ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ БЕРУ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

ҚМКМ Семей көлік колледжі

МЕТАЛДАР ТЕХНОЛОГИЯСЫ

пәнінен

ЖҰМЫСТЫҚ ДӘПТЕР №2

Металдар құрылысы мен қасиеттері

бөлімі бойынша дәрістер, зертханалық жұмыстар және тапсырмалар

Қаржаубаева Ж.Қ.

Семей, 2013 жыл

МАЗМҰНДАМА

Түсініктеме хат..............................................................................................3

1 тарау. Металдардың құрылысы............................................................3

§1. Металдардың кристалдық құрылысы.....................................................3

§2 .Металдардын қасиеттері..........................................................................5

§3. Физикалық қасиеттер...............................................................................5

§4. Механикалық қасиеттер..........................................................................6

§5. Технологиялық қасиеттер.......................................................................7

1 тарау бойынша тапсырма...........................................................................7

2 тарау. Металдарды сынау ......................................................................10

§ 6. Механикалық сынаулар.........................................................................10

§7. Созу арқылы сынау.................................................................................10

§8. Сығу арқылы сынау................................................................................13

§9. Ию арқылы сынау....................................................................................13

§10. Соғу арқылы сынау................................................................................14

2 тарау бойынша тапсырмалар.....................................................................15

№ 1 зерханалық жұмыс. Қаттылықты анықтау...........................................16

3 тарау. Қорытпалар теориясы................................................................. 19

§ 11. Қорытпалар теориясынан негізгі мәліметтер.....................................19

§ 12. Күй диаграммалары...............................................................................21

§ 13. Темір-көміртек диаграммасы...............................................................24

№ 2 зерханалық жұмыс. Ғе-С күй диаграммасы.........................................28

Қолданылған әдебиеттің тізімі......................................................................29

Түсініктеме хат

Ұсынылып отырған жұмыстық дәптер «Металдар технологиясы» пәнінің металтану бөлімі бойынша қосалқы оқұлық ретінде қолдану үшін дайындалған. Жұмыс дәптерінде тақырыптардың дәрістері берілген, суреттер, диаграммалар және сұлбалармен қалыптастырылған. Жұмыстық дәптер үш тараудан тұрады, әр тараудың соңында бақылау тапсырмалар берілген.

Жұмыстық дәптерде 2 зерханалық жұмыс орындау үшін әдістемелік нұсқау және жұмыс хаттамасын толтыру кестелері келтірілген.

1 тарау. МЕТАЛДАРДЫҢ ҚҰРЫЛЫСЫ

§1. Металдардың кристалдық құрылысы

Қатты заттар, кристалдық құрылысына байланысты, металдар, металл емес аморфты заттар болып екіге бөлінеді. Металдар мен металл қорытпаларының электр, жылу өткізгіштік, пластикалық қасиеттері жоғары, металдық жарқылы бар. Олар қатты күйінде кристалл торлардан құралады. Кристалл торлары белгілі заңдылықпен орналасқан атомдардан құралады.Атом электрондары металл газ молекулалары сияқты тәртіпсіз қозғалыста болады. Кристалл денелердің қатты күйден сұйық күйге немесе сұйық күйден қатты күйге өтуі белгілі бір тұрақты температурада болады.

1860 жылы орыс кристаллографы Е.С.Федоров кристалды денелер атомдарының кеңістікте белгілі бір заңдылық бойынша орналасытындығы туралы пікір айтады. Кейіннен бұл пікір рентген сәулелерінің жәрдемімен тәжірибе жүзінде дәлелденді. Кристалды денелердің атомдары (иондар) кеңістік торларының түйіндерінде белгілі бір заңдылық бойынша орналасып, үздіксіз тербелмелі қозғалыста болады.

Атомдары (иондары) белгілі бір тәртіппен орналасқан заттарда әр уақытта кеңістікте орналасуы қайталанып отыратын атомдардың ең аз жиынтығын кристалдық элементтер торы немесе кеңістік торы деп атайды. Әрбір кристалды элементтің өз торы болады. Na, K, Ba, Fe_α элементтері көлемге центрленген кубтан, ал Cu, Ag, Pb, Bi, Co, Fe_γ элементтері қабырғаға центрленген кубтан, ал Mg, Be,Zn, Ca, Cd, Sn - элементтері гексогоналық тордан тұрады. Кристалдық торлардың түрі көп, солардың ішіндегі ең қарапайымы – куб торы.

1.Көлемдік орталықтандырылған кубтік тор (КОК торы)

Элементарлық ұяшығында 9 атом, атомаралалық қашықтығы нанометрмен өлшенеді 1 нм = 0,000000001 м немесе 10 м. КОК торын келесі маңызды металдардың атомдары құрайды: α-Ғе, β-Ғе, α –Ті, Cr, Мо, W, V.

2. Қабырғадан орталықтаңдырылған кубтік тор (ҚОК тор)

ҚОК торының элементарлық ұяшығында 14 атом, мұндай торды келесі маңызды металдардың атомдары құрайды: γ-Ғе, Аl, Cu, Ni, Pb, Au, Ag, Pt, β-Co.

3. Гексагоналдық тығыз қапталған тор (ГТҚ)

ГТҚ торының элементарлық ұяшығында 17 атом, мұндай торды келесі маңызды металдардың атомдары құрайды: Mg, Na, Ca, K, Zn, α -Co.

§2 .Металдардын қасиеттері

Металдардың қасиеттері төрт топқа бөлінеді: физикалық, химиялық, механикалық, технологиялық.

Физикалық қасиеттерге жататындар – түсі, тығыздығы, балқу температурасы, электр және жылуөткізгіштік, сызықтық және көлемдік кеңейу коэффициенті.

Химиялық қасиеттерге жататындар – қышқылдану, еру, коррозияға төзімділік, ыстыққатұрақтылық.

Механикалық қасиеттерге жататындар – қаттылық, беріктік, серпімділік, майысқақтық, созылғыштық, морттылық.

Технологиялық қасиеттерге жататындар – сұйыққұйылғыштық, соғылғыштық, отыру, пісірулетіндік, тозуға төзімділік, өңделгіштік.

§3. Физикалық қасиеттер

Түсі. Темір негізіндегі қорытпалардың түсі сұр болып келеді. Мыстын түсі қызғылт, ал мыс негізіндегі көп қорытпалар сары түсті болады, кей жағдайлаода алтынға ұқсас болады. Алюминий, магний, қалайы және олардын қорытпалары ақ- күміс түсті.

Тығыздық – деп металдын немесе қорытпаның 1 см³ граммен өлшенген салмағын айтады. Оның ауыр металдарды өндіргенде және байытқанда, қорытпа дайындағанда үлкен мәні бар. Жеңіл металдар алюминий және магний негізіндегі қорытпалардың мәні авиациялық техникада және өндірістін басқа салаларында машина бөлшектерінің салмағын азайту үшін зор мәні бар.

Балқу температурасы деп қыздырылған метал қатты күйден сұйық күйге ауысатын температураны айтады. Ол температураны білу металлургияда бөлшектер мен дайындамаларды ыстық өндеуде керек.

Жылу өткізгіштік – деп металдардын жылу өткізу қасиетін айтады. Жылу өткізгіштігі үлкен металдар өте жақсы тоқ өткізгіштік болады. Қорытпалардын жылу өткізгіштігі әсіресе метал қалыптарына құйғанда, соққанда және термиялық өндеуде керек.

Сызықтық және көлемдік кеңейу коэффициенті металдарды қыздырған кезде кеңейу қасиетін сипаттайды. Бұл қасиетті дәл құрал саймандар мен аспатарды құрастыру және өндеу кезінде, сонымен қоса құйылған бөлшектер мен пісіру арқылы алынған конструкцияларды суытқан кезде, есепке алу керек.

§4. Механикалық қасиеттер

Беріктік –материалдын сыртқы күштер әсерінен бұзылуына қарсылық көрсету қасиеті. Сыртқы күштер түсу тәсілдері бойынша беріктіктін келесі түрлері болады созылу беріктігі, бұралу беріктігі, шаршау беріктігі, т.б.

Қаттылық деп дененің сыртқы қабатындағы күш түскен кезде деформациялануға қарсылық көрсетуді айтады. Қаттылықты Бринелль және Роквелл әдістерімен анықтайды Бұл әдістерде қаттылықты қатты, шынықтырылған болаттан жасалған шарикті немесе алмас ұшты денеге батыру арқылы табады.

Серпімділік – материалдардын сыртқы күштер жойылғаннаң соң өзінің қалпына қайта келу қасиеті. Бұл қасиетке қарсы қасиет майысқақтық.

Майысқақтық – материалдын сыртқы күштер әсерінен бұзылмай қалпын өзгертіп және жаңа қалпын сақтау қасиеті.

Созылғыштық деп материалдын механикалық қуатты сіңдіру және өз майысқақтығын бұзылуға дейін сақтау қасиетін айтады. Созылғыштыққа қарама-қарсы қасиетті морттылық деп атайды.

§5. Технологиялық қасиеттер

Соғылғыштық – металдардардын қысым арқылы бұзылмай өнделгіштігі, яғни оларды суық күйінде соғып, прокаттап, штамптап өндеуге болады. Соғылатын металдардын міндетті қасиеті –майысқақтық.

Сұйыққұйылғыштық – балқытылған металдардын қалыпты барлық жұқа және күрделі бөліктерін толтыру және дәл конфигурациялы тығын құйма беру қабілеті.

Отыру – қатайу және бөлме температурасына дейін суу процессінде балқытылған металдын көлемін қысқартуы. Өлшемдердін өзгеруі сызықтық отыру деп аталады және пайызбен көрсетіледі, мысалы шойынның отыруы 1 %, болаттыкі 1,5-2 %.

Пісіруленетіндік – металдардын пісіруде берікті қосылыс беру қабілеттігі.

Тозуға төзімділік - металдардын өлшемдерін өзгертіп және бұйымдардын бетін бұзатын үйкелістік күштеріне және жүктемеге қарсылық көрсету қабілеті.

Өнделгіштік – металдардын бөлшекке белгілі қалып, өлшем және бет тазалығын беру үшін, кесу аспаптарымен өндеуге жарамдылығы.

1 тарау бойынша тестік сұрақтарға жауап беріндер.

1. Мына металдардың қайсында - Көлемдік орталықтандырылған кубтік тор (КОК)

А. Мыс

Б. Марганец

В. Магний

Г. α-Темір

Д. γ- Темір

2. Мына металдардың қайсында - Қабырғадан орталықтаңдырылған кубтік тор (ҚОК)

А. Мыс

Б. Марганец

В. Вольфрам

Г. α-Темір

Д. γ- Кобальт

3. Мына металдардың қайсында - Гексагоналдық тығыз қапталған тор (ГТҚ)

А. Мыс

Б. Мырыш

В. Вольфрам

Г. α-Темір

Д. γ- Темір

4. Мына қасиеттердің қайсысы химиялық қасиеттерге жатады.

А. Қаттылық

Б. Коррозияға төзімділік

В. Сұйықаққыштық

Г. Электрөткізгіштік

Д. Балқу температурасы

5. Мына қасиеттердің қайсысы механикалық қасиеттерге жатады.

А. Беріктік

Б. Коррозияға төзімділік

В. Сұйықаққыштық

Г. Ыстыққа төзімділік

Д. Соғылғыштық

6. Мына қасиеттердің қайсысы физикалық қасиеттерге жатады.

А. Қаттылық

Б. Коррозияға төзімділік

В. Сұйықаққыштық

Г. Электрөткізгіштік

Д. Серпімділік

7. Мына қасиеттердің қайсысы технологиялық қасиеттерге жатады.

А. Беріктік

Б. Үйкеліске төзімділік

В. Сұйықаққыштық

Г. Электрөткізгіштік

Д. Серпімділік

8. Материалдын сыртқы күштер әсерінен бұзылуына қарсылық көрсету қасиеті қалай аталады.

А. Қаттылық

Б. Беріктік

В. Серпімділік

Г. Мортсыңғыштық

Д. Майысқактық

9. Қатайу және бөлме температурасына дейін суу процессінде балқытылған металдын көлемін қысқартуы қалай аталады.

А. Өңделгіштік

Б. Пісірілгіштік

В. Созылғыштық

Г. Отыру

Д. Сұйыққұйылғыштық

10. Дененің сыртқы қабатындағы күш түскен кезде деформациялануға қарсылық көрсетуді қалай атайды

А. Қаттылық

Б. Беріктік

В. Серпімділік

Г. Мортсыңғыштық

Д. Майысқакқтық

Дұрыс жауапты белгілеп, берілген 1 кестеге еңгіз (карандашпен)

1 кесте.

2 тарау. МЕТАЛДАРДЫ СЫНАУ

§6. Механикалық сынаулар

Механикалық сынаулардың өндірісте маңызды мәні бар. Машиналар мен механизмдер бөлшектері жұмыс кезінде түрлі жүктеледі: кейбір бөлшектер тұрақты бір бағыттағы күшпен жүктеледі, басқасы соғуға ұшырайды, үшіншісінде - күштер бағыты мен мөлшерін өзгертеді. Осыған қарай, металдардың механикалық қасиеттерін анықтау үшін, әр түрлі сынау әдістері бар. Бұл сынаулар екі топқа бөлінеді: статикалық және динамикалық.

Статикалық деп сыналатын металды тұрақты немесе баяу өсетін күшке ұшыратуды айтады.

Динамикалық деп сыналатын металды соғу күшіне ұшырататын сынауды айтады.

Кеңінен таралған сынау түрлері – статикалық созу, қаттылықты сынау, динамикалық соғу.

§7. Созу арқылы сынау

Созу арқылы сынау. Созу арқылы металдың пропорционалдық, серпімділік, аққыштық, беріктік шектері мен үзіліске шын кедергісі, салыстырмалы ұзару, жіңішкеру коэффициенттері сияқты механикалақ және пластикалық қасиеттері анықталады. Бұл үшін сыналатын металдан көлденең қимасы дөңгелек (сурет) немесе тік бұрыш (сурет) формалы үлгілер жасайды. Үлгілердің диаметрі 20 мм, ұзындығы 100 мм.

Металдарды созуға сынау арнаулы үзу машинасының жәрдемімен жүргізіледі. Бұл машинамен үлгіге баяу өсіп отыратын күш түсіру

арқылы үлгіні үзеді.

3-сурет. Металды созу арқылы сынаудың үлгілері.

Үлгіге түсірілген күш пен оның созылу шамасын автоматты түрде машинаның өзі үздіксіз жазып отырады. Егер үлгіге түсірілген күш пен оның созылу шамасының арасындағы байланысты графикпен кескіндесек, төменде келтірілген металдың созылу диаграммасы шығады. Диаграмманың ордината өсінде үлгіге түсірілген күш (Р), абсцисса өсінде үлгінің салыстырмалы ұзару шамасы салынған.

Үлгінің абсолют ұзару шамасы деп оның соңғы ұзындығы (l) мен бастапқы ұзындығының (l₀) айырмасын айтады:

Δl ═ l–l₀

Диаграмманың ОР участогында үлгінің салыстырмалы ұзаруы пропорционалдық шек күшіне тура пропорционал.

Егер металға түсірілген күш серпімділік шегінен аспаса, металдың геометриялық өлшемдері оған түсірілген күш жойылғаннан кейін бастапқы қалпына келеді, яғни металл серпімді деформацияға ұшырайды.

Егер металға түсірілген күш серпімділік шегінен асып кетсе, онда металл күш жойылғаннан кейін бастапқы геометриялық формасын сақтай алмайды; бұл жағдайда металл қалдық деформацияға ұшырайды.

Р_е нүктесінен соң күш пен үлгінің абсолют ұзару шамасының арасындағы пропорционалдық заңдылық бұзылып, Р_s нүктесінде диаграмманың сызығы горизонталь түзу сызыққа айналады.

Р_s нүктесінде, түсірілген күштің тұрақтылығына қарамастан, металдың ұзындығы арта береді (металл ағады).

Металдың ағуына сәйкес кернеуді оның аққыштық шегі (σ_s) дейді.

Аққыштық шегі мына формуламен анықталады:

σ_s = P_s/ S_o [н/м²] ; [кГ/мм²]

Металға түсірілген күш аққыштық шекке жеткен кезде металл едәуір қалдық деформацияға ұшырайды. Металға түсірілген күш аққыштық шегінен асқан соң ол қайтадан күшке қарсы кедергі жасайды. Сондықтан Р_s – Р₈ участогында үлгіге түсірілген күш пен оның абсолют ұзаруының арасында пропорционалдық заңдылық байқалады. Металға түсірілген күштің мәні Р₈ нүктесіне жеткенде үлгі бетінің бір жері жіңішкеріп, онда мойын пайда болады.

4-сурет. Аз көміртекті болаттың созылу диаграммасы

Ең үлкен күшке сәйкес кернеуді металдың беріктік шегі (σ₈) деп атайды, ол мынаған тең:

σ_b = P_b/S_o [н/м²] ; [кГ/мм²]

Үлгі мойынның аймағында оның көлденең қимасы ауданының төмендеуі үлгіге түсірілген күшті арттырып, ақырында P_z нүктесінде металл үзіледі. Металдың үзілуге шын кедергісі (σ_z) деп үзілу нүктесіне сәйкес күштің үлгісінің үзілу аймағындағы көлдінің қимасының ауданына қатынасын айтады:

σ_z = P_z / S_o [н/м²] ; [кГ/мм²]

Жоғарыда анықталған шамалар металдың механикалық қасиеттерін сипаттайды.

Металды созу арқылы сынау әдісімен оның пластикалық қасиеттерін анықтайтын шамаларды да анықтауға болады. Үлгінің толық деформациясы (Δl_m) оның серпімді (Δl_с) және қалдық деформациясының (Δl_қ) қосындысына тең.

Толық деформацияның мәнін анықтау үшін P_z нүктесінен диагнрамманың түзу сызықты участогына (ОР_р) параллель етіп абсцисса осімен қиылысқанша түзу жүргіземіз. P_с нүктесінен ОР_р –ға параллель жүргізсек деформацияны (Δl_с) аламыз.

Үлгінің абсолют ұзару шамасының бастапқы ұзындығына қатынасын (%пен алғанда) оның салыстырмалы ұзару коэффициенті (δ) деп атайды.

δ ═ l-l_o / l *100% = Δl / l* 100 %

мұндағы:

l_o – үлгінің бастапқы ұзындығы,

l – үлгінің соңғы ұзындығы.

Үлгінің көлденең қимасы ауданының абсолют өзгеру шамасының бастапқы ауданына қатынасын (%пен алғанда) металдың салыстырмалы жіңішкеру коэффициенті (ψ) деп атайды.

ψ = S_o – S / S_o * 100 % = ΔS/S₀ * 100 %

Мұндағы:

S_o - үлгініңт сынауға дейінгі көлденең қимасының ауданы,

S – үлгінің сынаудан кейінге көлденең қимасының ауданы.

§8 Сығу арқылы сынау

Металды сығу арқылы сынау. Сынаудың бұл әдісінде сыналатын металдан белгілі өлшем бойынша параллелопипед формалы үлгі кесіп алып, оны арнаулы преспен қысады. Сығу арқылы металдың пластикалық қасиетін, салыстырмалы қысқару (S₁) және ұлғаю (ψ₁) коэффициенттерін анықтайды.

Үлгінің биіктігінің абсолют өзгеру шамасының бастапқы биіктігіне қатынасын (%пен алғанда) оның салыстырмалы қысқару коэффициенті (δ₁) деп атайды.

δ₁ = h₀ – h / h₀ * 100% = Δh/ h₀ * 100 %

мұндағы:

h₀ – үлгінің сынауға дейінгі биіктігі,

h – үлгінің сынаудан кейінгі биіктігі.

Үлгінің көлденең қимасы ауданының абсолют өзгерісінің бастапқы биіктігіне қатынасын (%пен алғанда) оның салыстырмалы ұлғаю коэффициенті (ψ₁) деп атайды.

ψ₁ = S_o – S / S_o * 100 % = ΔS/S * 100 %

Мұндағы:

S_o - үлгініңт сынауға дейінгі көлденең қимасының ауданы,

S – үлгінің сынаудан кейінге көлденең қимасының ауданы.

§9. Ию арқылы сынау

Металды ию арқылы сынау. Сынаудың бұд әдісінде металдың көлденең қимасының ауданы дөңгелек немесе төрт бұрышты болып келген үлгісінің екі тіреуіштің ортасына қойып, оған біртіндеп баяу осіп отыратын күш түсіру арқылы оның мілуге беріктік шегі (σ_н) мен максимал иілу биіктігін (максимальная стрела прогиба) анықтайды. Металдың иілуге беріктік шегі мына формула бойынша анықталады:

σ_н = M_max / W_x

Мұндағы:

M_max - н. м-мен алынған максимал иілуші момент,

W_x - қиманың м³мен алынған кедергі моменті.

§10. Соғу арқылы сынау

Металдарды соғу арқылы сынау. Сынаудың бұл әдісінде металдың динамикалақ күшке беріктігі мен әр түрлі температурадағы морттық қасиетін анықтайды.

5-сурет. Соғу арқылы сынауға арналған үлгі.

6-сурет. Соғу арқылы сынау схемасы:

1 – маятник, 2 – тіреуіш, 3 – үлгі, Н – маятниктің соғуға дейінгі көтерілу биіктігі, h – маятниктің үлгіні сындырғаннан кейінгі биіктігі

Соғу арқылы анықтау үшін металдан ортасы кертілген, көлденең қимасының қалыпы квадрат немесе тік төртбұрыш болып келген белгілі өлшемді үлгі (сурет) кесіп алады. Стандартқа сәйкес кесіп алынған үлгіні тоқпақтың (копер) екі тіреушінің арасына қойып (сурет), оны маятниктің соққысымен сындырады. Р салмақты маятник Н биіктіктен құлап (І күй), үлгіні сындырады (ІІ күй), биіктікке көтеріледі (ІІІ күй).

2 тарау бойынша тапсырма: Барлық әдістерді қарастырып, сипаттамасын 2 кестеге еңгізіндер.

2 кесте

Зертханалық жұмыс

№ 1 зертханалық жұмыс.

Қаттылықты анықтау

Жұмыс мақсаты: Қаттылықты Роквелл және Бринель қүралдарында анықтауды үйрену

Тапсырма: 1. Роквелл және Бринель қүралдарының жұмысы мен құрылысын меңгеру.

1. Жасытылған және шынықтырылған болат үлгілерінің қаттылығын анықтау.

2. Жұмыс тұралы есеп беру.

Құрал жабдықтар: Бринель құралы, Роквелл құралы, болат үлгілері, өлшеу құралдары.

Металдың қаттылығын анықтау. Қаттылықты анықтаудың келесі әдістері бар: Бринель әдісі, Роквелл әдісі, Виккерс әдісі, Моос шкаласы бойынша анықтау.

Бринелль әдісі. Металға сыртқы дененің енуіне оның көрсететін қарсы әсер күшін қаттылық деп атайды. Бринель әдісінде металдың қаттылығын оған шынықтырылған болат шарикті белгілі күшпен батыру арқылы анықтайды. Шариктің диаметрі – 2,5, 5,10 мм болады. Бринелль құралының үстеліне металл үлгісі қойылады, оған қаттылығына және қалындығына сәйкес шарик күшпен батырылады. Металл үлгісінің бетінде қалған шариктін ізі бойынша сол металдың қаттылығы анықталады, келесі формула бойынша:

7 сурет. Бринель әдісі бойынша қаттылықты анықтау сұлбасы.

НВ ═ Р/S, н/м²

мұндағы

Р – үлгіге түсірілген күш,

S – шариктін үлгідегі ізінің ауданы.

Шариктін үлгідегі ізі шар сегменті болғандықтан, оның ауданы S=2πRH болады,

Мұндағы

R– шариктің радиусы

Н – айшықтың терендегі.

Айшықтың терендігі (Н) сегменттің диаметрімен (d) өрнектесек шар сегментінің ауданы мына формуламен анықталады:

S= πD(D–√D²–d²)¯/2

Бұл формуланы бастапқы формулаға қойсақ, мынадай теңдік шығады:

НВ=

НВ – Бринель бойынша қаттылық

Р – үлгіге түсетін күш

D – бастырылатын шариктін диаметрі

d – шарик ізінің орташа диаметрі

8 сурет. Бринель әдісі бойынша қаттылықты өлшеу құралдары

Роквелл әдісі. Роквелл әдісі бойынша үлгіге шынықтырылған болаттан жасалған шарик диаметрі D= 1,58 мм (1/16 дюйм) немесе алмас конусы бұрышы 120⁰ батырылады. Роквелл құралында екі шкала бар: қызыл, болаттан жасалған шарикті батырғанда қарайтың және қара, алмас конусымен сынауға арналған. Роквелл бойынша қаттылық HR деп белгіленеді, оған шкаланың белгіленуі қосылады А, В, С (қолданылған шкаланың белгіленуі), сонда Роквелл бойынша қаттылық НRА, НRВ немесе НRС деп белгіленеді.

9-сурет. Қаттылықты өлшеу сұлбасы: а- Бринелль б-Роквелл в-Виккерс

Жұмыс орындау тұралы есеп беру

1 хаттама – Бринель әдісі бойынша

3 кесте

2 хаттама – Роквелл әдісі бойынша

4 кесте

3 тарау. ҚОРЫТПАЛАР ТЕОРИЯСЫ

§ 11. Қорытпалар теориясынан негізгі мәліметтер

Халық шаруашылығының түрлі салаларында таза металдарға қарағанда қорытпалар жиі қолданылады. Қорытпа деп металдар немесе металл мен металлоидтардың әрекеттесуінен пайда болған, құрамы күрделі қосылыстарды айтады. Құрамындағы элементтердің санына байланысты қорытпа екі, үш және одан да көп компонентті болуы мүмкін. Түрлі металдардың қорытпа түзгіштік қасиеттері әр түрлі. Қорытпалардың, таза металдарға қарағанда, мынадай артықшылықтары бар:

1. Механикалық қаттылығы,серпімділігі,тұтқырлық коэфициенті,беріктік шегі т.б. жоғарылығы;

2. Технологиялық қасиеттердің (құю,қысым және жылу арқылы өңдеу т.б.) жоғарылығы;

3. Таза металдарға кездеспейтін ерекше қасиеттердің болуы;

4. Қорытпалардың физика-химиялық қасиеттерін қалауымызша өзгертуімізге болатындығы.

Қорытпалар сұйық күйінде біртекті, бір фазалы болады, ал сұйық күйден қатты күйге өткенде олардың фаза саны өзгереді.

Кейде металдар сұйық күйінде бірі екіншісінде ерімейді. Мысалы, қорғасын мен темір, қорғасын мен мыс т.б. элементтердің қоспалары. Мұндай металдар сұйық күйінде бірі екіншісінде араласпай, меншікті салмағында байланысты қабатбірі екіншісінде ерігіштігі шекті болып келеді. Егер бір металдың қоспадағы концентрациясы сол металдың екінші металдағы ерігіштік шегінен асып кетсе, онда қоспа екі қабатқа (бөлікке) бөлінеді. Ерігіштігі шекті металдардың кристалдық торларының параметрлері мен балқу температураларының айырмашылығы әдетте көп болады.

Құйма қатайған кезде оның құрамындағы компоненттері бір-бірімен, екі немесе бірнеше фазадан тұратын қатты ерітінде, химиялық және механикалық қоспа тұзеді.

Қатты ерітінділер. Көптеген металл қоспалары сұйық күйінде бірі екіншісінде еріп, сұйық ерітінді түзеді. Металдар бірі екіншісінде тек сұйық күйінде ғана емес, қатты күйінде де еріп, қатты ерітінді түзеді. Қатты ерітіндіде қорытпа компоненттерінің бірі өзінің кристалдық торын сақтайды, ал екіншісінің кристалдық торы бұзылады. Бірінші компонент – еріткіш, екіншісі – ерігіш, ал пайда болған қорытпа қатты ерітінді деп аталады. Енуші қатты ерітіндісінде ерігіш элементтің атомдары еріткіш элементтің атомдарының кристалдық торының ішіне орналасады, яғни ішіне енеді.

Химиялық қосылыс. Кристалдық торларының түрлері бірі-біріне ұқсамайтын және торларының параметрлерінің айырмашылығы үлкен элементтер химиялық қосылыс түзеді. Бұл қосылыстар қорытпа компоненттерінің қатынасы белгілі мөлшерге жеткенде түзеледі. Әдетте, мұндай қосылысты Д.И. Менделеевтің периодтық системасындағы бір-бірінен алшақ жатқан элементтер немесе кристалдық торлары мен тор параметрі әр түрлі, бірі-біріне жақын жатқан элементтер түзеді. Көбінесе химиялық қосылысты металдар мен металлоидтар түзеді. Мысалы, карбиттер - металл мен көміртегінің химиялық қосылыстары (темір, хром карбиттері), нитридтер – азот пен металдардың химиялық қосылыстары (темір, алюминий нитридтері т.б.).

Әдетте химиялық қосылыстың физика-химиялық қасиеттері оларды құраушы компоненттердің физика-химиялық қасиеттерінен тіпті өзгеше болып келеді (қаттылығы, морттылығы, электр кедергісі жоғары болады. Себебі химиялық қосылыс нәтижесінде күрделі жаңа кристалдық тор түзіледі.

Механикалық қоспа. Егер қорытпаның компоненттері балқыған күйде бірі екіншісінде шексіз еріп, қатты күйде өз ара ерімесе, онда қорытпа қатайғанда механикалық қоспа (эвтектика) құрайды. Механикалық қоспада компоненттер өз кристалдық торларын өзгертпей сақтайды. Механикалық қоспа таза компоненттерден, қатты ерітінділерден, химиялық қосылыстардан т.б. тұруы мүмкін. Егер қорытпа компоненттерінің кристалдық торларының параметрлеріндегі айырмашылық 15 %-дан асып кетсе, онда мұндай қорытпа қатайғанда механикалық қоспа құрайды.

§ 12. Күй диаграммалары

Қорытпа құраушыларымен олардын концентрациясының температураға байланысты өзгерістерін күй диаграммасы сипаттайды.

Күй диаграммасының ордината осіне қорытпалардың температурасы, абсцисса осіне концентрациясы салынады. Абсцисса осінің әрбір нүктесіне белгілі концентрациялы қорытпа сәйкес келеді, ал шеткі нүктелері 100%-дық қорытпа компонеттерін анықтайды. Диаграмманың кез келген нүктесі белгілі бір температурадағы белгілі концентрациялы қорытпа күйін сипаттайды. Абсцисса осіне перпендикуляр түзудің бойында жатқан нүктелер белгілі концентрациялы қорытпалардың температураға байланысты күйін, ал ордината осіне перпендикуляр сызықтың бойында жатқан нүктелер тұрақты температурадағы әр түрлі концентрациялы қорытпалар күйін сипаттайды. Күй диаграммаларының түрі қорытпа құраушыларының өз ара әрекеттесуіне, температурасы мен концентрациясына байланысты әр түрлі болып келеді. Қорытпалар олардың құрамындағы құраушы элементтер санына байланысты екі-үш және онан да көп құраушыдан тұрады. Қос құраушыдан тұратын қорытпалар диаграммасы жазықтықта, ал үш құраушыдан тұратын қорытпалар диаграммасы кеңістікте жатады. Қос құраушыдан тұратын қорытпаның күй диаграммасын сызу үшін, осы құраушылардың концентрациясы әр түрлі болып келген қорытпаларының термиялық анализің, яғни температура мен уақыт арасындағы байланысты (суыну графигін) сызады (сурет). Суыну графигін сызу үшін балқыған қорытпаға температураға градуирленген гальванометрмен жалғасқан термопара салып, қорытпа температурасының уақытқа байланысты өзгерісін бақылаймыз. Енді ордината осіне температураны (Т), абсцисса осіне уақытты τ салып, сол екі параметр арасындағы байланысты график бойынша кескіндесек, қорытпаның суыну графигін аламыз.

Егер қорытпа таза металл болса, онда суыну графигіне де ab, bc, cd түзу сызықты үш участок болады ( сурет), қоспа болса, онда оны ab, bc, cd, de түзу қисық сызықты участоктар кескіндейді (сурет) , ал аморфты дене болса, ол дененің бір күйден екінші күйге өту процессі бір қалыпты жүреді (сурет).

Таза металдың суыну графигінде ab түзуі бойынша металл температурасы бір қалыпты төмендеп, b нүктесіне келгенде температура Δτ уақыт өзгермей тұрып қалады. Графиктін bc участогының температура аялдамасы деп, ал b нүктесіне сәйкес температураны заттың кризистік температурасы деп атайды. bc участогында металдың кристалдану процесі басталып, жасырын балқу жылуы бөлінеді.Сондықтан металдардың барлық массасы сол участокта сұйық күйден қатты күйге өтіп болғанша температура төмендемейді, металдардың сыртқы ортағаберген жылуы жасырын жылумен толығып отырады.

с нүктесінде кристалдану процесі аяқталып,металдың температурасы cd түзуі бойынша бір қалыпты төмендейді.

Қорытпалардың кристалдану процесі таза металдар сияқты тұрақты температурада емес, білгілі бір темтература аралығында жүреді (bc участогы, сурет). Графиктегі cd түзуі эвтектиканың кристалдануын сипаттайды. Мет алдар мен қорытпалардың кристалдану процестері мен аллотропиялық түр өзгерістеріне сәйкес температураларды олардың кризистік нүктелері деп атайды. Әр түрлі концентрациялы қоспалардың суыну графиктеріндегі кристалдану процесінің басталу температурасы мен аяқталу температурасы температура (Т) – концентрация ( c ) графигіне көшірсек, күй диаграммасын аламыз. Күй диаграммасын металдарды зерттеудің термиялық анализінен басқа олардың микроструктуралық, рентгеноструктуралық және физикалық қасиеттерін зерттеу әдістерімен де салуға болады.

Күй диаграммасының теориялық және практикалық маңызы зор. Өйткені бұл диаграмма бойынша көптеген практикалық мәселелерді тез және тәжірибе жасамай ақ шешуге болады. Мысалы,кез келген көміртекті темір қоспаларының (болат, шойын) әр түрліқасиеттерін анықтауға болады.

10-сурет. Pb-Sb жүйесінің күй диаграммасы және қоспалардың суыну графиктері.

11 сурет. Cu-Ni жүйесінің күй диаграммасы және қоспалардың суыну графиктері

§1 3. Темір-көміртек диаграммасы

Диаграмма құрамында 6,7 % -ке (сурет) дейін көміртегібар көміртекті темір қорытпаларының қасиеттерін сипаттайды. Құрамында 6,7 %-тен 100 % дейін көміртегі бар көміртекті темір қорытпаларының практикада маңызы жоқ. Диаграмманың абсцисса осіне 0 %-тен 6,67 %-ке дейінгі өміртегі (С) немесе 0 %-тен 100 %-ке дейінгі цементит, ал ордината осіне температура салынады. Практикада Ғе – С диаграммасына қарағанда қарағанда Ғе – Ғе₃ С диаграммасының маңызы зор болғандықтан,екінші диаграмманы қарастырамыз . Ол үшін мынадай шартты белгілер еңгізейік: А – аустенит, Ц – цементит, Ц₁ – бірінші реттік цементит, Ц_ІІ – екінші реттік цементит, Л – ледебурит, Ф – феррит, П – перлит, δ – қатты ертінді.

Көміртекті темір қорытпаларының диаграммасы бірі-бірінен белгілі шамаға ығысқан екі диаграммадан тұрады. Ғе – Ғе₃ С диаграммасы үздіксіз жуан сызықпен, ал Ғе – С диаграммасы пунктир сызықпен сызықпен кескінделген.

Көміртекті темір қорытпалары құрамындағы көміртектіңмөлшері мен температураға байланысты әр түрлі құраушылардан тұрады, бұл суретте көрсетілген.

Феррит – көміртегінің альфа темірдегі (α – Ғе) қатты ерітіндісі. 723^о С температурада көміртегінің α – Ғе-легі ерігіштігі,0,02%, ал температура төмендеген сайын көміртегінің ерігіштігі кеміп, қлыпты температурада 0,006%-ке жетеді.Олай болса, феррит –таза темір, торы көлемгецентрленгенкуб,структурасына келсек, ол терімдің ақшыл түйіршіктерінен тұрады, 1014^ок (768^о С) температурағадейін магниттік қасиетін сақтайды. Механикалық қасиеттері мынадай: созғандағы беріктік шегі 294 мн/ м² (δ_в =30 кГ/ мм²) салыстырмалы ұзару коэффициенті δ =50% ,

қаттылығы Н_в = 7,84 мн / м² (80 кГ/ мм²). Ферриттің құрамында Si, Mn элементтері болса,онда ол оны нығайта түседі.

Цементит (Ғе₃С) – құрамында 6,67 % көміртегі бар,күрделі торлы темірдің көміртегімен қосындысы. Ол – металдық жарқылы бар, электр,жылу өткізгіштік, қаттылық (НВ = 7,84 гн/ м² (800 кГ/ мм²) қасиеттері жоғары морт қорытпа. 210 ⁰ С температурада цементиттің магниттік қасиетіжойылады, өте морт болғандықтан, оның беріктігін анықтауға болмайды. Микроскоппен қарағанда цементит тор тәрізді немесе түрлі формада орналасқан ақ пластикалар түрінде болып келеді.

Аустенит – көміртегінің гамма темрідегі ( γ –Ғе) қатты ерітіндісі. Аутентитті көміртегінің 1130 ⁰ С-та ерігіштігі 2 %, ал 723 ⁰ –та ерігіштігі 0,83 %. 723 ⁰ –тан төмен температурада көміртекті темір қорытпаларында аустенит перлитке айналады. Аустениттің бринель бойынша қаттылығы 666 – 1,76 гн/ м ² (160-200 кГ/ мм²) , магниттік қасиеті жоқ,пластикалық қасиеті жоғары. Аустентитті қалыпты температурада көміртекті темір қоспаларына марганец, никель сияқты легірлеуші элементтерді қосу арқылы алуға болады. Өйткені бұл элементтер γ облысын кеңейтіп, аустенниттің перлитке айналу температурасын көп төмендетеді.

Перлит – құрамында 0,83 % көміртегі бар, феррит пен цементиттің эвтектоидтық қоспасы. Микроскоппен қарағанда ол меруерт сияқты құлпырып көрінетіндіктен, бұл қспаға перлит-меруерт деген ат қойылған. Микроструктурасы ферритті негізге орналасқан дисперсиялы цементит пластинкалардан немесе цементит түйіршіктерінен тұрады. Бринель бойынша қаттылығы НВ 176,4 мн/ м² ( 180 кГ/ мм²) беріктік шегі σ = 784 гн/ м² (80 кГ / мм²)

салыстырмалы ұзару коэффициенті 15 %.

Ледебурит – құрамында 4,3 %-ті көміртегібар цементит пен аустениттің эвитектикалық қоспасы. Ледебурит 1130⁰ С-та көміртекті темір қорытпасында көміртегінің конценстрациясы 4,3 %-ке жеткенде түзіледі.Ледебурит микроструктурасынан цементиттің ішінде дөңгелектеніп келген перлит түйіршіктерін көруге болады. Ледебурит ақ шойындар структурасында кездеседі, ол морт және қаттылығы жоғары – 6,86 гн/ м ² (700 кГ/ мм²) – болып келеді.

Графит түрлі формада кездесетін көміртегінің бір түрі.

Диаграмманың АВСD (АСD) сызығы (ликвидус) – қортпалардың бастапқы кристалдану температураларына сәйкес нүктелердің геометриялық орны. Осыбойынша көміртекті темір орытпалардың кристалдану процесі басталады. Ликвидус сыщығынан жоғары жатқан кез-укелген нүкте көміртекті темір қоспаларының сұйық күйін анықтайды.1539⁰ С температурада АВ сызығы бойынша (құрамында 0,10 % С бар көміртегінің δ – Ғе –дегі қатты ерітіндісі) кристалдар түзіледі.

AHJECF (АЕСҒ) сызығы (солидус) – барлық көміртекті қорытпалардың кристалдану температураларының соңғы мәніне сәйкес нүктелердің геометриялық орны.

12-сурет. Fe – C жүйесінің күй диаграммасы.

Солидус сызығынан төменгі аймақтарда көміртекті темір қорытпаларының бірінші реттік кристалдану процестері аяқталып, олардың екінші және үшінші реттік кристалдану процестерінің нәтижесінде мынадай құраушылар түзіледі:

1. 2% < C < 4,3 % эвтектикаға дейінгі шойындар, структурасы : А + Ц_ІІ + Л (А +Ц_І)

2. С = 4,3 % эвтектикалық шойындар , структурасы : Л

3. 4,3% < С < 6,67% эвтектикадан кейінгі шойындар, структурасы: Ц_І + Л(А +Ц_І)

PSK сызығынан төмен орналасқан диаграмма нүктелері мынадай болаттардын түрін анықтайды:

1. 0,08% < C < 0,83 % эвтектоидқа дейінгі болаттар, структурасы : Ф + П(Ф +Ц)

2. С = 0,83 % эвтектоидтық болаттар , структурасы : П

3. 0,83 % < С < 2,14% эвтектоидтан кейінгі болаттар, структурасы: П +Ц_ІІ

3 тарау бойынша тапсырмалар

Келесі сұрақтарға жауап беріндер:

1. Қорытпа деп нені айтады?

2. Компонент деген не?

3. Қорытпалардың қаңдай түрлері болады?

4. Механикалық қоспа деген не?

5. Қатты ертіндінің қасиеттері?

6. Химиялық қосылыс деген не?

7. Күй диаграммасы қаңдай критерий бойынша салынады?

8. Эвтектика деген не?

9. Ликвидус деген не?

10. Солидус деген не?

11. АВС сызығы қалай аталады?

12. АЕСҒ сызығы қалай аталады, нені көрсетеді?

13. А нүктесі нені көрсетеді?

14. D нүктесі нені көрсетеді?

15. G нүктесі нені көрсетеді?

16. P нүктесі нені көрсетеді?

17. E нүктесі нені көрсетеді?

18. Аустениттін анықтамасы мен сипаттамасын берініз.

19. Ферриттін анықтамасы мен сипаттамасын берініз.

20. Цементиттін анықтамасы мен сипаттамасын берініз.

21. Перлиттін анықтамасы мен сипаттамасын берініз.

22. Ледебуриттін анықтамасы мен сипаттамасын берініз.

23. Эвтектикаклық болаттар деп қандай болаттарды айтады?

24. Эвтектикаға дейінгі болаттар деп қай болаттарды айтады?

25. Эвтектикалық шойындар деп қай шойындарды айтады?

№2 зертханалық жұмыс

Темір-көміртек диаграммасы

Жұмыс мақсаты: Ғе-С диаграммасың қолданып, берілген қорытпалардын суу қисықтарын зерттеу

Тапсырма: 1. Дәптерге Ғе-С диаграммасые сызу

2. Температура – уақыт координаталарындағы көміртектін әр- түрлі мөлшері бар қорытпалардың суу қисығын салу

3. Ауысу структураларының анықтамаларын беру

Құрал жабдықтар: Диаграмма Ғе-С

Жұмысты орындау методикасы

1. Ғе-С диаграммасы

2. Қорытпаның суу қисығы

1% С бар қорытпаны суытқан кезде Т₁ = 1450^о, температурасынан бастап сұйық ерітіндінің сууы басталады. Мұндағы қорытпаның структурасы аустениттең тұрады. Аустенит – көміртегінің гамма темрідегі ( γ –Ғе) қатты ерітіндісі. Т₁ и Т₂ = 1340^о, температуралары аралығында аустенит кристалдары көбейеді, ал сұйық фаза азайады. Т₂ нүктесінде аустенит мүлде қатаяды. Т₂ және Т₃ = 800^о, температуралары аралығында, температура төмеңдегеннең көміртектің темірдегі еруі азайғаннаң кейін туынды цементит шыға бастайды. Цементит деп темір мен көміртегінің химиялық қосылысын айтады. Т₃ және Т₄ = 723^о, температуралары аралығында, цементиттің мөлшері көбейеді. Цементитте 6,67% көміртегі болғандықтан, қалған аустенитте көміртегінің мөлщшері азайады. Т₄ = 723^о нүктесінде қалған 0,8% көміртегі бар аустенит мүлдем перлитке ауысады. Перлит – феррит пен цементиттін механикалық (эвтектоидтық) қоспасы.

20^о температурасындағы қорытпаның структурасы – перлит және туынды цементит.

Қолданылған әдебиет:

1. В.М. Никифоров. Технология металлов и конструкционные материалы. - М.: Высшая школа, 1980

2. Б.Н. Арзамасов и др. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1986.

3. А.П. Гуляев. Металловедение. – М.Металлургия, 1986

4. Н.А. Сологуб, Б.Н.Ильин, К.А.Ипатов. Лабораторные работы по Технологии металлов. – М.: Машгиз. 1987