Материалтану

Қарапайым кристалдың әрбір кристаллографиялық бағыттағы қасиетінің бірдей еместігі анизотропия деп аталады.

Металдың қасиеттері оны құраушы атомдардың табиғатына, олардың өзара әрекеттесу күшіне байланысты.

Аморфты денелермен салыстырғанда кристалды денелердің атомаралық арақашықтығы әрбір кристаллографиялық бағытта бірдей емес әртүрлі. Мысалы, КЦК торында кубтың қабырғасы бойындағы кристаллографиялық жазықтықтың үлесіне 1 атом келеді, өйткені тор түйініндегі әрбір атом оларға көршілес 4 дара ұяшықтарға бірдей қатынасты (1/8 х 8) = 1 атом. Кубтың диагоналімен өтетін жазықтыққа 2 атом 1+(1/8 х 8) = 2 келеді.


2.4- сурет. Кристаллографиялық жазықтықтардың индекстері (а-в) және көлемдік центрленген кристалдағы бағыттары (г)
Қарапайым кристалдың қасиеттері (химиялық, физикалық, механикалық) атомдардың орналасу тығыздығына қарай әрбір жазықтықпен тордың бағыттарына қарай әртүрлі, демек үлгіні кесіп алу бағыты мен тор бағытының қатынасына қарай өзгереді.


2.2 Кристалл торларының ақаулары
Нақты кристалдың құрылысы идеалды кристалдың құрылысымен салыстырғанда ақаулы болады. Ақаулар геометриялық тұрғысына қарай нүктелік, сызықтық және беттік ақау болып ажыратылады.
2.2.1 Нүктелік ақаулар

Мұндай ақаулардың мөлшері бірнеше атомдар диаметрінен аспайды. Нүктелік ақауларға вакансиялар, орын басу және түйінаралық кірме атомдары жатады (2.5- сурет).

Кинетикалық энергиясы басым атомдар қыздыру үстінде үздіксіз орын ауыстыруда болады. Кейбіреуі беткі қабатқа жетіп жойылып, кейбіреуі түйінаралықта орналасады. Жойылған атомдардың босатқан орнын басқа атомдар басады. Сөйтіп, жылулық вакансиялар түзіледі. Мұндай вакансиялардың пайда болуына түйіршіктің шекаралары, босаған беттер, қуыстар, жарықшалар түрткі болады. вакансия ақаулары қыздырудан ғана емес пластикалық деформация, қайта кристалдану, т.б. өңдеулерден де пайда болуы мүмкін.

1-кірмелі алмасу атомдары; 2,4 – вакансиялар; 3 – кірме ену атомы; 5 – вакансия және түйінаралық ақау; 6 – алмасу және ену атомдары.

2.5 - сурет. Кристалдағы нүктелік ақаулар схемасы

Түйін аралық ақау атомдардың тор түйінін босатып, кристалдардың қуыстарына орналасуынан туады. Тығыз орналасқан торларда түйін аралық ақаудың пайда болуына жұмсалатын энергия жылулық бос орын тудыратын энергиядан жоғары болу керек. Сол себепті металдарда вакансия ақауы көп тараған. Нүктелік ақаулар металл құрамындағы кірмелердің әсерінен де болады. Кірме атомдар негізгі металдың атомдарының орнына немесе түйін аралықта орналасып торды бұзады. Пайда болған бос орын диффузия тудырады. Нүктелік ақаулар металдың электрөткізгіштігіне, магниттігіне, фазалық өзгеруіне әсерін тигізеді.

2.2.2 Сызықтық ақаулар.

Сызықтық ақауларға дислокациялар мен түйінаралық атомдардың тізбектері жатады. Олардың өлшемдері бір бағытта микрокристалдың (түйіршіктің) өлшеміндей, ал қалған екі бағытта бірнеше атомаралық қашықтыққа тең.

Жалпы анықтама бойынша дислокация деп- кристалл ішіндегі сырғу зонасының шекарасын көрсететін сызықтық ақауды айтады. Мұндай шекара сырғу жазықтығының деформация жүріп өткен бөлігін әлі деформация басталмаған бөлігінен бөліп тұрады.

Сызықтық ақаулардың ерекше және маңызды түрлеріне шеттік және бұрандалық дислокациялар жатады.

а) шеттік дислокация тудырған сырғу б) шеттік дислокацияның кеңістік схемасы; в, г) дислокация төңірегіндегі атомдардың орналасу схемасы

2.6- сурет. Шеттік дислокациялар

Экстражазықтықтың шекарасында орналасқан атомдардың координациялық саны кристалдық тордың деформацияланбаған бөлігіндегі санынан аз келеді.

Үстіңгі бөліктегі экстражазықтық оң аталып  - таңбасымен, төменгі бөліктегі экстражазықтық теріс аталып Т – таңбасымен белгіленеді.Шағын ғана жанама кернеудің әсерінен дислокация оңай орын ауыстырып толық жазықтыққа айналып кетеді де, экстражазықтық міндетін іргелес жазықтықтар атқарады.

Бұрандалық дислокациялар. Кристалды ABCD жазықтығы бойымен тіліп, оның алдыңғы оң жақ бөлігін төмен қарай бір атомдық арақашықтыққа сырғытайық. Осының нәтижесінде кристалдың жоғарғы бетінде пайда болған баспалдақ – оның бүкіл дене бойымен өтпейді, В нүктесінде бітеді. Жәй куб кристалдың торы 2.7-суретте көрсетілгендей болып өзгереді. Сонымен сырғу деформациясы нәтижесінде ВС сызығының төңірегінде металдың атомдық-кристалдық құрылысы бұзылып, сызықтық ақау пайда болады. Оның бір өлшемі ВС сызығымен кристалдың биіктігіне тең, ал қалған екі бағыттағы өлшемдері аз – бірнеше атомаралық қашықтыққа тең. Мұндай ақаудың ішінде орналасқан атомдардың координациялық сандары басқа, атомаралық қашықтықтары, байланыс энергиялары, қасиеттері өзгерген.Кристалдық тордың симметриясы мен атомдардың орналасу реті бұзылған. Ал ВС сызығы сырғу деформациясы жүріп өткен аймақтың шекарасын көрсетеді. Сондықтан ВС сызығының бойындағы бұрандалы баспалдақ тәрізді атомдық жазықтықтан тұратын кристалдың ақауы – бұрандалы дислокация деп аталады.

а) Q – жазықтығының бойындағы толық емес сырғудан пайда болған EF дислокациясы; б) бұрандалы дислокация аймағындағы атомдардың орналасуы.

2.7- сурет. Бұрандалы дислокация

Дислокациялар металдардың кристалдану процесінде, пластикалық деформациялануда және фазалық өзгеру процестерінде пайда болады. Дислокация құрылымының маңызды сипаттамасына дислокация тығыздығы жатады. Дислокация тығыздығы P деп кристалдың бірлік көлеміне U, см³ келетін дислокацияның ұзындық жиынтығы L, см түсіндіріледі.

Сонымен, дислокация тығыздығының өлшем бірлігі, см ^–2 : P = L/U.

Металл кристалдарында дислокациялар көп мөлшерде (10⁶ – 10¹² см²) кездеседі, тез орын ауыстырып отырады және көбеюге бейімді.

Металдың механикалық және басқа қасиеттеріне дислокациялардың тек тығыздығы ғана емес металл көлемінде орналасуы да үлкен әсерін тигізеді.

Беттік ақаулар. Беттік ақауларға – кристалдардың сыртқы беті, микрокристалдар мен субкристалдардың (бірнеше блоктан тұратын ірі бөлшектер) шекаралары, жазық дислокациялардағы (БЦК және ГТ торларындағы) атомдардың орналасу ретінің бұзылуы жатады. Кристалл атомдарының ретпен орналасуы бұзылған шекараларында кристалдың қалыңдығынан жұқалтаң (5…10 атом диаметріндей) келетін беттік зона пайда болуы мүмкін. Мұндай ақаулар беттік ақауға жатады.

Шекара тұсындағы атомдардың орналасу тәртібінің бұзылуына көбінесе сырттан түскен кірмелердің шоғырлануымен қатар кристалл құрылысының идеальді болмауы әсер етеді. Әрбір кристалл көптеген блоктардан, өлшемі 10^-3…10^-5 см жеке элементтерден тұратыны анықталған.

3 МЕТАЛЛ ҚҰРЫЛЫМЫНЫҢ КРИСТАЛДАНУ ПРОЦЕСІНДЕ ҚАЛЫПТАСУЫ
3.1 Кристалдану процесінің энергетикалық шарттары
Металдар қатты, сұйық және газ тәрізді үш агрегатты күйде болатыны белгілі. Бір күйден екінші күйге өзгеруі балқу немесе қайнау температураларында ғана мүмкін.

Газды құрайтын бөлшектердің орналасуы ешқандай заңға бағынбай ретсіз орналасады және газдың алып жатқан орны да көлемді болады. Кристалды қатты денелердің құрылысында оны құраушы атомдар мен иондар кристалл торларының түйіндерінде реттілікпен дұрыс орналасады да дара ұяшықтар мен блоктар бір-біріне қарай белгіленген бағытта орналасады. Сұйық фазаның атомдары негізінде ретсіз орналасады, тек қана олардың аздаған саны фазалық флуктуация (лат. fluktuatio – тербеліс) аталатын топшалар құрып «жақын реттікпен» (3.1-сурет, б) орналасады. Температура төмендеген кезде флуктуациялардың тұрақтылығы арта түседі де өсіп дамуға жарамды күйге жетеді. Демек, сұйықтағы атомдар тек жақын реттікпен ғана орналасады.

а) б) в)

Сұйықты суыту және қатыру кезінде бұл жәй керісінше көрінеді. Сұйықты суыту кезінде атомдардың қозғалысы керісінше баяулайды да балқу температураға жақындаған кезде атомдарының орналасуы кристалға ұқсас топшалар құрады. Осындай топшалар кристалдану орталықтары немесе өскіндер болады. Балқу немесе қатаю температураларына жеткенде кристалл торлары құрылып, металл қатты күйге өзгереді.

Металдың белгіленген температурада сұйық күйден қатты күйге өзгеруі кристалдану деп аталады. Кристалдану процесінің энергетикалық шартын қарастыралық.

Қандайда болмасын жүйенің энергетикалық күйі молекулалардың, атомдардың, электрондардың қозғалыс энергияларынан, ядроның ішкі энергиясынан кристалл торларының серіппелі бұзылу энергиясынан және де басқа энергиялар жиынтығынан тұратын белгілі ішкі энергиялар қорымен сипатталады.

Еркін энергия (G) изотермиялық жағдайларда жұмысқа ауысатын ішкі энергиялардың құраушысы, демек жүйенің энергетикалық күйін сипаттайтын термодинамикалық функция.

Термодинамиканың екінші заңы бойынша қандай болмасын жүйе еркіндік энергиясын аз жұмсауға ұмтылады. Өздігінен жүретін процестердің қайсысын алып қарасаңызда жаңа күйі тұрақты болғанда, демек жұмсалатын еркіндік энергиясы төмен болса ғана жүреді.

Кристалдану процесі осы заңға бағынады. Металдың қатты күйіндегі еркіндік энергиясы төмен болса ол қатайады, сұйық күйіндегі еркіндік энергиясы төмен болса балқиды.

Сұйық және қатты металдың еркіндік энергияларының өзгеруіне температураның тигізер әсерін 2.2.суреттен көруге болады. Температура көтерілген сайын екі фазаның да еркіндік энергиялар шамасы төмендейді, бірақ сұйық және қатты фазалардың еркіндік энергиялары заң бойынша әртүрлі.

Температура

Қатаю температурасына жуық температурада кристалдық заттың туындылары сұйық металдың ішіндегі тығыздығы жоғары атом топтарынан құрылады. Пайда болған туындылар қоршаған сұйық фазадан жеке атомдарды қосып алу арқылы өсіп, бірте-бірте микрокристалға (түйіршікке) айналады. Кристалдану процесі кезінде микрокристалдар бір-бірімен кездескенде сұйық фазаның есесінен ары қарай өседі. Процесс аяқталғанда олар бүкіл металл құймасының көлемін толтырып, оның микроқұрылысын құрайды (3.4-сурет).

Алғашында кристалдар еркін өсіп, геометриялық формалары дұрыс қалыптасады. Бірақ өскен кристалдар бірін- бірі ығыстыру салдарынан түйіскен қырлары өспей, дұрыс формасы бұзылады. Сұйықпен беттескен бағытта ғана өсу жалғаса береді. Осылай сырт пішіндері дұрыс емес қалыптасқан кристалдар – түйіршіктер немесе кристаллиттер деп аталады.

3.4- сурет. Металдың кристалдану процесінің схемасы.

Түйіршіктердің өлшемі туындылардың пайда болу және өсу жылдамдықтарының арақатынасына тікелей байланысты. Асыра суыну дәрежесі кішкене жағдайда, мысалы жылуөткізгіштігі төмен ыдысқа құйылған металл кристалдарының өсу қарқыны үлкен, туындылардың пайда болу жылдамдығы төмен болады. Демек металдың құрылымы ірітүйіршікті болады. Сұйық металды салқын ыдысқа құйатын болса, туындылардың пайда болу жылдамдығы көтеріледі, мұндай жағдайда қалыптасатын құрылым ұсақтұйіршікті болады.

Түйіршіктің өлшемінің қалыптасуына сұйық металды қыздыру температурасы мен тарата құю жолы, оның химиялық құрамы, әсіресе кездейсоқ кірмелердің болуы әсерін тигізеді.

Күнделікті жағдайларда сұйық металда кристалдардың өздігінен туындауы қиындау. Көбінесе туындылардың пайда болуына көзіне қатты бөлшектер (металл емес кірмелер, тотықтар, тотықсыздандыру өнімдері) түрткі болады.

3.5– сурет. Асыра суыну дәрежесінің кристалл туындыларының пайда болу жылдамдығы мен олардың өсуіне тигізер әсері.

Жылудың бөлініп шығу бағытына сәйкес, демек ыдыстың қабырғасына перпендикуляр бағытта алғашқы (бірінші реттік) осьтері пайда болады. Сонымен бірге бірінші реттік осьтің қабырғаларына перпендикуляр екінші реттік туындылар пайда болып өсе бастайды, одан әрі үшінші реттік ж.б. жалғаса береді. Нәтижесінде ағаштың бұтағына ұқсас дендрит аталатын тармақталған кристалдар құрылады.

Кристалдану үш аумақтан тұрады. Бетінде ұсақ түйіршікті аумақ 1, одан әрі - бағаналы кристалдар аумағы 2 және ортасында домалақ ірі кристалдар аумағы 3.

Беткі үсақтүйіршікті домаланған кристалдардың пайда болу себебі, ыдыстың суық қабырғасымен ыстық металл арасындағы температура айырмасы күрт өзгеруіне байланысты суыну жылдамдығы аса шапшаң жүреді де, металдың ыдысқа тиген қабырғаларында саны көп кристалдар орталығы пайда болып, ұсақ түйіршікті құрылым түзіледі.

Беткі қабатында жұқа қабыршық түзілгеннен кейін кристалдану шарты өзгереді де асыра суыну дәрежесі төмендейді. Сонымен саны аз кристалдану орталарынан ыдыстың қабырғасына перпендикуляр жылудың бөлініп шығу бағытымен бағаналы кристалдар түзіліп, екінші аумақ құрылады. Кристалдардың жан-жаққа өсуіне көршілес дендриттер кедергі жасайды.

Үшінші аумақ – тепе-теңдіктегі кристалдар аумағы. Құймакесектің ортаңғы бөлімінде жылу белгілі бағытта бөлініп шықпайды. Кристалл туындыларының ролін жан-жақтан ысырылып ортасында жиналған әртүрлі ұсақ қатты бөлшектер атқарады.

Құрылған кристалл пішіндері металдың қасиетіне әртүрлі әсерін тигізеді. Бағаналы аумақта газды қуыстар, көпіршіктер болмайды, мұнда кристалдар тығыз орналасқан. Бірақ бағаналы кристалдардың жіктері осал болып келеді де, қысып өңдеу процесінде жарылып кету қаупі туады. Сондықтан, болат тәрізді созымталдығы төмен материалдарда бағаналы кристалдардың дамуы қолайсыз жәй. Құрылымы бағаналы кристалдан тұратын құймалар алу көбінесе мыс және оның қорытпалары сияқты созымтал материалдар үшін тиімді.

1 – беткі қабаты; 2 – бағаналы кристалдар ауданы; 3 – тепе-тең кристалдар ауданы; 4 – шөгу қуысы

3.7– сурет. Болат құймакесегінің құрылысы

3.5 Полиморфтық өзгеріс
Көптеген металдар температураның өзгеруіне байланысты әртүрлі кристалдық пішінде болуы мүмкін. Металдың кристалдық торларының бір түрден екінші түрге өзгеру қабілеті полиморфты өзгеру деп аталады.

Полиморфты өзгеру кезінде жаңа пішінді кристалдардың өсуі атомдардың бір - бірімен байланысып, фазалардың шекарасынан ретсіз өтуінен туындайды. Бастапқы фазадан бөлініп шыққан атомдар (мысалы ) кейде дара, кейде топталып жаңа фазаның торына () қосылады, сол себепті  модификациялы кристалдың шекарасы бастапқы фазаны «жұтып»,  модификациялы кристалға ауысады.

Төмен температурада тұрақтанған кристалдық торлар  әрпімен, жоғары температурада тұрақтанған кристалдық торлар ,  т.б. әріптер арқылы белгіленеді.

Полиморфты өзгере алатын кейбір металдар тізбегі: Fe  Fe , Ti   Ti ; Mn Mn Mn Mn; Sn Sn т.б.

Полиморфты өзгеру кристалдану процесіндей кристалдану орталықтарының пайда болуынан және олардың өсуінен тұрады . Полиморфты өзгерумен бірге металдың және қорытпалардың барлық қасиеттері: меншіктік көлемі, жылу өткізгіштігі, электр өткізгіштігі, магниттік қасиеттері, механикалық және химиялық қасиеттері ж.б. түгел өзгереді.

3.8 – сурет. Темірдің суыну графигі.

Серпiмдi және пластикалық деформацияның жүру сарыны физикалық тұрғыдан бір – біріне ұқсамайды. Серпімді деформация туындаған металдың микроқұрылымы өзгемейді, кристалл торындағы атомдар тепе-теңдік күйден ауытқып арақашықтықтары өзгереді. Деформация тудырған күшті тоқтатқан кезде орын ауыстырған атомдар бастапқы тепе-теңдік күйіне оралады.

а) б) в)

г) д)
а) бастапқы құрылым; б) серпімді деформация; в) серпімді және пластикалық деформация; г)- сырғып деформацияланған құрылым; д)- қосарланып деформацияланған құрылым.

Пластикалық деформация тудыратын күштердің мөлшері деформациялау температурасы мен оның жылдамдығына байланысты. Пластикалық деформацияға қажетті күш температура көтерілген сайын азаяды. Деформациялау жылдамдығы артқан сайын пластикалық деформациялау процесі қиындай түседі.

Металдың пластикалық деформацияға бейімділігі оның өте маңызды және пайдалы қасиеттерінің біріне жатады. Мұндай қасиеті жоқ металды қысыммен өңдеу – илемдеу, сымдау, соққылау, штамптау және басқадай басып өңдеу мүмкін болмас еді.

Пластикалық деформацияға ұшырамаған бұйымның қирауына аз мөлшердегі күш те жеткілікті болады.

Металдар көбінесе түскен күштің әсерінен ығысуға емес созылуға немесе сығылуға қарсылық көрсетуге бейімді. Сондықтан пластикалық деформация процесін кристалдардың бір бөлігі атомдардың ең тығыз орналасқан кристаллографиялық жазықтықтардың бойымен екінші бөлігінен әрі қарай сырғыйды немесе ығысады деп қарау керек. Сырғу кезінде кристалдық торлар бастапқы қалпын өзгертпей сақтайды. Пластикалық деформация сырғудан басқаша қосарланып жүруі де мүмкін.

Қосарлану деформациясы сырғу деформациясы сияқты жылжу арқылы жүреді, тек қана кристалдың сырғып ығысқан бөлігі, ығыспаған бөлігінің айнадағы кері бейнесіндей қайырылып отырады (4.1 сурет, д).

Қосарлану деформациясын тудыратын жылжу кернеуі жоғары болу керек, ол көбінесе сырғып деформациялануға мүмкіндік болмаған жайларда байқалады. КЦК, БЦК торларында қосарлану деформациясы тек төмен температурада және түскен күштің жылдамдығы өте жоғары болса ғана байқалады. Қосарланып деформациялану көбінесе гексагональді тығыз торларда (Ti, Mg, Zn) кездеседі. Гексагональды тығыз тордан тұратын металдардың созымталдығы төмен болғандықтан илемдеуге, штамптауға жарамайды.