Қазақстан республикасы білім және ғылым министрлігі семей каласы

2. 
   ^{Инженерлік-технологиялық факультеттің оқу-әдістемелік}
   

1. Деформация - кернеу әсерінен дененің өлшемі мен формасының өзгеріске ұшырауы.

2. Кернеу- бөлшектің бір бірлік қима ауданына әсер ететін күш.

3.Серпімді деформация- кернеулерді алып тастағанда толығымен жоғалып кететін

деформация.

39

4.Пластикалық немесе қалдықты деформация- кернеу тудыратын әрекеттер тоқтағаннан

5.Шартты өту шегі қалдықты деформацияны тудыратын кернеу.

6.Өту шегі жоғары жүктелуге сәйкес келетін және уақытша жоғарылауға қарсы тұратын

кернеу.

беріктілік.

8.Әлсіз бұзылу- нормальды созу кернеуі арқылы атомдардың бір қабатын басқа

қабаттарынан үзу.

9.Тәуелділік шегі деформация мен кернеу арасындағы сызықтық тәуелділікті сақтайтын

жоғарғы кернеу.

10.Беріктік- материалдың деформацияға және бұзылуға қарсы тұруы.

1 Дәріс

Металтану. Металдардың атомдық-кристалдық құрылысының

ерекшеліктері.

1. Металдар, атомдық –кристалдық құрылысының ерекшеліктері.

2. Изотропия және анизотропия туралы түсінік.

3. Аллотропия және полиморфтық түрленулер.

4. Магниттік түрленулер.

Металтану- бұл материалдардың электрондық құрылысы, құрылымы мен құрамы,

физикалық, химиялық, технологиялық және пайдалану қасиеттерінің арасындағы өзара

байланыс ғылымы.

Болаттағы фазалық түрленулердің критикалық температураларды және оның болаттағы

көміртегі мөлшерімен байланысын зерттеп анықтаған Д.К.Чернов. Бұл металтанудағы ең

маңызды темір-көміртекті қорытпа күй диаграммасының негізі болып табылады.

Чернов болаттағы термиялық өңдеудің негізін қалады.Болаттың критикалық нүктелері

шынықтыру, жасыту, пластикалық деформацияда өндірістік жағдайда температурасын

ұтымды таңдауға мүмкіндік береді.

Чернов өзінің болаттың кристалдануы және құйма құрылысы жөніндегі жұмыстарында

құю теориясының негізгі жағдайларын баяндады.

Ең алғаш рет орыстың ұлы металлургі П.П.Аносов металдардың құрылысын зерттеу

үшін микроскоп пайдаланды. Ол құрышты болаттан сына дайындаудың теория мен

технологиясын өңдеді.Аносов жұмыстарынан болат бетіндегі құрышты өрнек оның ішкі

құрылысына байланысты екені түсінікті болды.

1873-1876 ж.ж. Гиббс фазалық тепе-теңдіктің негізгі заңдарын, фаза ережесін

термодинамика заңдарына сүйене отырып баяндады. Практикалық есептерді шығару үшін

фазалық тепе-теңдікті білу керек, бірақ құрамын, салыстырмалы фаза санын анықтау үшін

бұл білім жеткіліксіз. Қорытпалардың құрылысын, яғни фазаның атомдық құрылысын,

сонымен қатар әр фазаның кристалдарының көлемі мен пішінін білу қажет.

Фазаның атомдық құрылысын анықтау Лауэның жаңалығынан кейін мүмкін болды. Ол

кеңістік дифракциялық торды құра отырып, атомдар үнемі кеңістікті толтыратынын және

рентгендік сәулелер толқынды табиғатқа ие екенін көрсетті.Мұндай тордағы рентгендік

сәулелердің дифракциясы кристалдардың құрылысын зерттеуге мүмкіндік береді.

Соңғы кездерде құрылымдық талдау үшін рентгендік сәулелерден басқа электрондар

мен нейтрондар қолданылады.Соған сәйкес зерттеу әдістері электронография және

нейтронография деп аталады.Электрондық оптика микроскопияны жетілдіруге мүмкіндік

берді.Қазіргі кезде электрондық микроскоптарда пайдалы максималды үлкейту 100000-ға

дейін жетті.

Зерттеле келе,металдық материлдардың қасиеттері,соның ішінде, пластикалығы,

деформацияның кедергісі, турлі жағдайлардағы жүктелудің булінуі жұқа кристалдық

құрылыстың ерекшеліктеріне тәуелді екені белгілі болды.Дислокация теориясының

арқасында пластикалық деформация кезіндегі металдардың өзгеруі туралы мәлімет алуға

мүмкіндік алдық.

Соңғы он жылдықта металтану қарқынды дамып келеді.Бұл жаңа материалдардың

космос зерттеулеріне, электроника дамуына, атомдық энергетикаға қажеттілікпен

түсіндіріледі.

Таза және аса таза металдарды өндіру әдістерін өңдеу металтанудың дамуының негізгі

бағыты болып табылады.Олардың қасиеттері техникалық таза металдардың қасиеттерінен

ерекшеленеді. Металтанудың бас міндеті – бұл алдын-ала қасиеттері есептелген

материалдарды шығару.

7

Қазіргі уақытқа дейін машина жасауда материалдық негізгі базасы шойын мен болат

бөлшектерінің жоғары конструкционды беріктігін қамтамасыз етеді.Дегенмен, бұл

классикалық материалдардың кемшіліктері бар: жоғары тығыздық, коррозияға төзімділігі

төмен. Коррозиядан шығыны болат пен шойынның жылдық өнімнен 20%-ты құрайды.

Ғылыми зерттеулерге сүйенсек, 20-40 ж кейін барлық дамыған елдер Ti, Al, Mg негізді

металдардың қорытпаларын пайдалануға көшеді. Бұл жеңіл әрі берік қорытпалар

машиналарды 2-3 есе жеңілдетеді және 10 есе жөндеуге шығынды азайтады.

Елімізде металдық материалдардың орнына жаңа материалдар- пластмасс, керамика т.б.

қолдануды арттыру керек. Бұл тапшы металдарды үнемдейді, энергия шығынын азайтады,

заттардың массасын кішірейтеді.

Металдық бөлшектерді жаңа материалдармен ауыстыруы машинаның массасын 40%-ға

төмендетеді, беріктігін, коррозияға төзімділігін жоғарылатады, отынның шығынын азайтады.

ғасырлары) да бұған дәлел бола алады.

Металдар-бұл конструкциондық материалдардың бір тобы. Оның мынадай ерекшеліктері

бар:

● 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.

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 )

8

Сүр.1.1.Кристалды тордың схемасы

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 3 қосымша атом болады.

Сүр.1.2.Кристалды тордың негізгі түрі: а- көлемдік кубтық центрілген; б- қырлық кубтық

центрілген; в- гексагональдық тығыз орналасқан

9

2. Дене қасиеттері оны құрайтын атомдар табиғаты мен олардың арасындағы

әрекеттестікке тәуелді. Атомдар арасындағы әрекеттесу күштері олардың ара

қашықтықтарына байланысты. Атомдары ретсіз орналасқан аморфтық денелерде әр

бағыттағы атомның ара қашықтықтары бірдей. Сондықтан, қасиеттері де бірдей болады, яғни

аморфты денелер изотропты .

Кристалдық денелерде атомдар дұрыс орналасқан.Әр бағытта атомдар ара қашықтықтары

әртүрлі, оған қоса олардың әрекеттесу күштері де, қасиеттері де әртүрлі болады.

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.

қолданады.Миллер индекстерін тағайындау үшін элементарлы ұяшықтарды кеңістік

координат жүйесіне енгізу қажет.(X, Y, Z- кристаллографиялық осьтер) тор периоды өлшем

бірлік ретінде пайдаланады.

Сүр.1.3.Кристаллографиялық жазықтарды белгілеу мысалдары (а) және кристаллографиялық

бағыттары(б)

Кристаллографиялық жазықтық индекстерін анықтау үшін:

●жазықтықтың қиылысу нүктелерінің координатасын тағайындау

●осы шамалардың кері шамасын алу

●оларды ең кіші бүтін еселігіне келтіру

Ортақ көбейткіші жоқ алынған жай бүтін сандар жазықтыққа арналған Миллер индекстері

болып табылады.Олар жай жақшамен белгіленеді. Кристаллографиялық жазықтықтарды

белгілеудің мысалы 1.3а сур.көрсетілген.

Түзудің бағыты 2 нүктенің координаталарымен анықталады. Кристаллографиялық

бағыттың индекстерін анықтау үшін :

●бағыттың бір нүктесін координатаның басымен біріктіру

●түзуде жатқан басқа бір нүктенің координатасын тағайындау

●осы координатаның қатынасын ең кіші бүтін санның қатынасына келтіру

Кристаллографиялық бағыттың индекстері тік жақшамен көрсетіледі.[111] Кубтық тордағы

бағыт индекстері сол [hkl] индекстері болып табылады.

кристалдық пішінде болу қабілеттілігі аллотропия немесе полиморфизм деп аталады.

Аллотропиялық түр өзгертушіліктің температураға тәуелділігінің мысалы темір (Fe) болып

табылады.

Fe: t < 911°C – ККЦ - ;

10

911< t <1392°C – ҚКЦ - ;

Бір модификацияның басқаға айналуы тұрақты температурада жүреді.Элементтің түр

өзгерулері грек алфавитінің әріптерімен белгіленеді.

Аллотропиялық түр өзгерудің мысалына көміртегінің төмен қысымда графит, ал жоғары

қысымда алмаз түзілуін жатқызуға болады.

Полиморфизм құбылысын пайдалана отырып, термиялық өңдеу арқылы қорытпаның

беріктігін азайтуға, көбейтуге болады.

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 u1078 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 '29, 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

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

кристалдық торы мықты деформацияланған кристалдардың дислокация тығыздығы

.

Дислокация тығыздығы пластикалықты және материал беріктігін анықтайды.

14

Сүр.2.5.Дислокация тығыздығының беріктікке әсері

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

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?

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.