Қазақстан Республикасының Білім және
Ғылым министрлігі
Қазіргі заманғы көпсалалы колледж
Баяндама
Тақырыбы: Әр түрлі нышан
бойынша конструкциялық металлдық материалдардын
классификациясы.
Орындаған: Шыныбек Қ.С
Тексерген: Мұхамедин М.А
Қарағанды-2015
Әр түрлі нышан
бойынша конструкциялық металлдық материалдардын
классификациясы.
Металдар
– электр тоғы мен жылуды
жақсы өткізетін, пластикалық қасиеті
жоғары, жылтыр заттар. Мұндай қасиеттердің
болуы металдардың ішкі құрылымымен байланысты.
Сынаптан басқа металдардың кристалдық
тор көздерінде металл атомдары орналасқан.
Олар бір-бірімен металдық байланыспен
байланысады. Металдардың иондану энергиясы
аз болғандықтан олардың валенттік электрондары
оңай бөлініп, бүкіл кристалдың бойында
еркін қозғала алады. Сондықтан олардың
жиынтығын электрон газы деп те атайды.
Су ерітінділеріндегі реакциялар үшін
металдың активтілігі оның активті қатардағы
орнына байланысты. Металдардың қаттылығы
мен температураға төзімділігі күнделікті
тәжірибеде шешуші рөл атқарады. Егер
шыны хроммен кесілсе, ал цезийді адам
тырнағымен-ақ кесе алады. Кейбір металдар
жұмсақ (мәселен:күміс, алтын, т.б.) болғандықтан
таза металдардың орнына олардың бір-бірімен
құймалары қолданылады.Ең алғаш алынған
құймалардың бірі – қола. Табиғатта көп
кездесетін металдар қатарына жатады:
Al (8,8%) Fe (4,65%) Ca (3,6%) Na (2,64%) K (2,5%) Mg (2,1%) Tі (0,57%)
Металдар-бұл конструкциондық материалдардың
бір тобы. Оның мынадай ерекшеліктері
бар: ●«металдық жылтыр»(жақсы шағылдырғыш
қасиеті) ● пластикалығы ● жоғары жылу
өткізгіштігі ● жоғары электр өткізгіштігі
Бұл қасиеттер металдардың құрылысының
ерекшеліктерімен түсіндіріледі.Металдық
күй теориясына сәйкес, металл бұл оң зарядталған
ядролардан тұратын зат, айналасында орбита
бойымен қозғалатын электроны бар.Бұл
электрондар металдың барлық көлемі бойымен
қозғала алады. Пластикалық, жылу өткізгіштік,
электр өткізгіштік электрондық газдардың
болуымен қамтамасыз етіледі. Қалыпты
жағдайда қататын металдар кристалдық
заттар болып табылады.Олардағы атомдар
белгілі бір ретпен периодтық орналасады.
Металдардың қасиеттері: Химиялық (ерігіштік,коррозиялық
беріктік,қышқылдану және т.б) Механикалық
(беріктілік,аққыштық, иілгіштік,қаттылық,тұтқырлық
және т.б) Технологиялық (созылымдылық,балқытылу)Физикалық(түс,тығыздық,балқығыштық,магниттік
және т.б қасиеттері) Металдардың механикалық
сипаттамасына: уақытша кедергі-беріктіліктің
шегі, созылу кезіндегі беріктіліктің
шегі- ең үлкен жүктемеге сәйкес келетіндей
шартты кернеу,ол үлгінің бұзылуына әкеліп
соғады; нақты кернеу; аққыштықтың физикалық
шегі : στ = Pτ/ F0 аққыштықтың шартты шегі;
пропорционалдылықтың шартты шегі: σпц
= Pпц / F0 беріктік шегі: σb= Pb/ F0 2.Металлдардын
кристаллдық кұрылымы, Кристаллдық тордын
түрлері. Кристалдық тор - бұл түйіндерінде
бөлшектер орналасқан кеңістік тор. Элементар
ұяшық - минималды атом санының көлем элементі.
Элементар ұяшық кристалл құрылысының
ерекшеліктерін сипаттайды.Кристалдың
негізгі параметрлері: элементар ұяшықтың
қабырғаларының өлшемі, а, b, с – атомдар
центрлерінің арасындағы қашықтық. ось
арасындағы бұрыш (α, β, γ) координациялық
сан тордағы кез-келген атомнан жақын
маңда, бірдей қашықтықта орналасқан атомдар
санын көрсетеді тордың бір элементар
ұяшығына келетін атом саны -тор негізі
кристалдық тордағы атомның орналасуының
тығыздығы.Ол атом орналасқан көлем мен
ұяшық көлеміне қатынасымен анықталады.(
Көлемдік кубтық центрілген үшін-0,68. Қырлық
кубтық центрілген үшін – 0,74 ) Кристалдық
ұяшықтарды француз ғалымы О.Браве жіктеді.Соған
байланысты «Браве ұяшығы» деген атау
иемденді. Кристалдық денелер үшін 14 ұяшық
түрі бар.Олар 4 типке бөлінеді: ●қарапайым
– тор түйіндері элементар ұяшықтың төбелерімен
сәйкес келеді ●негіздік центрілген –
атомдар ұяшықтың төбелерінде және қарама-қарсы
2 орнында орналасады. ●көлемдік центрілген
– атомдар ұяшықтың төбелері мен центрлерінде
орналасады ●қырлық центрілген – атомдар
ұяшықтың төбелерінде және 6 қырының центрлерінде
орналасады Кристалдық тордың негізгі
типтері: 1.Көлемдік кубтық центрілген
(ОЦК)(1.2а сур), атомдар кубтың төбелері
мен центрлерінде орналасады (V, W, Ti, ) 2.Қырлық
кубтық центрілген (ГЦК) (1.2 б сур),атомдар
кубтың төбелері мен әр 6 қырдың центрінде
орналасады.(Ag, Au, ) 3.Гексагональдық, оның
негізінде алты бұрыш жатыр: қарапайым
– атомдар ұяшықтың төбелерінде және
2 негіздемелерінің центрлерінде орналасады
(графит түріндегі көміртегі) тығыз орналасқан
(ГПУ) – ортаңғы жазықтықта уш қосымша
атом болады. 3.Нақты металлдардын кұрылымы.
Кристаллдық тордын ақаулары. Қарапайым
жағдайда алынған металдар мен қорытпалар
көптеген кристалдардан тұрады, яғни поликристалдық
құрылысқа ие болады. Бұл кристалдар дән
деп аталады. Олар белгілі бір пішінде
болмайды және кеңістікте әртүрлі бағытта
орналасқан. Әр дән өзінің кристалдық
тордағы бағыты мен бағдарына ие болып,
соның әсерінен нақты металдың құрылымы
орталанады және анизотропия құбылысы
байқалмайды. Нақты металдардың кристалдық
торларында атомдардың арасындағы байланысты
бұзатын және металдардың құрамына әсер
ететін әртүрлі ақаулар (жетілмегендер)
болады.Құрылымдық жетілмегендер келесідей
бөлінеді: ●нүктелік – барлық үш өлшемде
де кіші ●сызықтық – барлық екі өлшемде
де кіші және үшіншіде қанша болмасын
созылады ●беттік – бір өлшемде кіші.
Нүктелік ақаулар. Кристалдық құрылымның
көп тараған жетілмегендіктердің бірі
– нүктелік ақаулар. Олар: вакансия, дислокацияланған
атомдар, қоспалар Вакансия (бос орын)
– әртүрлі жағдайлардан пайда болған
кристалдық тордың түйіндерінде атомдардың
болмауы. Атомдардың беткі қабаттан қоршаған
ортаға немесе тордың түйіндерінен бетіне
өтуінен пайда болады (дән шекарасы, жарықшақтар
т.б). Пластикалық деформацияның әсерінен
денелерді жоғары энергиялы атомдармен
немесе ұсақ бөлшектермен бомбалағанда
пайда болады(циклотронда сәулелендіру
немесе ядролық реакторда нейтрондық
сәулелендіру). Вакансия коцентрациясы
белгілі дәреже де денелердің температурасымен
анықталады.Кристалда орналаса отырып,
жалғыз вакансиялар кездесуімүмкін және
дивакансияға бірігеді.Көп вакансиялардың
жиналуы бос қуыс пен бос жердің пайда
болуына әкеп соғады. Дислокацияланған
атом – бұл тордың түйіндерінен шығатын
және түйіндердің арасында орналасқан
атом. Вакансияға қарағанда дислокацияланған
атомның концентрациясы аз. Себебі, оның
түзілуіне көп энергия қажет. Орын ауыстырған
атомдардың орнында вакансия түзіледі.
Сызықтық ақаулар Дислокация сызықтық
ақаулардың негізгісі болып табылады.Металдың
практикалық және теориялық беріктіктің
айырмашылығын түсіндіру үшін 1934 жылы
Орован және Тендер крис-талдық материалдардың
пластикалық деформациясын зерттеді.
Дислокация – бұл сызық түріндегі, алыс
және жақын орналасқан атомдардың дұрыс
емес орналасуынан болған кристалдық
құрылымдағы ақаулар. Дислокацияның қарапайым
түрі – аймақтық (краевые) және бұрандалы
(винттік) Аймақтық дислокация дегеніміз,
кристалл ішіндегі «керексіз» жартылай
жазықтықтың үзілуі 4.Түйірдын өсу және
кристаллдау процессы. Кристалдану –
бұл сұйық фазада кристалдық тор телімдерінің
құрылу үрдісі және сол құрылған орталықтардан
кристалдардың өсіуін айтамыз. Жүйе ең
аз бос энергия мөлшерімен термодинамикалық
тұрақтырақ күйге өткен кезде ғана, кристалдану
жүреді. Металдың сұйық күйден кристалдық
күйге өту үрдісін уақыт – температура
координатасында қисық арқылы кескіндеуге
болады. Кристалдану үрдісі басталуы үшін,
үрдіс жүйеде термодинамикалық тиімді
және жүйенің бос энергиясының азаюымен
қатар жүруі керек. Бұл сұйықтың ТS- тан
төмен температурада салқындауында кездесуі
мүмкін. Кристалданудың басталу температурасы
кристалданудың нақты температурасы деп
аталады. Сұйықты кристалданудың тепе
- теңдік температурасынан төмен температурада
салқындатуды аса салқындау деп атайды
және аса салқындау дәрежесі (ΔТ) – мен
сипатталады; ΔТ = Ттеор – Ткр. Аса салқындау
дәрежесі металдың табиғатына, оның қаншалықты
ластанғандығынан (металл неғұрлым таза
болса, соғұрлым оның тоңазыту дәрежесі
жоғары болады), салқындату жылдамдығынан
( неғұрлым салқындатудың жылдамдығы жорғары
болсасоғұрлым аса салқындау дәрежесі
жоғары) байланысты. Ттеор. – кристалданудың
теориялық температурасы; Ткр. – кристалданудың
нақты температурасы; Таза металдың кристалдану
үрдісі: 1 нүктесіне дейін сұық күйдегі
металл салқындайды, үрдіс температураның
бірқалыпты төмендеуімен бірге жүреді.
1 – 2 аймақтарда кристалдану үрдісі, кристалданудың
жасырын жылуы деп аталатын, жылудың бөлінуімен
қатар жүреді. Ол жылыдың кеңістікте таралуын
қалпына келтіреді, сондықтан температура
тұрақты болыпқалады. Кристалдану аяқталғаннан
кейін 2 нүктесінде температура қайтадан
төмендей бастайды, металл қатты күйінде
салқындайды. Сұйық металда температурасына
сәйкес төмендеуі кезінде кристалдар
құрыла бастайды – кристалдану орталықтары
немесе ұрықтары. Олардың өсуі үшін, металдың
бос энергиясы азаюы қажет, әйтпесе ұрықтар
еріп кетеді. Өсуге қабілетті ұрықтың
ең аз мөлшері критикалық мөлшер, ал ұрықтар
– тұрақты деп аталады. Сұйықтан кристалдық
күйге өту, сұйық – кристалл бөлінуінің
құрылуына, энергият шығындалуын қажет
етеді. Кристалдану үрдісі, қатты күйге
өту, бөліну беттерінің құрылуына жоғалған
энергиядан ұтымды болғанда жүреді. Жүйе
энергиясының қатты фазадағы ұрық мөлшерінен
тәуелділігі 3.3 суретте көрсетілген. Критикалыққа
сәйкес және үлкен мөлшерлерлі ұрықтар
энергияның азаюымен қатар өседі сондықтан
олардың болуы мүмкіндігі жоғары. Бастапқы
фазада кристалдану орталықтары бір –
біріене тәуелсіз кездейсоқ жерлерде
түзеледі. Бастапқыда кристалдар дұрыс
пішінді болады, бірақ өзге кристалдармен
бірігіп және соқтығысып қалуы нәтижесінде
пішіні бұзылады. Ұлғаю тек қоректендіруші
ортаға емін – еркін өтуге болатын бағытта
ғана жалғасады. Кристалдану аяқталған
кейін поликристалдық денеге ие боламыз.
5.Құйманың құрылымы. Химиялық құрылымын
анықтау. Кесек үш аймақтан құралады: 1.Ұсақ
кристалды қабыршақты аймақ; 2.Діңгек тәрізді
кристалдар аймағы; 3.Ірі тепе-тең кристалдардың
ішкі аймағы; Қабыршақты аймақтың кристалдануы
тоңазытудың ең жоғары жағдайында жүреді.Кристалдану
жылдамдығы кристалдану орталықтарының
үлкен санымен анықталады. Ұсақ түйіршікті
құрылым қалыптасады. Қабыршақ астындағы
сұйық металл нашар тоңазыту жағдайында
болады. Орталықтар саны шектеулі және
кристалдану үрдісі олардың үлкен мөлшерге
шейін қарқынды өсуі нәтижесінде жүреді.
Екінші топтағы кристалдардың өсуі бағытталған
сипатқа ие. Олар қалып құйманың қабырғаларына
перпендикуляр өседі, ағаш тәріздес кристалл
– дендриттер түзеледі (сурет 3.8). Дендриттер
жылудың кайтарылу бағытына жақын бағытта
өседі. Кристалдануы аяқталмаған металдың
жылу қайтарғыш кесек ортасында әртүрлі
бағытта тегістелсе, ал орталық аймақта
кездейсоқ бағыттағы ірі дендриттер түзеледі.
Діңгек тәрізді кристалдар кристалдану
үрдісі барысында түйіседі, бұл құбылыс
транскристалдану деп аталады.Пластикалығы
төмен металдар мен болаттар үшін бұл
құбылыс қолайсыз, өйткені кезекті соққылай
илеу кезінде түйісу аймағында жарықшақтар
түзеледі. Металл кесектің беткі бөлігінде,
металл жұмсағырақ болатын(шамамен кесек
ұзындығының 15...20%), кесуге немесе қайта
балқытылуға тиісті қабыршақтар түзеледі.
Металдарды зерттеу әдістері: құрылымдық
және физикалық. Металдар мен балқымалар
әртүрлі қасиетке ие. Металды зерттеудің
бір тәсілін қолдана отырып, барлық қасиеттері
жайлы мәлімет алу мүмкін емес Химиялық
құрамының анықталуы Талдаудың сапалық
әдісі қолданылады. 1.Егер жоғары дәлдікті
керек етпесе, спектрлік талдауды қолданамыз.Спектрлік
талдау мыс электроды мен зерттелетін
металл арасында жасанды жолмен алынатын
электр доғасы мен ұшқындар спектрлерінің
ыдырауына және зерттелуіне негізделген.
Доға жанғанда, жарық сәулесі призма арқылы
спектрлік талдануы үшін окулярға түседі.Спектрлік
сызықтың түсі мен концентрациясы, химиялық
элементтің құрамын анықтауға мүмкіндік
береді. Қозғалмайтын және жылжымалы стилоскоптар
қолданылады. 2.Құрамы жайында дәлірек
мәліметті рентгенспектірлік талдау береді.
Микроталдағыштарда жүргізіледі. Қорытпаның
фазалық құрамын, атомдардың диффузиялық
жылжығыштығы сипаттамасын анықтайды
А компонентінің ерітіндісі), қатты ерітіндісінің
кристалдары.