Қорытпалардың таза металдардан балқу және кристалдану температурасы бойынша қандай айырмашылығы бар?

Сонымен Ga, In, Ti сол орналасқандар металл, ал мышьяк, сурьма, висмуттан оң орналасқандар металл еместер. Ал III В, IVВ, VВ топтарда орналасқан In, Te, Sn, Pb, Sb, Bi – металдар және металл еместер C, N, P, As, O, S және орталық элементтер (Ga, Si, Ge, Se) болуы мүмкін.

Сонымен техникада металдар деп металдық жарқылы бар және электр, жылу өткізгіштік, пластикалық қасиеттері жоғары заттарды айтады. Осы белгілері арқылы металдарды  ағаштан, тастан, шыныдан, фарфордан ажыратуға болады.

Құрастырушы материалдар. Олардың  кұрамы және электрондық кұрылысының физикалық, химиялық,  технологиялық және баска қасиеттерімен  өзара байланысы

     Құрастырушы материалдар деп машиналардың, аспаптардың, инженерлік құрылымдардың бұйымдарын жасауға арналған және үнемі механикалық жүктемелердің әсеріне түсетін материалдарды айтады. Бұйымдарға машинаны немесе аспапты пайдалану барысында статикалық, циклдік, төтенше жүктемелер әсерін тигізеді және бұйымдар әртүрлі жоғары немесе төменгі температураларда жұмыс істейді. Осы жағдайларды ескере отырып, құрастырушы материалдарға пайдаланымдық, технологиялық және экономикалық талаптар қойылады.

     Пайдаланымдық талаптардың маңызы зор. Нақты машина немесе аспап дұрыс жұмыс жасауы үшін құрастырушы материалдың беріктігі аса жоғары болуы қажет. Материалдың құрастырушы беріктігі  деп оны пайдаланғанда сенімді және ұзақ жұмыс істеуге мүмкіндік беретін механикалық қасиеттерінің жиынтығын айтады. Материал жұмыс жасайтын орта, оның механикалық қасиеттеріне ықпалын тигізіп, бұйымның жұмыс өнімділігін төмендетуі мүмкін. Қоршаған орта газдық, иондалған немесе радиациялық күйде болады. Ортаның әсерінен материал коррозиялық сынуға, тотықтануға және күйуге дейін барады. Сонымен қоршаған ортаның жағымсыз әсеріне төтеп беру үшін материалдың белгілі механикалық қасиеттерімен қоса келесідей арнайы физика-химиялық  қасиеттері де болуы қажет: электр химиялық коррозияға төзімділігі, ыстыққа төзімділігі, ылғалға төзімділігі, вакуум жағдайында жұмыс істеу қабілеті және басқалары. Қазіргі материалдардың жұмыс жасауының температуралық диапазоны – 2690С дан 10000С, кейбір жағдайда 25000С. Сондықтан жоғары температурада ыстыққа, төмен температурада суыққа төзімді болуы керек.

 Технологиялық талаптар материалдан бұйымдар мен құрылғылар жасауды жеңілдетуді көздейді. Материалдың технологиялығы деп оның кесуге, сығуға, пісіруге, құюға бейімділігін айтады. Технологиялық талаптың сапалы және жұмыс өнімділігі жоғары бұйым жасау үшін маңызы зор.

Экономикалық талаптар материалдың құнының төмендігін және жеткіліктігін көздейді. Осы талапқа сәйкес қорытпалар мен болаттарда легірлеуші элементтердің мөлшері тым аз болып, легірлеуші элементтері бар материалды қолдану оның  пайдаланымдық  қасиеттерінің жоғарылығымен түсіндірілуі қажет.

Құрастырушы материалдың механикалық қасиеттері және деформация түрлері

          Материалдың механикалық қасиеттері деп оған түсірілген сыртқы механикалық күштерге қарсы әсерін сипаттайтын шамаларды айтады. Әдетте металдық материалдың механикалық қасиетіне беріктігін, яғни деформацияға қарсылығын және пластикалығын (иілгіштігін), яғни қалдық деформацияларға бұзылмай төтеп беру бейімділігін жатқызады. Сонымен металдың механикалық қасиеттерін анықтау үшін, оны міндетті түрде деформацияға түсуі қажет екенін көреміз.

           Деформация деп белгілі материалдан жасалған бұйымның немесе дененің оған түсірілген күштердің әсерінен сыртқы пішінін, өлшемдерін өзгертуін айтады.

Деформацияны туғызатын сыртқы күштер, немесе материалдың бойында өтетін әртүрлі физика-химиялық процестер (мысалы температураның әсерінен бұйымның көлемінің өзгеруі). Деформацияның салдарынан материалдың бойында туатын кернеуді мына формуламен анықтайды

            мұнда  - дененің ауданы  - қимасына түсірілген күш, осы күш қимаға перпендикуляр емес бұрыштай әсер еткендіктен, дененің бойында нормалдық   және жанама    кернеулер пайда болады.

          Деформациялар серпімді және пластикалық болып екі түрге бөлінеді.

Серпімді деформация деп сыртқы күштің әсері тоқталғаннан кейін дененің пішіні, құрылысы және қасиеттері бастапқы күйіне келетін деформацияларды айтады. Серпімді деформация кезінде кристалдық торда атомдар шамалы қайтымды ығысады, ал кристалдық блоктар бұрылыстар жасауы мүмкін. Сыртқы күштің әсерінен монокристалл созылғанда, атомдардың ара қашықтығы артады, ал сығылғанда кемиді. Атомдардың тепе-теңдік күйінен мұндай ауытқуы электростатикалық тартылыс және тебіліс күштерінің теңгерілуін бұзады, сондықтан сыртқы күштің әсері жойылғанда ығысқан атомдар тартылыс және тебіліс күштерінің әсерінен бұрынғы тепе-теңдік күйіне қайтып келеді, ал кристалдар өзінің бастапқы пішінін және құрылысын сақтап қалады.  

         Пластикалық деформациялар кезінде жанама кернеулер белгілі мәннен (серпімділік шегінен) асып кететіндіктен, деформациялар қайтымсыз деп саналады. Сыртқы күштің әсері тоқталғанда тек деформацияның серпімді құраушысы ғана жойылады, ал пластикалық құраушысы қалып қалады.

Кристалда пластикалық деформациялар сырғанау және қосарлану арқылы жүзеге асады. Пластикалық деформация кезінде кристалдың бір бөлігінің екінші бөлігіне қарасаты бір мезетте тайғанауы (ығысуы), атомдардың кристалдық тордың белгілі жазықтықтарында орын ауыстыруы арқылы жүзеге асады. 1.1- а суретінде көрсетілген ығысу іске асу үшін нақты металды деформациялауға қажет күштен жүздеген есе көп күш қажет.

1.1 – а, б , 1.2 - суреттерінен нақты металда тайғанау қалай жүзеге асатыны және металдың нақты беріктігі оның теориялық мәнінен төмен болатынын көреміз.

Нақты металдың кристалында бірқатар жеткіліксіздіктер – дислокациялар(атомдар орналаспаған бос орындар) болады, сондықтан нақты металда пластикалық ығысулар дислокациялардың орын ауыстыру салдарынан жүреді. 1.1- а,б суретінде ығысу деформациясының сұлбасы көрсетілген, осыдан жеке дислокацияның жалпы кристалл бойымен орын ауыстыруы осы кристалдың сәйкес бөлігінің бір атом аралық қашықтыққа ығысуына әкеп соғатыны көрінеді.

1.1  Сурет − Пластикалық ығысулар сұлбасы

 
                                                Дислокациялар саны

       1.2 Сурет –  Кристалдың беріктігінің дислокациялар санына тәуелділігі

         Нақты металда дислокациялар саны өте көп. Дислокациялардың пайда болуы біраз энергияны қажет етеді, бірақ олар өте жеңіл орын ауыстырады.

Сонымен дислокация кезінде атомдар орналасқан жазықтық бір мезетте ығысуы мүлдем қажет емес, тек қана дислокациялардың жазықтық бойымен тайғанауы арқылы ығысады. Егер кристалда дислокация мүлдем жоқ болса, оның беріктігі өте жоғары теориялық мәніне тең болар еді. Осы жағдай дислокациясыз жіп тәрізді кристалды зерттегенде дәлелденді, мұндай кристалды мұрт тәріздес деп те атауға болады. Мысалы темірдің жіп тәріздес диаметрі 1 мкм кристалының беріктігі 13 000 МН/м2, салыстыру үшін кәдімгі темірдің беріктігі 300 МН/м2.

Жіп тәріздес кристалдың шағын өлшемдері (қалыңдығы 2 мкм, ұзындығы 10 мм-ге жуық) оларды практикада қолдануға бөгет болып отыр.

Салқындау жылдамдығы шапшаң металдың жұқа көлденең қимасын қарасақ, одан майда дәндерді көп көреміз.

Бірақ металдың салқындау жылдамдығын үнемі реттеуі мүмкін емес.

         Металл қатайғанда оның дәндері майда болып шығуы үшін жасанды кристалдану орталықтарын туғызу қажет. Ол үшін балқыған металға арнайы заттарды қосады, оларды модификаторлар деп атайды.

Кристалдың белгілі пішінге ие болуына тек қана оның басқа кристалдармен соқтығысу ықпалын тигізбейді, сондай-ақ қорытпаның құрамы, салқындау жылдамдығы, енгізілген қоспалар әсер етеді. Металда кристалдардың пайда болу механизмі дендриттік сипат алады. Дендриттік кристалдану кристалл орталықтарының әртүрлі жылдамдықта өсуімен сипатталады. 

         Кез келген металдың өзіне тән құрылысы және қасиеттері бар. Барлық металдар қара және түсті болып негізгі екі топқа бөлінеді.

Қара металдарға тән қара-сұрғылт түс, аса жоғары тығыздық, өте жоғары балқу температурасы, өте жоғары салыстырмалы беріктіктігі және көп жағдайда олар полиморфтық күйде болуы мүмкін. Осы қасиеттердің бәрін бойына игерген қара металдың бірі – темір Fe. Қара металдарға сонымен Mn – реттік нөмірі z=25, темір Fe – z=26,  кобальт Co - z=27, никель Ni – z=28 жатады.

         Түсті металдарға өзіне тән белгілі түсі бар (қызыл, сары, ақ), пластикалық (иілгіш), қаттылығы аз, балқу температурасы төмен, полиморфтық қасиеттері жоқ металдар жатады. Бұл топтың ерекше мүшесі – мыс Cu.

Қара металдар тағы да темір металдар, нашар балқитын, урандық, жерде сирек кездесуші, жер сілтілік болып осы топтың ішінде бірнеше түрлерге бөлінеді.

Ал түсті металдар жеңіл, асыл, жеңіл балқитын болып өз тобының ішінде тағы үш түрге бөлінеді.

Қорытпа деп екі немесе одан да көп элементтер қоспасын балқытып алған қоспаны айтады. Металдардан алынған және бойына олардың қасиетін игерген қорытпалар металл қорытпалары деп аталынады. 

          Құрастырушы материалдар және олардың механикалық  қасиеттері

Металға әсер етуші күшті (жүктемені) түсіру әдісіне байланысты оның механикалық қасиеттерін сынау әдістері үш топқа бөлінеді:

статикалық, мұнда күш баяу және бір қалыпты өседі (оған созу, сығу, бұрау, кесу,қаттылығын анықтау сынақтары жатады);

динамикалық, мұнда күш өте жылдам өседі (оған соққы арқылы сынау жатады);

қайталанатын-айнымалы, мұнда күштің шамасы сынау барысында бірнеше рет өзгереді немесе күштің шамасы да, бағыты да өзгеріп тұрады (оған металды қажыту  сынағы жатады).         

        Металды созу арқылы сынау және оның кұрылымдық беріктігін бағалау тәсілдері 

         Созу үшін өлшемдері стандарттық, арнайы цилиндр пішіндес немесе белгілі пішіндегі жазық үлгілерді қолданады. Үлгіні созу арқылы сынау механикалық немесе гидравликалық қозғауы бар арнаулы үзу машинасының көмегімен жүргізіледі. Үлгіге түсірілген күш пен оның созылу шамасын (деформациясын) автоматты түрде машинаның өзі үздіксіз график түрінде жазып отырады. Күштің созылу шамасына тәуелділігін көрсететін графикті созылу диаграммасы деп атайды. Ординаталар осінде күшті  (кгс), ал абциссалар осінде үлгінің абсолюттік ұзаруын көрсетсе, диаграмманың сипатына әрине үлгінің өлшемдері әсер етеді. Осы фактордан құтылу үшін, диаграммада кернеудің  (кгс/мм2) салыстырмалы ұзаруға  (%) тәуелділігін көрсетеді.  Кернеу деп үлгінің жұмыс қимасының бірлік ауданына әсер ететін күшті айтады. Салыстырмалы ұзару үлгінің абсолюттік ұзаруының оның жұмыс бөлігінің бастапқы ұзындығына қатынасымен анықталады.

            Металды созу арқылы сынағанда оның механикалық қасиеттерінің келесі сипаттамалары анықталады: кернеудің пропроционалдық, серпімділік, аққыштық шегі; салыстырмалы ұзаруы және жіңішкеруі.

Пропорционалдық шек кернеуі  деп диаграммадағы тәуелділік қисығына түсірілген жанаманың көлбеулік бұрышының тангенсі бастапқы шамасынан 25 немесе 50 % -ға өсетіндей кернеудің мәнін айтады

                                                                                               (3.1)

           мұнда   - пропорционалдық шекке сәйкес күштің (жүктеменің) шартты мәні.

          Серпімділік шегіне сәйкес кернеуде үлгінің қалдық ұзаруы оның ұзындығының 0,05% құрайды және кернеудің серпімділік шегі мына формуламен анықталады

                                                                                       (3.2)

         мұнда   - серпімділік шекке сәйкес күштің (жүктеменің) шартты мәні.

         Кернеудің аққыштық шегі деп үлгінің оған түсірілген күштің тұрақты-лығына қарамастан ұзара беретіндей мәнін айтады. Үлгінің қалдық ұзаруы оның ұзындығының 0,2% - ын құрайды.

         Аққыштық шегіне сәйкес кернеу мына формуламен анықталады

                                                                                        (3.3)

          мұнда   - серпімділік шекке сәйкес күштің (жүктеменің) шартты мәні.

          Кернеудің беріктік шегі деп ең үлкен күшке сәйкес келетін және үлгінің үзілуіне әкеп соғатын кернеуді айтады

                                                                                          (3.4)

           мұнда    - беріктік шекке сәйкес күштің (жүктеменің) шартты мәні.

         Салыстырмалы ұзару деп үлгінің абсолюттік ұзаруының, яғни үзілгеннен кейінгі  ұзындығының өсімінің  ,  оның бастапқы ұзындығына қатынасын айтады

                                                                                      (3.5)

          мұнда   - үлгінің бастапқы есептелген ұзындығы;

           - соңғы ұзындығы.

Салыстырмалы жіңішкеруі деп үлгінің жұмыс қимасының сынау барысында абсолюттік жіңішкеруінің  , сол қиманың бастапқы ауданына қатынасын айтады

                                                                                             (3.6)

     мұнда  - деформацияға дейінгі жұмыс қимасының ауданы;

      - жұмыс қимасының деформациядан кейінгі ауданы.

     Салыстырмалы ұзару мен жіңішкеру металдың пластикалығын сипаттайды.

 Металдың қаттылығын  анықтау

  Металдардың қаттылығын өлшейтін арнайы жабдықтар  бар. Мысалы машинаның үстеліне қойылған үлгіні шыныққан болат шарикті (ТШ-2 аспабымен), алмаздан жасалған конусты немесе пирамиданы (ТК-2 жєне ТП-2 аспабтарымен) батырып анықтайды. Металл неғұрлым жұмсақ болса, олар соғұрлым үлгіге тереңірек батады.

Металдың қаттылығын анықтау үшін негізгі үш статикалық әдіс кеңінен қолданылады:

 -   Бринелл әдісі, оған ТШ аспабы қолданылады;

 -   Роквелл әдісі, оған ТК аспабы қолданылады;

 -   Виккерс әдісі, оған ТП аспабы қолданылады.

I типті күй диаграммасының құрылысын қорғасын — сурьма қорытпалары жүйесінің (Pb—Sb) мысалында талдаймыз. Қорғасын — сурьма қорытпалар жүйесіне таза қорғасын (100% РЬ) мен таза сурьма (100% Sb) арасындағы барлық құрамдар жатады.

Қорытпалардың барлық құрамын бақыламау үшін біз осы жүйенің тек алты қорытпасын 5, 10, 13, сурьма құрамымен талдаумен шектелеміз.20, 40 және 80%. Егер сіз осы қорытпалардың әрқайсысын толығымен ерігенше қыздырсаңыз және пирометр мен уақыт есептегішінің көмегімен салқындату процесін түзетсеңіз, онда алынған мәліметтерге сәйкес суретте көрсетілген қисықтарды салуға болады. 1. Қисықтардың иілімдері мен көлденең бөліктері біркелкі салқындату кезінде қорытпалар температурасының төмендеуінің баяулауын немесе тоқтауын сипаттайды және осы температурада сыни нүктелердің болуын көрсетеді.
Сур. 1. Қорғасын-сурьма қорытпаларын салқындату қисықтары: а – 5%§Ы б — 10% Со; в — 13% со; г-20% СБ; д-40% со; е — 80% СБ
Берілген қисықтардың бесеуі қатайтылған кезде алынған қорытпалар үшін екі критикалық нүктенің болуын көрсетеді, ал 13% Sb қорытпасына сәйкес келетін бір ғана қисық 246°критикалық нүктеге ие. Жоғарғы критикалық нүктелер қорытпалардың сұйық күйден қатты күйге ауысуының басталуына, төменгі — соңғы қатаюға сәйкес келеді.

Қорғасын — сурьма қорытпаларының жай — күйінің диаграммасын құру үшін біз алған қорытпалардың нүктелерін көлденең масштабта атап өтеміз, сол жақта таза қорғасын, ал оң жақта таза сурьма болады (сурет. 2). Тігінен біз температура шкаласын белгілейміз және көрсетілген қорытпалардың критикалық температурасын кейінге қалдырамыз. Қорғасынның балқу температурасы 327°, сурьма 630°. Төменгі критикалық нүктелерді байланыстыра отырып, біз DE түзуін аламыз, ал жоғарғы нүктелерді —екі АВ және В қисықтарын DE сызығымен В нүктесінде жинақтаймыз.

Құрылған диаграммада жүйенің әртүрлі қорытпаларының қатаюының басталуы әр түрлі температурада, ал қатаюдың аяқталуы берілген қорытпалар жүйесі үшін белгілі бір температурада болатындығын және бір қорытпаның (13% Sb) таза болатындығын көрсетеді.металдар, оның пайда болатын бір ғана критикалық В нүктесі. толық қатаю.

Сур. 2. Pb—Sb қорытпалар жүйесінің күй диаграммасы

Біз осы жүйенің қорытпаларының кристалдану процесін және нәтижесінде пайда болатын құрылымды қадағалаймыз.

В нүктесінде 13% Sb, 87% Pb және 246e температурада қорғасын мен сурьманың кристалдануы бір уақытта жүреді; қорғасын мен сурьма кристалдарының жұқа механикалық қоспасы пайда болады (екі фаза). Бұл қоспа эвтектика3 деп аталады, ал тиісті құрамның қоспасы эвтектикалық деп аталады. Эвтектикалық қорытпа осы жүйенің барлық қорытпаларының ең төменгі балқу температурасына ие. Қорғасын-сурьма эвтектикалық қорытпасының микроқұрылымының диаграммасы суретте көрсетілген. 56. Мұнда біз қорғасын кристалдарының фонында сурьма кристалдарының сызықтарын көреміз.

13% — дан аз Sb бар қорытпалар эпейтектикалық деп аталады, ал 13% - дан көп Sb-автектикалық деп аталады.

5% Sb бар эвтектикалық қорытпа бірінші критикалық нүктеден жоғары (сурет. 3) сұйық күйде. Ах нүктесінде салқындаған кезде таза қорғасынның кристалдану орталықтары сұйық ерітіндіден түседі (кристалдану орталықтары сұйық ерітіндіде немесе қатты металда пайда болатын ең кішкентай бөлшектер деп аталады), өйткені бұл қорытпадағы қорғасын эвтектикалық құраммен салыстырғанда артық мөлшерде болады. Ах және Ьх нүктелері арасында одан әрі салқындаған кезде қорғасын кристалдарының өсуі және жаңаларының түсуі жалғасады, сондықтан сұйық (жатыр) ерітіндісіндегі қорғасын мөлшері біртіндеп азаяды, ал аналық ерітіндінің эвтектикалық құрамы болады. Екінші критикалық нүктеде 246° температурада эвтектикалық құрамның қалған аналық ерітіндісінің кристалдануы жүреді. Төменде қорытпа қатты күйде болады және артық қорғасын мен эвтектикалық кристалдардың қоспасын білдіреді (сурет. 5).

Сур. 3. Pb—Sb заэвтектикалық қорытпасының микроқұрылым схемасы

Сур. 4. Pb-Sb эвтектикалық қорытпасының микроқұрылым схемасы

Сур. 5. Pb-Sb алдын ала эвтектикалық қорытпасының микроқұрылымының схемасы

Қорғасын — сурьма қорытпаларының бүкіл жүйесіне қатысты айтылғандарды қорытындылай келе, мыналарды атап өтеміз:

а) диаграммадағы а сызығы бойынша қорғасын кристалдарының түсуі басталады;

б) ABD диаграммасының аймағында қорғасын кристалдары және сұйық ерітінді бар, оның концентрациясы BD сызығының жанында эвтектикалыққа жақындайды;

в) BD желісі бойынша эвтектикалық құрамның барлық қалған аналық ерітіндісі қатаяды;

г) BD сызығынан төмен қорғасын және эвтектикалық кристалдардан тұратын қатты эвтектикалық қорытпалар бар;

д) ӘК желісі бойынша сурьма кристалдарының түсуі басталады;

е) СВЕ диаграммасының аумағында сурьма кристалдары және be сызығына жақын концентрациясы эвтектикалыққа жақындайтын сұйық ерітінді орналасқан;

ж) be желісі бойынша эвтектикалық құрамның барлық қалған аналық ерітіндісі қатаяды;

з) BE сызығынан төмен сурьма және эвтектика кристалдарынан тұратын қатты заэвтектикалық қорытпалар орналасқан.

Қорытпаларды қыздырғанда алдымен солидус (DE) желісі бойынша эвтектика ериді, онда одан әрі қыздыру кезінде қорғасын кристалдары (эвтектикалық қорытпалар үшін) немесе сурьма (эвтектикалық қорытпалар үшін) біртіндеп ериді; еріту сұйық сызық бойымен (ABC) аяқталады, оның үстінде қорытпалар жүйесінің сұйық ерітінділері болады.

Егер қорғасын — сурьманың эпвтектикалық қорытпасы баяу салқындаса, онда пайда болған қорғасын кристалдары жатыр ерітіндісінен ауыр болып, төмен түсіп, тигельдің түбіне жиналады. Осылайша қатайтылған құймада эвтектика жоғарғы бөлігінде, ал қорғасын төменгі бөлігінде шоғырланады. Эвтектикалық қорытпалар қатайған кезде, сурьманың құлаған кристалдары жатыр ерітіндісіне қарағанда жеңілірек болады және жоғары қарай қалқып шығады, сондықтан эвтектикалық құйма төменгі жағында, ал таза сурьма жоғарғы жағында болады. Бұл құбылыс белгілі бір салмақ бойынша ликвация деп аталады.

Белгілі бір салмақтағы ликвация нәтижесінде әр түрлі бөліктердегі құрамы, құрылымы және қасиеттері бойынша гетерогенді, сондықтан өнімдерге жарамсыз құймалар алынады. Болдырмау үшін ликвации қорытпаларды суыту жүргізу керек тезірек кристалдар үлгермеді всплывать немесе погружаться.