Металдардың кристалдық құрылымы. Металдар мен қорытпалардың кристалдық құрылу кезінде құрылымдық қалыптасуы

1-Модуль. Металдар мен қорытпалардың қасиеттері, құрылымы

Дәріске дайындық

Сіздердің әр біреулеріңізде жұмыс оқу бағдарламасы (Syllabus) бар, онда пәннің мазмұны, негізгі қолданылатын әдебиеттер, дәрістің қарастырылатын сұрақтар тізімі, зертханалық жұмыстардың атаулары, өзіндік жұмыстардың тапсырмалары көрсетілген. Осының барлығы аталған бөліміндегі заңдылықтарды түсініп оқуға арналған шешу жолдары.

Семестр басынан  бастап сабақ кестесі сіздерге мәлім.

Дәріске белсенді қатысуларыңыз үшін көрсетілген  әдебиеттер көмегімен өтетін дәріс тақырыптарын өзбеттеріңізбен дайындалып келулеріңізге толық мүмкіндік бар, қосымша әдебиеттерден жетіспеген материалдар болса алып, конспекті жазуларыңызға болады, сосын оқытушыға өздеріңіздің көзқарастарыңызды толығымен жеткізуге мүмкіндіктеріңіз жетеді. Қарастырылатын дәрістер сұрақтары бойынша түсінбеген мәліметтерді оқытушыдан сұрап,  жауап алуға болады.

Қосымша дайындаған конспекті бойынша сұрақтарыңызға мәліметтер алып, қосымша жазып отыруларыңызға болады, бұл дайындаған қосымша конспекті сіздерге көп көмек болады. Сіздерге семестр соңында ауызша емтихан өткен кезде, мамандандырылған курсты тамамдар алдынджа мемлекеттік емтихан кезінде сол конспектіңіз үлкен көмегін көрсетеді.

 

Глоссарий:

Жою (ликвидация) – металдың көлемі бойынша химиялық құрамның бірыңғай еместігі.

Фаза – бір химиялық құрамы бар, бір агрегаттық құрамы бар және бөлімнің үстіңгі беті арқылы жүйенің басқа бөліктерінен бөлінген жүйенің гомогенді бөлігі

Қаттылық – материалдың басқа дененің (индентордың) өз құрамына енуіне қарсылық көрсету қасиеті.

Кристалдау – материалдың сұйық күйден қатты күйге ауысуы.

Болат – 2,14% дейінгі көміртек құрамды темір мен көміртектің қорытпасы.

Шойын - 2,14% жоғары көміртек құрамды темір мен көміртектің қорытпасы.

Физикалық – химиялық қасиеттері бойынша металдар келесі топтарға бөлінеді;

- темір- магниттік қасиеттері бар, ферромагнетиктер, темір, кобальт, никель;

- баяу балқитындар- балқу температурасы темірден жоғары;

- тез балқитындар- балқу температурасы 500 градустан төмендер;

- жеңіл- тығыздығы 2,75 г/см –ден аспайтындар;

- асыл металдар- тоттанбайтын қасиеті жоғарылар;

- сирек кездесетін- лантаноидтар;

- уранды- актиноидтар;

- сілтілік- сілті пайда болдыратын металдар.

 

№1 тақырып. Металдардың кристалдық құрылымы. Металдар мен қорытпалардың кристалдық құрылу кезінде құрылымдық қалыптасуы

Дәрістің мақсаты: Студенттерді металдар мен қорытпалардың құрылымымен таныстыру.

Тақырыпқа сұрақтар:

1. Металл туралы жалпы түсінік
2. Металдардың негізгі қасиеттері
3. металдардың механикалық қасиеттері
4. металдар мен қортпалардың қаттылығын анықтау
5. металдар мен қортпалардың микроқаттылығы
6. Металдардың тұтқыр немесе морт бұзылуын соғу арқылы сынау

 

Дәріс тақырыбының  тезисы:

Металдар -металдық жылтыры бар, электр тогін және жылуды жақсы өткізетін, сонымен қатар соғуға, балқытып пісіруге болатын мөлдір емес заттарды айтады. Әдетте металдар практикада таза түрінде емес, көбінесе қортпалар түрінде пайдаланылады. Барлық металдар мен қорытпалар жалпы қара металдар және түсті металдар болып екі топқа бөлінеді.

     Кристалдық құрылымы бар заттар металдар деп аталады, оған иілгіштік, майысушылық, жылу өткізгіштік, жоғары электр өткізгіштік пен ерекше металл жалтыры тәрізді белгілер тән.

Металдың ортақ қасиеттері олардың  атом қауыздарының электрондық құрылымымен  және атомаралық байланыс түрімен айқындалады. Метал атомдарының сыртқы қауызында бір, екі, үш электронға дейін болса, ал металл еместердегі оның саны- төрттен жетіге дейін. Металдағы сыртқы еркін электрондар ядромен бос байланыста болады да, соның салдарынан олар бір атомның орбитасынан басқа атомдардың орбитасына электрон газы секілденіп жеңіл ауыса береді. Бұл орайда атомдар ионданып үлгереді.

Металл металмен қосылғанда байланыстың  металға тән түрі пайда болады, сол арқылы өзара тартылысы аттас  зарядталған иондар мен қарсы зарядталған еркін электрондарға негізделеді. Осының арқасында металдардың біріктіргіш иондарын біртұтасқа айналдыратын берік байланыс электронды газ пайда болған еркін электронды қозғайды, байланыстың металл түрі қатаң болмайды, ал металлдардың өзі иілмелі тұрғыда болады, яғни жекелеген көлемдер өзгеріске түскенде иондар арасындағы басқалай байланыс салыстырмалы түрде алғанда бұзылмайды.

Еркін электрондар жылуды атомнан  атомға жеткізуші болып табылады, мұның өзі металдардың жылу өткізгіштігіне айтарлықтай әсер етеді. Металдардың жоғары электр өткізгіштігі потенциалдардың сәл ғана өзгешелігінің әсерімен еркін электрондардың бір бағытқа ауысуы арқылы электр тогының пайда болуымен түсіндіріледі.

әрбір металл басқасынан өзінің құрылымымен  және қасиеттерімен ерекшеленеді, сонымен қатар белгілері бойынша оларды бір топқа біріктіруге де болады.

Сонымен қатар барлық металдарды қара және түсті металдар деп екі үлкен топқа бөлуге болады. Қара металдарға жататындар; темір және оның көміртегімен ерітіндісі, шойын мен болат, ал түсті металдарға қалған барлық басқа металдар жатады.

Өзін-өзі тексеру тапсырмалары:

1. Мысалға темірді алып полиморфтік айналуын бақылау.
2. Әр түрлі металдың маделін алып сұйық күйден қатты күйге ауысуын қарастыру.

Әдебиеттер: 1,2,3,5,6,7,8,11,13

 

 

          №2 тақырып. Металдардың деформациясы мен бұзылуы. Металдарды қыздырған кездегі құрылымы мен деформациялық қасиеті.

Металдардың негізгі  қасиеттері.

Дәрістің мақсаты: Әр түрлі деформацияның түрін қарастыру:созылу, сығылу, майысу, айналу т.б.

Тақырыпқа сұрақтар:

1. Серпімді, серпімсіз деформация.
2. Нәзік және тұтқыр бұзылу.
3. Жабысу, Кристалдық  ыдырау.

Дәріс тақырыбының  тезисы:

    Деформациялану – бұл сыртқы күштің әсер етуімен материалдың қажетті пішінді бүлінусіз қабылдау мүмкіндігі.

Металдардың және қорытпалардың  негізгі қасиеттеріне физикалық, химиялық, механикалық, технологиялық және пайдалану (қызметтік) қасиеттері жатады.

Технологиялық қасиеттер. Материалға ыстықтай және суықтай өңдеудің әр түрлі әдістерін қолдану мүмкіндігі оның технологиялық қасиеттері – құйылу қасиеттері, деформациялануды, пісіруге икемділігі және кескіш құралдармен өңдеуді бойынша анықталады.

Құйылу қасиеттері: сұйықтай аққыштығы, шөгуі, ликвация. Сұйықтай аққыштық дегеніміз металдың құю қалпын толықтыруға қабілетілігі. Шөгу деп құймабұйым металының қату және ары қарай салқындау кезіндегі көлемі мен өлшемдерінің азаюын айтады. Ликвация дегеніміз құймакесектің  қимасы бойынша қатты қорытпаның химиялық құрамының біртекті еместігі.

Пісіруге икемділігі – бұл металдар мен қорытпалардың ажырамайтын қосылыс түзу мүмкіндігі.

Пайдалану немесе қызметтік  эксплутациялық қасиеттері. Машинаның  немесе құрылымның жұмыс жағдайына  байланысты анықталатындар:

 тоттануға шыдамдылығы – қорытпаның қышқылдық және сілтілік агрессивтік ортаның әсеріне кедергі;

суыққа шыдамдылығы – қорытпаның 0⁰ С-тан төмен температура кезінде пластикалық қасиеттерін сақтау мүмкіндігі:

ыстыққа беріктігі – қорытпаның жоғарғы температура кезінде механикалық қасиеттерін сақтау мүмкіндігі;

 ыстыққа төзімділігі – қорытпаның жоғарғы газды ортадағы температура кезінде тоттануға кедергісі;

 антифрикация – қорытпаның басқа қорытпаға сіңу мүмкіндігі. 

Техникада кеңінен қолданылатын металдар техникалық металдар деп аталады. Атап айтқанда, бұл- темір, алюминий, магний, мыс, қорғасын, қалайы, мырыш, никль, титан. Элементердің үлкен бөлігі сирек кездесетін металдарды құрайды. Қазіргі техникаға керекті аса маңызды металдардың жер қыртысында үлкен қоры жоқ, демек бұл оның көп еместігін білдіреді. Оған жататындар; алюимний жер қыртысы массасының 8,8/ , темір 5,5/, магний2,1/, титан 0,6/ . Мыс, марганец, хром, ванадий, цирконий тәрізді металдар жер қыртысында пайызды жүзге шаққандағы бөлігіндей ғана. Қалған металдар болса одпн да аз кездеседі.

Металдар- техникалық прогрестің негізі. Металдар олардың қасиеттеріне байланысты қолданылады.

Өзін-өзі тексеру сұрақтары.

1. Материалдардың қаттылығын қандай тәсілдермен анықтайды?
2. Металдардың және олардың қасиетттері туралы жалпы не айтуға болады?
3. Топтастыруға сәйкес қандай топтарға бөлуге болады?
4. Металдардың негізгі қасиеттеріне қандай түрлер тән және ол туралы не білесіз?

Әдебиеттер: 1,2,3,5,6,7,8,11,13

 

№3 тақырып. Металдардың механикалық қасиеті.

Дәрістің мақсаты: Металдардың басты механикалық қасиеттері.

Тақырыпқа сұрақтар:

1. Қаттылығы
2. Беріктігі
3. Майысқақтық

Дәріс тақырыбының  тезисы:

Металдар мен қорытпалардың  қаттылығы. Металдар мен қорытпалардың көптеген механикалық қасиеттері бар (мысалы: беріктігі, сырттан түскен күшке шыдамдылығы, қажалуға төзімділігі, серпімділігі, салыстырмалы ұзаруы мен қысқаруы, деформациялық өзгеріске бейімділігі және тағы басқа қасиеттері). Сонымен қатар конструкциялық материалдардың негізгі қасиеттерінің бірі болып олардың қаттылығы саналады.

Қаттылық деп металдың өзінен қаттырақ дененің енуіне қарсылық көрсету қабілетін айтады. Машина, прибор жасау және басқа өнеркәсіптерде әр түрлі қондырғылар, аспаптар, тағы басқа бұйымдар дайындауға металдар мен конструкциялық материалдардың ең басты қасиетінің бірі – қаттылығы– жөніндегі алынған мәліметтер жиі пайдаланылады. Металдың немесе конструкциялық материалдардың қаттылық қасиеті әр түрлі тәсілдермен анықталады.

Бринелль тәсілі. Бринелль тәсілі бойынша материалдардың қаттылық мәні шынықтырылған болат шаригін көп немесе аз жүк мөлшерімен басып енгізіп, сол күштің әсерінен үлгінің бетінде өлшеу арқылы анықтайды. Бұл тәсіл бойынша көбінесе диаметрі 10 және 2,5 мм шынықтырылған болат қолданылады. Шарикке түсірілетін күш мөлшері материалдың негізгі қасиеттеріне байланысты 3000 кг-нан 15,6 кг-ға дейін өзгеруі мүмкін.

Роквелл тәсілі. Роквелл тәсілі бойынша конструкциялық материалдардың қаттылығы металға диаметрі 1,59 мм шынықтырылған болат шаригін немесе бұрышы 120 ⁰ алмаздан жасалған конус ұштығы арнаулы күш салмағымен үлгіге алдын ала және ақтық рет батыру арқылы анықталады. Жалпы күш мөлшері мына формуламен есептеледі. P=P₀+P₁, мұндағы P₀– алғашқы күш мөлшері, P₁– ақтық күш мөлшері. Р₀– әр уақытта 10 кг, ақтық Р₁ және жалпы күш мөлшері Р шынықтырылған болат шаригі металға батырылғанда P=P₀+P₁ =10+90=100 кг болады.

Бұрышы 120⁰-қа тең алмаздан жасалған конус ұштықты үлгіге батырғанда ақтық күш мөлшері P₁=140 кг және P₁= 50 кг болсын. Сонда жалпы күш мөлшерлері 150 кг, 50 кг болады. Егер сыналатын материалдардың қаттылығы әлдеқайда жоғары болса да Роквелл тәсілінің көмегімен олардың  қаттылық мәнін анықтауға мүмкіндік бар, себебі алмаздан жасалған конус ұштық ең қатты зат. Әдетте бұл тәсілмен анықталған қаттылық өлшемсіз сан, ол HRA, HRB, HRC шкаласымен анықталады.

Металдар мен конструкциялық материалдардың қаттылығын анықтау кезінде жиі қолданылатын ТК-2М приборының схемасын 6.2 суреттен қараңыздар. Бұл прибор жабық құйма шойын корпусқа монтаж жасалған индикаторы бар рычагты тетіктен, электр двигательді жетекті көтеру механизмінен тұрады. ТК-2М приборындағы шпиндель ұштыққа бекітілген шынықтырылған болат шарикке немесе алмаз корпус ұштығына керекті күш қуатын жеткізу үшін ол рычагты жүктеме механизмімен жабдықталған. Мұндағы электр двигателі прибордың жетегін және бір сатылы червякты редукторды іске қосып, сыналу ұзақтығы белгілі t уақытына тең айналу қозғалысына келтіріледі. Айналу қозғалысы червякты редуктордан жүктеме рычагына шток көмегімен беріледі. Содан соң штоктың жоғарғы бөлігі рычагқа , ал төменгі жағы итергішке тіреліп, ол алғашқы қалпына келтіріледі. Әдетте сыналатын металды зат столына қойғаннан кейін жоғары көтеру немесе төменге түсіру үшін винт, маховик және жүргізгіш педалінен тұратын көтеру механизмі қолданылады.

Негізінде металдар мен  қорытпалардың қаттылығын сынау  кезінде үлгінің денесіне енгізілген ұштықтың тереңдігін индикатордың  шкаласынан анықтайды. Индикатордың шкаласында 100 сызық бар, әр сызық 0,002 мм тереңдікі көрсетеді. Индикатродың кіші және үлкен екі тілі бар. Үлкен тілі – металдың қаттылығын, ал кішісі – алғашқы жүктеменің мөлшерін көрсетеді.