Металтану және термиялық өндеу

температурада (Кюри нүктесі) жойылады (темір үшін Кюри нүктесі 768°С) Бұл

температурадан жоғарылаған сайын металдар парамагнитті болады.Магниттік түрленулер

кристалдық тордың өзгеруімен байланыссыз, олар электрон аралық әрекеттесу

мінездемесінің өзгеруімен түсіндіріледі.

Бақылау сұрақтары:

1.Металтану ғылымы нені зерттейді?

2.Кристалдық тордың негізгі типтері?

3.Изотропия және анизотропия дегеніміз не?

4.Металдардың қасиеттері мен ерекшеліктері

5.Магнитті түрлену түсінігі

Глоссарий

Қасиеттердің бағытқа тәуелділігі анизотропия деп аталады.

Кристалдық тордың түйіндері арқылы өтетін жазықтық кристаллографиялық жазықтық деп

аталады.

Кристалдық тордың түйіндері арқылы өтетін сызық кристаллографиялық бағыт деп аталады.

Кристалдық тор - бұл түйіндерінде бөлшектер орналасқан кеңістік тор.

Элементар ұяшық - минималды атом санының көлем элементі

Көлемдік кубтық центрілген (ОЦК) атомдар кубтың төбелері мен центрлерінде орналасады

(V, W, Ti, )

Қырлық кубтық центрілген (ГЦК) ,атомдар кубтың төбелері мен әр 6 қырдың центрінде

орналасады.(Ag, Au, )

Гексагональдық, оның негізінде алты бұрыш жатыр:

қарапайым – атомдар ұяшықтың төбелерінде және 2 негіздемелерінің центрлерінде

орналасады (графит түріндегі көміртегі)

тығыз орналасқан (ГПУ) – ортаңғы жазықтықта 3 қосымша атом болады.

Металтану- бұл материалдардың электрондық құрылысы, құрылымы мен құрамы,

физикалық, химиялық, технологиялық және пайдалану қасиеттерінің арасындағы өзара

байланыс ғылымы.

11

2 Дәріс

Нақты металдардың құрылысы. Кристалдық құрылымдағы ақаулар.

1.Нүктелік ақаулар.

2.Сызықтық ақаулар.

3.Дислокацияның қарапайым түрлері – аймақтық және бұрандалы.

Сұйық қорытпадан монокристалл өсіруге болады. Оларды көп жағдайда

лабораторияларда әртүрлі заттардың құрамын зерттеуге пайдаланады.

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.(2.1.сур)

Сүр. 2.1.Нүктелік ақаулар

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 кездесуі

мүмкін 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.

Қоспалық атомдар әрқашан металда кездеседі. Сондықтан да тәжірибе жүзінде химиялық

таза металл алу мүмкін емес.Олар негізгі атомдардан үлкен немесе кіші өлшемде болуы

мүмкін және түйіндер арасында немесе тор түйіндерінде орналасады.

Нүктелік ақаулар тордың болмашы ғана бұзылуын тудырады. Ол денелердің

қасиеттерінің өзгеруін туғызуы мүмкін (электр өткізгіштік, магниттік қасиеттер) олардың

болуы диффузия процесін туғызады және фазалық түрленудің қатты күйде өтуіне әкеледі.

12

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.(2.2.сур)

Сүр. 2.2. Аймақтық дислокация(а) және түзілү механизмі(б).

Толық емес жазықтық экстражазықтық деп аталады.Көптеген дислокациялар

ығыстырмалы механизм көмегімен пайда болады. Оның түзілуін келесі операция көмегімен

сипаттауға болады.Кристалды АВСД жазықтық бойынша қиып, АВ-ға перпендикулярлы

бағытта төменгі бөлігін жоғарғы бөлігіне қатысты бір тор периодына ығыстыру керек. Содан

соң төменгі тілік аумағындағы атомдарды жақындату керек.

Экстражазықтықтың оң және сол жағындатордың бұзылуы аз (тордың бірнеше

периодына тең ), ал экстражазықтық бойындағытордың бұзылуы өте көп.(2.3.сур)

Егер экстражазықтық кристалдың жоғарғы бөлігінде орналасса, онда аймақтық

дислокация оң таңбалы (+), ал егер төменде орналасса, онда теріс (-) таңбалы болады.Бірдей

таңбалы дислокациялар бір-бірін тебеді, ал қарама-қарсылары бір-біріне тартылады.

Сүр.2.3.Кристалдық торда аймақтық дислокация болған жағдайда өзгерістер.

Дислокацияның бөтен түрін Бюргерс сипаттады және винттік немесе бұрандалы

дислокация деген атқа ие болды.Бұрандалы дислокация ЕF сызығын айнала Q жазықтық

бойымен іші-нара ығыстыру көмегімен алынған (2.4.сур).

13

Сүр.2.4.Винттік дислокация түзілуі механизмі

Кристалл бетінде Е нүктесінен кристалл шетіне дейін созылатын баспалдақтар

түзіледі.Мұндай ішінара ығысу атомдық қабаттың параллелдігін бұзады. Кристалл бір

атомдық жазықтыққа айналады.

EF сызығының айналасында жетілмегендіктер байқалады,басқа бағыттарда оның

өлшемдері бірнеше периодты құрайды.

Егер жоғарғы көкжиектен төменгіге өту сағат тілімен орындалса, онда дислокация оң, ал

сағат тіліне қарсы бұрылса – теріс болып саналады.

Винттік дислокация қайсы бір жылжу жазықтықпен байланысты емес, ол дислокация

сызығымен өтетін жазықтықта орын ауыстырады.

Кристалдану процесі кезінде ерітінді мен будан бөлінген заттар атомдар баспалдаққа

оңай тіркеседі. Бұл шиыршықты (спиральный) механизмді кристалдың өсуіне әкеледі.

Дислокация сызықтары кристалл ішінде үзіле алмайды. Олар тұйық немесе кристал бетіне

шығу керек.

Материалдың дислокациялық құрылымы дислокацияның тығыздығымен мінезделеді.

Дислокация тығыздығы кристалда дислокация сызықтарының орташа мәні ретінде

немесе сызық ұзындығының жалпы мәнінің көлемге қатынасымен анықталады.

(

Дислокация тығыздығы кең көлемде өзгереді және материал қалпына тәуелді

болады.Мұқият жұмсартудан кейін дислокация тығыздығы құрайды, ал

кристалдық торы мықты деформацияланған кристалдардың дислокация тығыздығы

.

Дислокация тығыздығы пластикалықты және материал беріктігін анықтайды.

Минималды беріктік дислокацияның критикалық тығыздығымен

14

Сүр.2.5.Дислокация тығыздығының беріктікке әсері

Сүр.2.6.Металда блокпен тұйиршектерінің бағдардандырлығы

Егер тығыздық α мәнінен кем болса, деформация кедергісі күрт өседі ал, беріктігі

теориялыққа жақындайды. Беріктіктің жоғарылауы ақаусыз құрылысты металл

дайындаумен, олардың қозғалуын қиындататын дислокация тығыздығын жоғарлатумен

жүзеге асырылады. Қазіргі кезде ақаусыз кристалдар пайда болды, олардың ұзындығы 2м, ал

қалыңдығы 0,5...20 мкм. Металдардың беріктігін дислокация тығыздығын жоғарлату арқылы

көтергенде мәнінен аспау керек. Өйткені жарықшақтар пайда болуы мүмкін.

Дислокация тек беріктік пен пластикалыққа емес, кристалдың басқа да қасиеттеріне әсер

етеді.Дислокация тығыздығының өсуімен оптикалық қасиеттері өзгереді және металдың

электр кедергісі жоғарылайды. Дислокация кристалдағы диффузияның орташа

жылдамдығын өсіреді, тозу және басқа да процестерді жылдамдатады, химиялық төзімділікті

азайтады. Сондықтан, кристалдың бетін арнайы заттармен өңдегенде, дислокация шығатын

жерде тесіктер пайда болады.

Дислокация кристалдардың қорытпа мен газ тәрізді фазадан құралғанда түзіледі.

Кристалда вакансиялардың орын ауыстыруы кезінде олар диск тәрізді қуыс түзеді.

Беттік ақаулар- бұл дәндердің, үзінділердің, блоктардың шекарасы (2.6.сур)

Дәндердің мөлшері 1000 мкм дейін жетеді. Дәнаралық шекара жұқа 5-10 атомдық диаметр

болып табылады.

15

Ауыспалы қабат құрылысы онда дислокацияның жиналуына мүмкіндік

туғызады.Дәндердің шекараларында қорытпалардың концентрациясы жоғарылатылған. Тіпті

шомырт ішінде де мінсіз кристалдық құрылыс байқалмайды. Дәндерді бөлшектерге бөлу

процесі фрагментация немесе полигонизация деп аталады.

Әрбір бөлшек блоктардан тұрады. Олардың мөлшері 10 мкм кем болмайды. Мұндай

құрылысты блокты немесе мозайкалы деп атайды.

Бақылау сұрақтары:

1.Дислокация дегеніміз не?

2.Қандай жетілмегендерді білесіңіз?

3.Дислокацияның түрлерін талдап шығыңыз

4.Дислокация тығыздығы нені анықтайды?

5.Ақау зияны?

Глоссарий

Дислокация – бұл сызық түріндегі, алыс және жақын орналасқан атомдардың дұрыс емес

орналасуынан болған кристалдық құрылымдағы ақаулар.

Дислокацияланған атом – бұл тордың түйіндерінен шығатын және түйіндердің арасында

орналасқан атом

Вакансия (бос орын) – әртүрлі жағдайлардан пайда болған кристалдық тордың түйіндерінде

атомдардың болмауы.

3 Дәріс

Металдардың кристалдануы. Металдарды зерттеудің әдістері.

1. Металдардың кристалдануының заңдылықтары және механизмі

2.Ұсақ түйіршікті құрылым алу шарты

3.Металл кесегінің құрылымы

4.Химиялық құрамның анықталуы

5.Құрылымының зерттелуі

6.Физикалық зерттеу әдісі

Кез- келген дене үш түрлі агрегаттық күйде болады: қатты, сұйық, газ тәрізді. Бір

күйден екінші күйге өтуі мумкін, егер жаңа жағдайдағы жаңа күй тұрақты болып келсе және

де энергияның аз қорына ие болса.

Сыртқы орта жағдайлардың өзгеруіне байланысты бос энергия, сұйық және кристалдық

күйлері үшін күрделі заңдылықпен өзгереді.Температураның өзгеруіне байланысты сұйық

және қатты күйлер үшін бос энергияның өзгеру сипаты 3.1 суретте көрсетілген.

Осы сызбаға сәйкес ТS- температурасынан жоғары дене сұйық күйде, ал ТS- нан төмен

қатты күйде болады.

ТS-қа сәйкес температурада сұйық және қатты фаза бірдей энергияға ие, металл екі

күйде де тепе-теңдікте болады, сондықтан екі фаза да бір мезгілде шексіз ұзақ журе алады.

ТS – тепе-теңдік немесе кристалданудың теориялық темперетурасы.

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),

16

салқындату жылдамдығынан ( неғұрлым салқындатудың жылдамдығы жорғары болса

соғұрлым аса салқындау дәрежесі жоғары) байланысты.

Металдың сұйық күйден қатты күйге өтуін қарастырайық..

Барлық кристалл денелерді қыздыру барысында қатты күйден сұйық күйге өту шекарасы

анық көрінеді. Осындай шекара сұйық күйден қатты күйге өтуде де болады.

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. Таза металдың салқындау қисығы 3.2

суретте көрсетілген.

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 болып

қалады. Кристалдану аяқталғаннан кейін 2 нүктесінде температура қайтадан төмендей

бастайды, металл қатты күйінде салқындайды.

Сүр. 3.2.Таза металдың салқындату қисығы

Металдардың кристалдану механизмі және заңдылықтары.

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, энергия

шығындалуын қажет етеді. Кристалдану үрдісі, қатты күйге өту, бөліну беттерінің

құрылуына жоғалған энергиядан ұтымды болғанда жүреді. Жүйе энергиясының қатты