Конструкциялық материалдар

2 Лекция. Материалдардың құрылымы мен қасиеттері

Дәріс мазмұны: Кристаллография элементтері. Заттың кристалдық құрылымының ерекшеліктері. Металдардың кристалдық торларының негізгі түрлері мен параметрлері. Кристалдану және қайта кристалдану процесінің механизмі. Полиморфты түрлендірулер. Өзін-өзі зерттеу үшін: металл кристалдарының нақты құрылымы және олардың ақаулары.

2.1 Кристаллография элементтері және заттың кристалдық құрылымының ерекшеліктері.

Қатты денелерде атомдарды кеңістікке екі жолмен орналастыруға болады:

- атомдардың бір-біріне қатысты белгілі бір орын алмаған кездегі ретсіз орналасуы. Мұндай денелер аморфты деп аталады.

Аморфты заттар қатты заттардың формальды сипаттамаларына ие, яғни олар тұрақты көлем мен пішінді сақтай алады. Дегенмен, олардың белгілі бір балқу немесе кристалдану температурасы жоқ.

- Атомдардың реттелген орналасуы, атомдар кеңістікте белгілі бір орындарға ие болған кезде, мұндай заттар кристалды деп аталады.

Қалыпты жағдайда қатып қалған Барлық металдар кристалды заттар болып табылады, яғни олардағы атомдардың қатаюы әр түрлі бағытта да, әр түрлі жазықтықта да белгілі бір тәртіппен - жиілікпен сипатталады. Бұл тәртіп ұғымымен анықталады кристалдық тор.

Кристалдық тор - түйіндерінде Қатты денені құрайтын бөлшектер орналасқан ойдан шығарылған кеңістіктік тор. 2.1-суретте кристалдық тордың моделі келтірілген.

2.1.1 металдардың кристалдық торларының негізгі түрлері мен параметрлері.

Кристалдық торлардың ықтимал түрлерінің жіктелуін француз ғалымы О. Браве жүргізді, сәйкесінше олар "браве торлары"деп аталды. Барлығы кристалды денелер үшін төрт түрге бөлінген торлардың он төрт түрі бар:

- қарабайыр-тор түйіндері бірлік ұяшықтардың шыңдарымен сәйкес келеді;

- базоцентрленген-атомдар жасушалардың шыңдарын және қарама-қарсы беттерде екі орынды алады;

- көлемді-атомдар жасушалардың шыңдарын және оның ортасын алады;

- орталанған қырлары -атомдар жасушаның шыңдарын және барлық алты беттің орталықтарын алады.

Металдардың кристалдық торларының негізгі түрлері:

Көлемді орталықтандырылған текше (OCC) (2.2,V,E суретін қараңыз), атомдар текшенің шыңдарында және оның орталығында орналасқан (V, W, Ti, Feα)

Бетке бағытталған текше (ГЦК) (2.2,б,д-суретті қараңыз), атомдар текшенің шыңдарында және 6 беттің әрқайсысының ортасында орналасқан (Ag, Au, Feγ)

Алтыбұрышты, оның негізінде алтыбұрыш жатыр:

- қарапайым-атомдар жасушаның шыңдарында және екі негіздің ортасында орналасқан (графит түріндегі көміртек);

- тығыз оралған (GPU) - ортаңғы жазықтықта 3 қосымша Атом бар (2.2,A,G суретін қараңыз) (мырыш).

2.2-сурет-металдардың кристалдық торларының негізгі түрлері

Бірлік ұяшық-бұл атомдардың минималды санынан көлем элементі, оны кеңістікте бірнеше рет беру арқылы бүкіл кристалды құруға болады (2.1-суретті қараңыз).

Бірлік ұяшық кристалдың құрылымдық ерекшеліктерін сипаттайды. Кристалдың негізгі параметрлері:

- бірлік ұяшығының шеттерінің Өлшемдері, а, b, с - тор периодтары - жақын атомдардың центрлері арасындағы қашықтық. Тор периоды-бұл бірлік ұяшықтың шетіндегі атомдар арасындағы қашықтық, нанометрмен өлшенеді (1 нм = 10-9 м = 10 Ǻ).

Алтыбұрышты торды сипаттау үшін екі параметр қабылданады - алтыбұрыштың жағы а және призманың биіктігі с. С / А = 1,633 қатынасы болған кезде атомдар ең тығыз оралған, ал тор алтыбұрышты тығыз оралған деп аталады (2.2 - суретті қараңыз, а, г),

- осьтер арасындағы бұрыштар (α, β, β) деп белгіленеді.

- координациялық Сан жақын орналасқан бірдей қашықтықтағы элементар бөлшектердің санын анықтайды. Мысалы, көлемді текше торында

(OCC) әрбір Атом үшін мұндай көршілердің саны сегізге тең болады (8-ге дейін). Қарапайым текше тор үшін координациялық Сан 6 болады (6-ға дейін). Үшін

бетке бағытталған текше тор (ГЦК) координациялық саны 12-ге тең (12-ге дейін).

- тор негізі-тордың бір элементар ұяшығына келетін атомдар саны.

- кристалдық тордағы атомдардың орау тығыздығы-шартты түрде қатты шарлар ретінде қарастырылатын атомдар алатын көлем. Көлемді орталықтандырылған текше тор үшін қаптама тығыздығының шамасы 68%-ға, бетке орталықтандырылған текше тор үшін 74% - ға тең.

2.2 Кристаллографиялық бағыттар мен жазықтықтар

Кеңістіктік тордағы кристалдық құрылымның реттілігі жеке кристаллографиялық бағыттар мен жазықтықтарды бөлуге мүмкіндік береді. Кристаллографиялық бағыттар-бұл атомдар кристалдық торда орналасқан тірек нүктесінен шығатын тән түзулер. Анықтамалық нүктелер текшенің шыңдары, ал кристаллографиялық бағыттар оның шеттері мен диагональдары, сондай - ақ беттердің диагональдары болуы мүмкін (2.3 а суретті қараңыз).

Кристаллографиялық жазықтықтар, мысалы, текшелердің беткі жазықтықтары (2.3 б-суретті қараңыз), Сондай-ақ олардың әр түрлі диагональды жазықтықтары,оларда орналасқан атомдармен бірге (2.3 в, г-суретті қараңыз).

Ох бағытының және оған параллель бағыттардың индекстері [100] деп белгіленеді. Тиісінше, OY және OZ бағыттары [010] және [001] деп белгіленеді. Бет диагональдары бойымен кристаллографиялық бағыттар

а б в г

2.3-сурет-кристалдық тордағы кристаллографиялық бағыттар мен жазықтықтар (негізгі бағыттар және олардың белгіленуі)

XOZ, XOY және YOZ [101], [110] және [011] дегенді білдіреді. Осы әдісті қолдана отырып, кез-келген бағыттың индексін анықтауға болады. Мысалы, текше диагоналі бойымен бағыт индексі [111] түрінде көрсетіледі.

2.3 металдардың кристалдануы

Кез-келген зат үш агрегаттық күйде болуы мүмкін: қатты, сұйық, газ тәрізді. Егер жаңа жағдайдағы жаңа күй неғұрлым тұрақты болса, энергия қоры аз болса, бір күйден екінші күйге ауысуға болады.

TS температурасынан жоғары осы схемаға сәйкес зат сұйық күйде, ал TS - ден төмен қатты күйде болуы керек. TS-ге тең температурада сұйық және қатты фазаның энергиясы бірдей Fж = FKp, екі күйдегі металл тепе-теңдікте болады, сондықтан екі фаза бір уақытта шексіз өмір сүре алады. TS температурасы-тепе-теңдік немесе теориялық кристалдану температурасы.

Кристалдану процесін бастау үшін процестің жүйеге термодинамикалық тұрғыдан тиімді болуы және жүйенің бос энергиясының төмендеуімен бірге жүруі қажет. Бұл сұйықтықты TS температурасынан төмен салқындату арқылы мүмкін болады.