылу, соққы ию;

• циклдік сынау (айнымалы күш түсiргенде): жию, ию немесе бұрау.

Статикалық сынаудағы механикалық қасиеттерi. Осы сынау нәтижесiнде

алынған күш-ұзару (Р-l) координаттары кернеу-деформация (-) диаграммасымен ауыстырылады.

Сурет 6 -Машинадан алынған Сурет 7– Созу созу диаграммасы: P-l координаттарда диаграммасы:  - координаттарда салынған салынған

Қаттылыққа сынау арқылы НВ, HRC, HRB, HRA, HV шамаларын анықтайды.

Металдармен қорытпалардың қосылыстарының Бриннелль, Роквелл және Виккерс әдістері бойынша қаттылығын анықтау

Металл қаттылығын анықтауда бірнеше тәсіл қолданылады. Өндірісте және ғылыми-зерттеу мекемелерде жиі қолданылатын ол Бринелль, Роквелл, Виккерс тәсілдері мен микроқаттылықты анықтау.

Бринелль тәсілі. Металға сыртқы дененің енуіне оның көрсететін қарсы әсер күшін қаттылық деп атайды. Бринелль әдісінде металдың қаттылығын оған шынықтырылған болат шарикті белгілі күшпен батыру арқылы анықтайды. Бринелль машинасы диаметрі 2,5; 5; 10 мм үш түрлі шарикпен жабдықталады.

Металдың қаттылығы мен қалыңдығына байланысты сәйкес шарикпен машинаға қойылған үлгіге күш түсіріліп, үлгі сол күштің әсерінде шамалы уақыт ұсталғаннан кейін алынады. Нәтижеде сыналған үлгінің бетінде шариктың таңбасы (ойық) қалады. Неғұрлым металл жұмсақ болса, солғұрлым үлгіге шарик тереңірек батырылады. Қаттылық үлгіге түсірілген күштің үлгіде қалдырылған таңбасының бет ауданына қатынасымен анықталады. Бринелль әдісі бойынша анықталған қаттылық НВ әріптерімен белгіленіп, келесі формула бойынша есептеліп шығарылады:

НВ = н/м²,

Мұнда Р – үлгіге түсірілген күш;

S – шариктің үлгідегі таңбасының ауданы.

Шариктің үлгідегі таңбасы шар сегменті болғандықтан, оның ауданы S = 2πRH болады,

Мұнда R – шариктің радиусы,

h – ойықтың тереңдігі,

π – пи саны.

Сурет 8 – Бринелль әдісі бойынша қаттылықты анықтау

Ойықтың тереңдігін (h) сегменттің диаметрімен (d) өрнектесек шар сегме