Материалтану

Металл материалдарының қирауы көптеген факторларға байланысты: қорытпаның химиялық құрамына, түйіршіктердің мөлшеріне, күштің түсу шартына, температураға байланысты болады. Пластикалық деформация дәрежесіне қарай қирауды негізінен морт және тұтқыр қирау деп ажыратады. Дислокациялардың әсерінен пайда болған экстражазықтықтар бір-бірімен қосылып, оның астында жарықшалар туындайды. Туындаған жарықшалардың дамуына күш жұмсалса, ондай сыну тұтқыр деп аталады.

1 2 3 4

б)
а) сынық түрлері: 1- морт; 2 – 3 – аралас; 4 – тұтқыр. б) микрофракто-граммалар (солдан оңға қарай) тұтқыр, морт, интеркристалды морт сынық (х5000).

4.3– сурет. Болат сынықтары
Егер жарықшаның туындауы бірден оның қирауына әкеліп соқса, ондай сыну морт деп аталады. Морт сыну кезінде атомаралық байланыстың үзілуі қирау жазықтығына перпендикуляр болады, демек жыртылады немесе опырылады. Қирау микрожарықша туындаған қандайда бір ақаудан басталады. Әрі қарай дамыған жарықша шекті өлшеміне жетеді де, сонан соң жарықшаның өздігінен өсуі екпінді процесске айналады. Мұндай жарықшалардың бет жағында пластикалық деформация мүлдем болмайды.

Тұтқыр қирау кезінде атомаралық байланыстың үзілуі жылжу немесе сырғанау арқылы жүреді. Сырғанау жазықтығы түсетін күштің бағытына 45⁰ бұрышымен орналасқан. Тұтқыр қирауға жұмсалатын энергия морт қирауға жұмсалатын энергиядан көп болу керек. Мұндағы энергия жарықшаның дамуының алдында пайда болатын пластикалық деформацияға жұмсалады. Жарықшаның өсу жылдамдығы морт қираудан әлдеқайда төмен.

Қираудың түрі сынық бетінен анықталады. Тұтқыр сынған бет талшықты, күңгірт болса, морт сынған бет жылтыр, түйіршіктері біркелкі жазық орналасады. 4.3- суретте 1- морт (жарық) сынық, металдың беті біркелкі жазық және жылтыр; 4- талшықты (күңгірт) сынық, металдың беті кедір-бұдыр талшықты. Электронды микроскоп арқылы зерттелген сынықтың жұқа құрылымын 4.3,б - суреттен көруге болады.

Бір металдың өзі тұтқыр және морт сынуы мүмкін. Қирау түріне кристалдық тор типтері, химиялық құрамы, түйіршіктердің өлшемі тетіктердің пішіндері мен өлшемдері, тілікшелер мен ақаулардың болуы, түсетін күштердің жылдамдығы мен шарттары, әсіресе температурасы сияқты көптеген факторлар әсерін тигізеді. Көптеген металдар температураның өзгеруіне байланысты тұтқыр сынудан морт сынуға ауысады.

Тұтқыр сынудан морт сынуға ауысу температурасы суыққа сынғыштық табалдырығы (t_п.х.немесе Т₅₀) деп аталады.
4.3 Деформацияның металдың қасиетіне тигізер әсері
Металды деформациялау дәрежесі артқан сайын оның деформацияға қарсылық көрсетер қасиеттері: беріктігі (_в), аққыштығы (_0,2), қаттылығы (HВ), электркедергілiгi көтеріледі де, тығыздығы, тотқа шалдықпау қабiлетi, созымталдық қабілеті (δ) төмендейді. Металдың пластикалық деформациялануға қабілеті илемдеу, сымдау, соққылау, штамптау сияқты технологиялық процестермен өңдеуге мүмкіндік береді, пайдалану сенімділігін арттырады.

Пластикалық деформация процесі кристалл торларындағы ақаулар санының көбеюімен, жылжу жазықтықтарының қисаюымен, кристаллиттердің сынықтарының пайда болуымен, басқа құрылым өзгерістерімен қатар жүреді. Осының бәрі дислокациялардың орын ауыстырып отыруына кедергі тудырып, олардың жинала беруіне және бір-бірімен байланысуна әкеліп соғады. Металдың созымталдығының төмендеп, беріктігінің нығаю себебі осында.

Деформацияланған металдың түйіршіктері түскен күштің бағытына сәйкес қалыптасуы кезінде талшықтық құрылым түзіледі. Өте үлкен дәрежеде деформацияланған металдың кристалдары кеңістікте бірдей бағыттылуын деформациялық текстура деп атайды.

Текстура және талшықтық құрылым металда анизотропия тудырады.
4.5 Қайта кристалдану
Температураның сәл жоғарылауы деформацияланған металдың термодинамикалық күйін тұрақсыздандырып, бастапқы күйіне қайтаруға түрткі болады. Сәл қыздырылған (темір үшін 400⁰С) металдың бұзылған кристалдық торы түзетіліп, дислокациялар тығыздығы, вакансиялар саны азайып, ішкі кернеулер төмендейді. Бірақ құрылымы елеулі өзгере қоймайды, түйіршіктердің өзгерген пішіндері сақталып қалады. Шамалы температурада қыздыру кезінде металдың қасиеттері жартылай оралуы қайту деп аталады.


а) - жеке кристалл мен деформацияға дейiнгi металл құрылымы және схемасы; б) – деформациядан кейінгі түйіршіктер; металдың талшықты құрылымы және схемасы.

4.4-сурет. Пластикалық деформацияның металл құрылымына әсері.

Қыздыру температурасын жоғарылатқанда деформациядан кейінгі талшықты құрылымының орнында жаңадан тепе-тең кристалдардың пайда болуы қайта кристалдану немесе екінші кристалдану деп аталады.

Қайта кристалдану температурасы (Т_р) Бочвар А.А. формуласымен анықталады:

Мұнда, - металдың балқу температурасы: - металдың тазалығына байланысты алынатын коэффициент, техникалық таза металл үшін = 0,3- 0,4, қорытпалар үшін = 0,7- 0,8.

Қайта кристалдану температурасынан төмендегi деформация суықтай деформациялау деп аталады. Суықтай деформацияланған металдың берiктiгi артады. Суықтай деформация арқылы металдың беріктігін нығайту тойтару деп аталады.

Қайта кристалдану температурасынан жоғары температурада жүретін деформация ыстықтай деформациялау деп аталады. Ыстықтай деформациялау кезінде металдың берiктiгi көтеріледi, бiрақ бұл температурада жүретін қайта кристалдану процесi оны жартылай немесе толығымен жойып отырады

Қайта кристалдану кезінде металдың беріктігі σ_в, әсіресе аққыштық шегі σ_0,2 күрт төмендеп, металдың созымталдығы δ көтеріледі.

Қайта кристалданудан кейінгі дислокация тығыздығы 10¹⁰ – 10¹² –ден 10⁶– 10⁸ см² – дейін төмендейдi, тойтарылған ұсақ түйіршікті металл мен қорытпалардың беріктігі және тұтқырлығы көтеріңкі болады. Түйіршіктердің мөлшері қайта кристалдану температурасына, деформация дәрежесіне, қорытпаның құрамына, кірмелердің болуына т.б. байланысты қалыптасады. Деформация дәрежесі асқан сайын түйіршік мөлшері кішірейеді.

Металға түскен жүктемелердің әсерінен олардың ішкі құрылысында созылу, майысу, сығылу, бұралу, опырылу деформациялары пайда болады. Түскен жүктемелердің әсерінен металл қирауы мүмкін, осындай қирауларды және қалдық деформацияларды болдырмау үшін металдың механикалық қасиетін білу керек. Металға түсетін күштер статикалық, динамикалық және циклді (айнымалы) болып ажыратылады. Сонымен қатар материалдар әртүрлі температурада, агрессиялы орталарда деформацияларға және қирауға ұшырайды.

Үлгіге түсетін күштің біртіндеп баяу берілуі статикалық сынаққа жатады. Статикалық сынақтармен металдың беріктігі, қаттылығы, созымталдығы анықталады. Динамикалық күш металға кенеттен және соққы ретінде түседі. Динамикалық сынақпен металдың соққы тұтқырлығы анықталады. Циклдік немесе айнымалы сынақ кезінде металға берілетін күштің мөлшері немесе бағыты өзгеріліп отырады, кейбір кезде бағыты мен мөлшері қоса өзгеруі мүмкін. Циклді сынақ арқылы металдың төзімділігі, шалдығуы анықталады.

Металдың негізгі механикалық қасиеттеріне беріктігі, қаттылығы, серіппелігі, созымталдығы, соққы тұтқырлығы жатады. Беріктік деп сырттан түскен күштің әсерінен металдың қирауына немесе қалдық деформацияның туындауына қарсылық көрсетер қабілеті аталады. Мұнда металдың меншікті беріктігінің маңызы зор. Меншікті беріктікті беріктік шегінің металдың тығыздығына қатынасы арқылы табады, σ_в / γ. Мұнда, σ_в – беріктік шегі; γ – меншікті салмағы. Қаттылық деп металдың өзінен қаттылығы жоғары дененің әсерінен туындаған беттік деформацияға қарсылық көрсетер қабілеті аталады. Серпімділік деп деформацияланған металдың түскен күшті тоқтатқанда бастапқы қалпына оралу қабілеті аталады. Созымталдық деп түскен күштің әсерінен металдың басқы пішіні мен өлшемдерінің өзгеру қабілеті аталады. Соққы тұтқырлығы деп соққы күштерінің әсерінен металдың қирауына қарсылық көрсетер қабілеті аталады. Аталған түрлерінен басқа механикалық қасиетке төзімділік, шалдығу, жылжыпсырғымалылық және басқаларды жатқызуға болады. Механикалық қасиеттерінің сипаттамалары арнаулы сынақтар арқылы анықталады.

Сонымен қатар материалды таңдауда олардың сатылу бағаларыда ескерілу керек. Тетіктерді, бұйымдарды құрылымдау (жобалау) кезінде ең алдымен материалдардың механикалық қасиеттері шешуші роль атқарады.

Статикалық созып сынау арқылы беріктік, созылмалық сипаттамалары анықталады. Созып сынау үшін стандартты жұмыр немесе таспалы үлгілер арнаулы созу машинасымен сыналады. Сынау нәтижесі созу диаграммасы арқылы көрсетіледі,

4.5- суреттегі 1- сызық, шартты шамада мөлшерленген кернеудің әсерінен ( = Р/ F_о) үлгінің өзгеруін (деформациялануын) сипаттайды.

Созылу диаграммасы үш бөліктен тұрады; ОА – серпімді деформация, АВ- тепе-теңдіктегі пластикалық деформация және ВС- мойындық жинақ деформациясы. Жүктеме берілген материалдың серіппелі деформациясы неғұрлым кішкене болса, соғұрлым оның қатаңдығы төмен. Металдың қатаңдығы серпімділік модуль (Е) арқылы анықталады, Е=/ ; мұнда, - кернеу;  - салыстырмалы созылу.

Серпімділік модульдің физикалық мәні материалдың серпімді деформацияға көрсетер қарсылығының сипаттамасы, демек атомдардың тепе-теңдік қалпынан ауытқуы.


ОВ- серпімді деформация ауданы; ВD- пластикалық деформация ауданы; DK- жарықшаның даму ауданы.
4.5-сурет. Металдың созылу диаграммасы
Серпімділік шегі үлгінің алғашқы ұзындығынан 0,05%- ға жететін қалдық деформация тудыратын кернеу арқылы анықталынады:
σ_0,05= Р_0,05/ F_o.
Мөлшері 0,2% қалдық деформация тудыратын кернеу шартты аққыштық шегі (σ_0,2) деп аталады:

σ_0,2 = Р_0,2 / F_o.

σ_0,2 және σ_0,05 металдың шағын деформацияға көрсеткен қарсылығының сипаттамалары.

Түскен күштің әрі қарай артуы металда елеулі пластикалық деформация тудырады. Үлгінің сынуына әкеліп соғатын ең үлкен күштен туындаған кернеу деформацияға көрсетер уақытша қарсылығы немесе беріктік шегі (_в) деп аталады.

_в = Р_max / F_о.

Созылу диаграммасы (4.5-сурет) бойынша металдың созылу қабілетін сипаттауға болады. Металдың созылмалығы (пластикалық қасиеті) салыстырмалы созылу () және салыстырмалы сығылу (ψ) арқылы анықталады:

Жоғары сапалы конструкциялық материалдар әрі берік, әрі сенімді және мәңгілік болу керек.

Материалдың беріктігі деформацияға қарсылық көрсетуі бойынша анықталса, сенімділігі, мәңгілігі қирауға қарсылық көрсетер қабілеті арқылы анықталады.
3.7.2 Металдың қаттылығы

Материалдың беткі қабатына әсер еткен пластикалық деформацияға қарсылық көрсету қабілеті қаттылық деп аталады. Қаттылықты сынау тәсілдері көп. Оқу зетрханаларында жиі қолданылатындары Бринелль(ТШ аспабы) және Роквелл (ТК аспабы))тәсілдері. Қаттылықты өлшеу металға арнаулы ұштықтарды есепті күштермен батыруға негізделген.

Бринелль тәсілімен қаттылықты өлшеу ұштықтан түскен ойықтың диаметрін табу арқылы жүргізіледі. Бринелль тәсілін қолдануда сынақтағы болаттың қаттылығы 4500 НВ (МПа) аспауы керек, ал түсті металдардікі 2000 НВ (МПа) шектеледі. Бринелль тәсілі бойынша өлшенген қаттылықтың жазу белгісі - НВ,МПа (HB3500МПа); Мұндағы Н- қаттылықтың символы, В - Бринель тәсілі. Шариктен түскен іздің диаметрі қанша кішкене болса, қаттылық сонша жоғары болады.

Роквелл тәсілімен қаттылықты өлшеуде ұштықтың үлгіге ену тереңдігі анықталады. Өлшем бірлігі аспаптың шкаласының әрбір бөлігінің 0,002мм тереңдікті көрсетуіне сәйкес алынады. Роквелл тәсілімен анықталатын қаттылық HRA, HRB, HRC (HRC58; HRB65) әріптерімен белгіленеді. Олардың бәрі үлгінің бетіне түсірілетін ұштықтың шартты тереңдігіне кері, өлшемсіз шамалар. А, В, С – шкалалар. Ұштықтың ену тереңдігі азайған сайын, сынақтағы материалдың қаттылығы жоғары.

Беріктік шегімен қаттылық саны арасында келесідей байланыс бар: болат үшін _в = 0,34 НВ, мыс қорытпалары үшін _в = 0,45 НВ, алюминий қорытпалары үшін _в = 0,35 НВ.

Құрылым бөлікшелерінің, жұқа жабындардың микроқаттылығын өлшеу үшін арнаулы ПМТ аспабы қолданылады. Өлшенетін үлгіге 0,05-5Н күшімен алмаз пирамидасы батырылады. Нәтижесі Н = 0,189 F/d² формуласымен анықталады.

Жаңа заманға сай электронды, тасымалды қаттылықты өлшеу аспаптарының жұмыс атқару принциптері жоғарыда келтірілгендей сынақтағы металл бетіне арнаулы түсірген кұшке көрсетер қарсылығына негізделген.
3.7.3 Соққы тұтқырлығы

Тұтқырлық – материалдың пластикалық деформациялану кезінде энергияны кері қайтармайтындай сіңіріп алатын қасиеті. Тұтқырлық тікелей өлшенбейді, оның жанама көрсеткішіне соққы тұтқырлығы жатады. Соққы тұтқырлығы маятникті тоқпақпен тілікше кертілген үлгіні сындыруға жұмсалатын жұмысты бағалайтын механикалық сипаттама.

Мұндай әдіс маятникті тоқпақпен ортасы кертілген (тілікше) арнаулы мөлшерлі үлгіні соғып сындыру арқылы жүргізіледі.

Бұл сипаттама шапшаң жылдамдықпен түсетін динамикалық (соққылық) күштердің белгіленген факторларының (шоғырланған кернеу, деформация жылдамдығының үдеуі, температураның төмендеуі және т.б.) әсерінен металдар мен қорытпалардың тұтқырлықтан морт күйге ауысуында үлкен орын алады.

Конструкциялық машина жасайтын, көміртекті және легірленген болаттардың басым көпшілігі соққы тұтқырлығымен бақыланады. Соққы тұтқырлығы құрал-саймандық болаттар үшін, әсіресе салқындай және ыстықтай деформацияланатын штампты болаттар үшін маңызды сипаттама. Соққы тұтқырлығының жазу белгісі КС (Дж/см²). КС = К / S₀.

Мұнда К- соққы беретін жұмыс, S₀ - үлгідегі тілікшенің тұсындағы көлденең қимасының бастапқы ауданы.

Металдың мәңгілігі оның қажуын, жылжып сырғымалығын, ұзақ уақытқа беріктігін, тозуын, коррозиялануын анықтаумен және басқа да сипаттамалармен анықталады.

Металға түскен айнымалы кернеудің әсерінен жарықтың туындап, дамуына себепкер зақымдар жиынтығы қажу деп аталады, ал қажуға қарсылық көрсетер металдың қабілеті- төзімділік деп аталады. Төзімділік сипаттамасы қирау алдындағы үлгіге түсіретін циклдер (қайтара күш түсіру) саны арқылы қажудың мәңгілігін анықтайды.

Қажуға сынау металға циклді (айнымалы) жүктемелердің әсерін анықтау арқылы жүргізіледі. Сынау нәтижесін төмендегі 4.6-суретінен көруге болады.

Қажып қирау үш кезеңнен тұрады: 1) қирау ошағы - қираудың басталған көзі; 2 ) жарықтың бірқалыпты дамуы; 3) жіңішкерген қиманың шапшаң үзілу аумағы. Қирау ошағы, әдетте, беткі қабатқа жақын орналасады.

Қажу сипаттамаларын жұмыр үлгіні айналдырып ию арқылы сынаумен анықтайды. Металдың бетіне түскен күш үстем болып келетіндіктен, онда микродеформация туындайды да, тойтарылған аумақтағы беттің астында жарық пайда болады (3.6,б - суреті). Жарықтың дамуына жарамдысы (магистральды жарық) тік қырлы болуы және ұзаққа созылып орналасуы керек. Жарық баяу дамиды. Жарықтың өсуі металдың қимасының жіңішкергеніне дейін жалғасады да, соңынан қирауға әкеліп соғады.

а) б)
1- қирау ошағы; 2 - бірқалыпты жарықтың даму аумағы; 3 – қирауға ұшыраған аумақ; 4- қажу жолдары; 5 – жарықтың басталу кезеңі; 6- магис-тральді жарық.

әдебиеттер

2. Түленденова Н.Қ.-Материалтану. – Өскемен ШҚМТУ баспасы, 2005ж.

4. Гуляев А.П. – Металловедение – М. «Металлургия», 1986г

5.Справочник металлиста под редакцией А.Г.Рахштадта – М.Машиностроение – т.2,т3.

6.Түленденова Н.Қ –Материалтанудан қысқаша терминологиялық

түсініктеме -сөздік, 1993ж.

7. Түленденова Н.Қ. - Зертханалық жұмыстарға арналған әдістемелік

нұсқау, 2013 ж

8. Казахско-русский - русско-казахский терминологический словарь.

Машиностроение, т.7; Горное дело, т. 19. - М.: Респуб. гос. изд-во Рауан.

-Алматы, 2000.

9. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна. Справочник под редакцией А.Г. Рахштадта – М.: «Интермет Инжиниринг», т.3, 2007.- 919с

10. Самохоцкий А.И.,Кунявский М.Н. Лабораторные работы по

материаловедению и термической обработке металлов, –М. Машиностроение, 1981г.

11. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. - Оборонгиз, 1980

12. Орысша - қазақша сөздік. -1,2 т. Қазақ совет энциклопедиясының бас редакциясы / Жалпы редакциясын басқарған Ғ.Ғ.Мұсабаев. – Алматы, 1978, 1 т. -575 б., 2 т. – 588 б.

13. . Шадричев Е.В., Сивенков А.В., Горшкова Т.П. Материаловедение и технология конструкционных материалов, изд-во СЗТУ, 2008.

14. Брандон Д., Каплан У., Мир материалов и технологий. Микростуктура

материалов.Методы исследования и контроля, - М: Техносфера, 2006, 375с.