АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС ИНСТИТУТЫ

 Өнеркәсіптік жылуэнергетика кафедрасы

 

 

 

ЖЫЛУЭНЕРГЕТИКАНЫҢ ҚҰРАСТЫРУШЫ МАТЕРИАЛДАРЫ

Дәрістер конспектісі

( 050717 – Жылуэнергетика мамандықтары бакалавриатының студенттері үшін

 

                                                           

Алматы 2007

 

         ҚҰРАСТЫРУШЫ: С.Қ.Абильдинова.    Жылуэнергетиканың құрастырушы материалдары. 050717 –   Жылуэнергетика     мамандықтары бакалавриатының  студенттері үшін дәрістер  жинағы.-  Алматы: АЭжБИ, 2007. - 42 б.

         Дәрістер жинағы жылуэнергетика бағытындағы  барлық мамандықтар баклавриатын дайындауға арналған.

 

Кіріспе

Дәрістер жинағында қазіргі техника, технологиялар және энергия жабдықтарын жасаудағы құрастырушы материалдардың атқарушы ролі, маңызы қарастырылған. Негізгі құрастырушы материалдар – металдар болғандықтан, олардың құрылысына, топталуына және кристалдық торларына, кристалдық тордың сипаттамаларына ерекше көңіл бөлінген. Сондай-ақ металдың сұйық күйден қаттыға айналуы, кристалдану механизмі талданған.

         Дәрістерде құрастырушы материалдар, оларға қойылатын талаптар, материалдың механикалық қасиеттері және осы қасиеттерді әртүрлі деформациялар кезінде анықтау әдістері баяндалған. Металдың беріктігі, қаттылығы, соққыға төтеп беруі сияқты қасиеттерін сынаулар нәтижесінде анықтау тәсілдері қарастырылған.

   Сонымен қатар дәрістерде  қорытпалар теориясының негіздері талқыланған. Қорытпалардағы негізгі фазалар, фазалық өзгерістер және жиі қолданылатын қорытпалардың күй диаграммасын тұрғызу әдістері, күй диаграммасының талдануы көрсетілген.

   Конспектінің соңында жылу энергетикасында қолданылатын негізгі

құрастырушы материалдар, темір және оның қорытпалары, болаттар мен шойындарға ерекше көңіл бөлінген.

          1 дәріс. Жылуэнергетиканың құрастырушы материалдары пәні

         Жоспары:  

          − жадығаттанудың  қазіргі техникада, технологияда және  энергия технологияларда   жаңа  материалдар  құрудағы  ролі;

           металтану – жадығаттанудың құрама бөлігі; 

          − құрылымдық металдар және корытпалар, олардың  кұрамымен, физикалық, химиялық,  технологиялық және баска қасиеттерімен  электрондық кұрылысының өзара байланысы туралы ғылым;

            құрастырушы материалдарды топтау.

          Мақсаты: жылуэнергетикалық қондырғылар үшін қажет құрастырушы материалдарды түсіну, білу және таңдауды үйрену.

 1.1 Құрастырушы материалдардың қазіргі техника, технологиялар және энергия жабдықтары үшін жаңа материалдар жасау процесіндегі ролі

  Жылуэнергетиканың құрастырушысы материалдар пәні. Жылуэнергетиканың құрастырушы материалдары пәні – жадығаттардың құрылысы мен қасиеттері, құрамдары арасындағы байланысты зерттейтін қолданбалы ғылым. Маңызды техникалық мәселелер үшін, мысалы машиналар мен аспаптардың массасын азайту, беріктігі мен дәлдігін арттыру, жұмыс қабілетін көтеру үшін жадығаттануды білу қажет. Жылуэнергетиканың құрастырушы материалдары пәні болашақ инженер - жылуэнергетикті әртүрлі құрылымдарға қажет материалдарды таңдауды үйретеді.

 1.2 Металлтану материалтанудың құрама бөлігі

Материалдардың негізгі түрлері металдар. Сондықтан металтануды материалтанудың негізгі құрама бөлігі деп санау қажет. Химияда металдар деп периодтық жүйенің сол жақ бөлігінде орналасқан элементтер тобын айтады. Бұл топтың элементтері, металл емес басқа элементтермен реакцияға түскенде өзінің сыртқы валенттік электрондарын береді. Мұның себебі металдың сыртқы электрондары ядромен нашар байланысқан, сонымен қатар олардың саны көп емес (барлығы 1-2), ал металл еместерде ол электрондар көп (5-8) болады.

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.

          1.3   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.

 1.3.1      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

,                                (1.1)

            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.

1.1а, 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.

1.2 – суреттен дислокациялар көбейгенде алдымен металдың беріктігі кемитіні, содан кейін артатыны көрінеді. Дислокациялар көбейіп бір-біріне орын ауыстыруға кедергі жасайды, сондықтан олар пластикалық  деформацияны қиындатады.

Дислокациялар санын көбейту арқылы металл беріктігін жоғарылату үшін оны термомеханикалық және термиялық өңдеуден өткізеді, сондай-ақ бөлме температурасында салқын деформациядан өткізеді. Оны прокаттау немесе ілестіру арқылы іске асырады. Салқын деформация кезінде металдың беріктігін арттыру наклеп - жапсыру  деп аталады, металдың беріктігі мен қаттылығы артады, ал иілгіштігі кемиді.

               дәріс. Кристаллография элементтері

         Жоспары:

            заттың кристалдық құрылысынынң ерекшеліктері;

          − металдардың кристалдық торларының негізгі түрлері және параметрлері;

          кристалдану және кайтадан кристалдану процестерінің  механізмі;

          құрастырушы материалдарды топтау.

          Мақсаты: заттың кристалдық құрылысымен танысу, кристалдану механизмін түсіну.

 2.1   Заттың кристалдық құрылысының ерекшеліктері. Металдардың кристалдық торларының негізгі түрлері және параметрлері

                Металдар – атомдары геометриялық тұрғыдан қарастырғанда дұрыс тәртіппен орналасқан кристалл денелер. Осыдан металдың атомдары бей-берекет орналасқан аморф денелерден өзгешелігін көреміз. Жазықтықта металл атомдары белгілі тәртіппен орналасқан сүзгіні, ал кеңістікте атомдық кристалдық торды құрайды. Сызбада сызықтар көршілес атомдарды қосып тұр. Шын мәнісінде ешқандай сызықтар жоқ, әрбір атом кристалдық торда өзінің тепе-теңдік нүктелері айналасында тербеліп отырады.

 

 

 2.1 Сурет Кристалдық тордың жазықтықтағы және кеңістіктегі көріністері

 Енді металдардың кристалдық торларының негізгі түрлерін және параметрлерін қарастырайық. Кристалдық тор түрлері әрқилы. Ең көп кездесетіндері: кубтың көлемі бойынша центрленген, кубтың жағы бойынша центрленген, тығыз орналасқан гексагоналдық торлар.

 

 

2.2 Сурет Кристалдық тор түрлері

 Мысалы кубтың көлемі бойынша центрленген кристалдық тор хром – Cr, ванадий - V, вольфрам - W,  Mo – молибденде бар.

Кубтың жағы бойынша центрленген тор никель – Ni, мыс - Cu, алюминий - Al, қорғасын - Pb және басқаларында бар. Тығыз орналасқан гексагоналдық торлар магний – Mg, титан - Ti, цинк - Zn және тағы басқаларында кездеседі. Нақты металдың кристалдық торы көптеген ұяшықтардан тұрады. Кристалдық тордың параметрлерін  ангстреммен өлшейді, 1см.

 

 

2.3 Сурет Кристалдық тор түрлері

 Кубтық тор параметрі ретінде жеке қырының ұзындығы  - алынады, оның мәні 0,028-0,06  аралығында болады. Гексагоналдық тордың параметрі ретінде оның қырларының ұзындығы мен , призманың биіктігі - алынады. Егер - болса, кристалдық торда атомдар неғұрлым тығыз орналасады, сондықтан мұндай торды гексагоналдық тығыз деп атайды. Кристалдық тордың тағы бір параметрі координациялық сан , ол берілген атомнан ең кіші және бірдей аралықта орналасқан басқа атомдар санын көрсетеді. Координациялық сан неғұрлым үлкен болса, соғұрлым торда атомдар тығыз орналасады.

 2.2  Кристалдану және кайтадан кристалдану процестерінің  механизмі

Металл сұйық күйінен қатты күйіне өткенде кристалданады. Кристалдану теориясының негіздерін қалаған орыс ғалымы Д.К. Чернов. Кристалдану процесі екі кезеңнен тұрады: өте майда кристалл дәндерінің (кристалл тұқымдары немесе кристалл орталықтары) қалыптасуы және осы дәндерден кристалдың өсуі (1.4-сурет). Кристалдың өсуін, оның тұқымдарына көптеген жаңа сұйық кристалл атомдарының қосылуымен түсіндіруге болады. Алдымен кристалдар өзінің дұрыс геометриялық пішінін сақтай отырып  еркін өседі, кейіннен басқа дамыған кристалмен кездескенде еркін өсу процесі тоқталады. Екі кристалдың жанасатын қырларында даму процесі тоқталып, басқа қырларында ғана жалғасады. Мұның нәтижесінде кристалдың дұрыс геометриялық пішіні сақталмайды. Кристалдану орталықтары неғұрлым көп кристалдың дәндері соғұрлым майда болады. Кристалдану орталықтарының көп болуы металдың салқындауының жылдамдығына байланысты болады.

  

 

2.4 Сурет Кристалдану процесінің тізбекті кезеңдері 

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. 

          2.3 Құрастырушы материалдарды топтау  

         Жылуэнергетикада құрастырушы материалдардың басым бөлігі металдар.

         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. 

          3 дәріс.  Құрастырушы материалдар және олардың механикалық  қасиеттері

          Жоспары:

          металдың механикалық қасиеттерін үйрену әдістері;

          - металды созу арқылы сынау   және оның кұрылымдық беріктігін бағалау тәсілдері.;

            металдың қаттылығын  анықтау.

          Мақсаты: металдың маңызды механикалық қасиеттерін үйрену. 

1 Металдың механикалық қасиеттерін үйрену әдістері 

          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).         

         3.1.1  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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 3.1 Сурет Созылу диаграммасы:  а — () координаталарындағы шартты диаграмма;  б — кернеулердің шартты диаграммасы және нақты  кернеулер диаграммасы

            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.

 

 3.2 Металдың қаттылығын  анықтау

          Сыртқы дененің енуіне, металдың көрсететін қарсы әсер күшін қаттылық немесе беріктігі деп атайды. Металдың ең негізгі механикалық қасиеттерінің бірі ол қаттылық болып табылады, ал металдың басқа қасиеттері онымен өте тығыз байланыста болады. Демек, металдың қаттылығын біле отырып, оның басқа да механикалық қасиеттерін, металды бүлдірмей оңай анықтауға болады. Металдардың механикалық қасиеттері тәжірибе жүзінде арнайы сынаушы  машиналардың жәрдемімен анықталады

  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.

        Аталған әдістердің әрқайсысының өздерінше кемшілігі және артықшылығы бар, сондықтан ыңғайына  байланысты олардың барлығы да кеңінен қолданылады. Металдар мен қоспалардың қаттылығы жұмсақ немесе орта мөлшерде болғанда, Бринелл әдісі қолданылады. Егер металдардың қаттылығы тым жоғары болса, онда Виккерс әдісі бойынша анықталады. Бұл екі әдіс бір-біріне өте ұқсас және ортақ  кемшілігі: біріншіден шариктің (пирамиданың) орны үлгіде қалып қояды, екіншіден айшықтың ауданын анықтау өте ыңғайсыз  ( формуламен анықтайды).

 Бринелл әдісімен металлдың қатылығын анықтау үшін, оған шынықтырылған болат шарикті (НV= 850) белгілі күшпен батырады, Бринелл машинасы диаметрі 2,5;5;10 мм үш түрлі шарикпен жабдықталған. Металдың қаттылығын Бринелл әдісі бойынша анықтау сұлбасы 2.6 - суретте көрсетілген.

Бринелл әдісі бойынша анықталған қаттылық НВ әріпімен белгіленіп, мына формула бойынша есептеліп шығарылады:

                 ,              (3.7)

   мұнда     Р- үлгіге түсірілген күш, кГс;

 S π·D·h– шариктің үлгідегі таңбасының ауданы, мм2 ;

 D – шариктің диаметрі, мм ; h – айшықтың тереңдігі, мм;

 d – айшықтың диаметрі, мм;

                            .                                       (3.8)     

 

 

            3.2 Сурет   Бринелл әдісі бойынша қаттылықты анықтау сұлбасы

         Металдың қаттылығы мен қалыңдығына байланысты, арнайы кестені қолдана отырып шариктің диаметрін және оған түсірілетін күшті (Р) анықтайды, сонымен қатар күштің шарикке түсу уақыты да кестеде көрсетілген.

        Металдарды жаппай сынау кезінде бұл әдістер қиындау, сондықтан Роквелл әдісі кеңінен қолданылады. Роквелл әдісімен жұмсақ және қатты металдардың қаттылығын, айшықтың ауданын өлшемей- ақ бірден аспаптың шкаласы арқылы анықтайды. Сыналатын металл үлгісінің бетіне төбесіндегі бұрышы 1200 тең, алмаздан жасалған конус немесе диаметрі 1,59 мм шынықтырылған болаттан жасалған шарик, белгілі күшпен батырылады, алдындағы әсер ететін күштің мәні - Р0 (3.3 а – суреті) және соңғы рет әсер ететін күштің мәні- Р1 (3.3 б- сурет).

 Металдың қаттылығы айтылған әдісте бірден Роквелл аспабының индикатор шкаласымен анықталады. Индикаторда үш шкала қатар орналасқан (А,В,С шкаласы). Егер де сыналатын металл өте қатты және морттық қасиеті жоғары болса, онда олардың қаттылығы А шкаласы (қара түсті) қолданылады. С шкаласы (қара түсті) бойынша аса көміртекті болаттар мен қорытпалардың қаттылығын анықтайды. В шкаласы (қызыл түсті ) бойынша  жұмсақ  аз көміртекті болаттар мен қортпалардың қаттылығын анықтайды.

3.3  Сурет

          Виккерс әдісімен қаттылықты анықтағанда, металдың бетіне төрт қырлы алмас пирамида батырылады. Металдың бетінде пайда болған таңбаның қаттылық санын анықтауға болады

                                 ,             (3.9)

мұнда   - пирамидаға түсірілген күш, кгс;

- ретінде күштің әсері тоқтатылғаннан кейін таңбаның екі  диагоналының ұзындықтарын анықтап, олардың жарты қосындысына тең шаманы алады;

 - пирамиданың төбесіндегі екі қарама-қарсы қырларының   арасындағы бұрыш.

      4 дәріс.  Қорытпалар ториясының негіздері

    Жоспары:

    қорытпалар туралы негізгі түсініктер;

    − қатты ертінді. Химиялық қолсылыс;

    механикалық қоспа;

    қорытпадағы негізгі фазалар;

    қорытпаның  структуралық құрамалары;

    − фазалар ережесі;

    қорытпаның  құрылымдық құрамалары.

         Мақсаты: қорытпалар теориясынан қажетті білімдер алу, ережелерді қолдана білу.

  4.1 Қорытпалар туралы негізгі түсініктер

         Бұйымдарды немесе құрастырушы материалдарды көбінесе таза металдан емес қорытпалардан жасайды, себебі оған қажетті көптеген механикалық және технологиялық қасиеттер  таза металдарда жоқ. Таза металдан тек қана мыс электр өткізгіштерін жасау үшін қолданылады. Сонымен техникада қорытпалар жиі қолданылады.

Металл қорытпасы деп екі немесе одан да көп заттан (таза металдардан немесе металл мен металлоидтан) құралған қоспаны айтады. Қорытпаны дайындаудың ең қарапайым тәсілі қоспаны балқыту, бірақ пісіру, электролиз және қаттыдан газға айналдыру тәсілдерін де қолдануға болады. Құрамындағы элементтердің санына байланысты қорытпа екі, үш және одан да көп компонентті болуы мүмкін.

Түрлі металдардың қорытпа түзгіштік қасиеттері әр түрлі. Қорытпалардың, таза металдарға қарағанда, мынадай артықшылықтары бар:

         а) механикалық қаттылығы, серпімділігі, тұтқырлық коэффициенті, беріктік шегі т.б. жоғарылығы;

         б) технологиялық қасиеттерінің (құю, қысым және жылу арқылы өңдеу 

т.б.)  жоғарылығы;

         в) таза металдарда кездеспейтін ерекше қасиеттерінің болуы;

         г) қорытпалардың физика-химиялық қасиеттерін қалауымызша өзгертуге болатындығы.

         Қорытпалар сұйық күйінде біртекті, бір фазалы болады, ал сұйық күйден қатты күйге өткенде олардың фаза саны өзгереді.

         Кейде металдар сұйық күйінде бірі екіншісінде ерімейді. Мысалы, қорғасын мен темір, қорғасын мен мыс т.б. элементтердің қоспалары. Мұндай металдар сұйық күйінде бірі екіншісінде араласпай, меншікті салмағына байланысты қабат түзеді.  Көптеген жағдайда сұйық қорытпадағы элементтер бір-бірінде ериді, яғни бірнеше элементтер атомдары бір-бірімен бір қалыпты араласады. Көптеген металдардың қоспаларының сұйық күйінде бірі екіншісінде ерігіштігі шекті болып келеді. Егер бір металдың қоспадағы концентрациясы сол металдың екінші металдағы ерігіштік шегінен асып кетсе, онда қоспа екі қабатқа (екі бөлікке) бөлінеді. Ерігіштігі шекті металдардың кристалдық торларының параметрлері мен балқу температураларының айырмашылығы әдетте көп болып келеді.

         Құйма қатайған кезде оның құрамындағы компоненттер бір-бірімен әрекеттесіп, екі немесе бірнеше фазадан тұратын қатты қорытпаларды түзеді.

Қатты күйінде қорытпалар  қатты ертінділерді, химиялық қосылыстарды және механикалық қоспаларды құрайды.

 4.1 Сурет Екі түрлі А және В металдарынан құралған әртүрлі қорытпалардың кеңістіктік кристалдық торының қарапайым ұяшығының құрылысы және құрылымы

           4.1.1 Қатты ертінді

           Қатты ерітінді деп  сұйық күйінде бір-бірінде шексіз еритін, ал қатты күйінде не шексіз, не шекті еритін қорытпаларды айтады.

Мұндай қорытпада бір компонент өзінің кристалдық торын сақтап қалады, ал екінші компоненттің атомдары (ерітіндінің) біріншінің кристалдық торында орналасады, сол кезде бірінші тордың өлшемдері (периоды) өзгереді. Бірінші компонент – еріткіш, екіншісі – ерігіш, ал пайда болған қорытпа қатты ертінді деп аталады. Егер қорытпа компонеттерінің кристалдық торлары бір типтес және олар бірі екіншісінде шексіз еритін болса, онда қорытпа құрамында мөлшері 50% - дан артық болатын компонент ерігіш деп аталады. Шексіз қатты ертінді түзілуі үшін компоненттер параметрлерінің арасындағы айырмашылығы 8% - дан аспауы керек. Қорытпадағы металл атомдарының кристалдық торда орналасуына байланысты қатты ертінділер орын басушы, енуші, шегеруші болып үш түрге бөлінеді. Шегеруші қатты ертінділер сирек кездеседі. Орын басушы қатты ертіндіде, ерігіш элементтің атомдары еріткіш элементтің кристалдық торындағы атомдардың орнын басады. Мұндай қатты ертінділер компоненттері  бірі екіншісінде шекті және шексіз еруі мүмкін.

         Енуші қатты ертіндісінде ерігіш элементтің атомдары еріткіш элементтің атомдарының кристалдық торының ішінде орналасады, яғни енеді.

          Егер қорытпа компоненттерінің кристалдық торларының параметрлеріндегі айырмашылық 8%-дан аспаса, компонеттердің бірі екіншісінде шексіз ериді, ондай қатты ертінділер орын басушы болып саналады, ал айырмашылығы 8-15% - компоненттердің бірі екіншісінде шекті ериді, яғни енуші қатты ертінді түзіледі; 15% - дан асып кетсе, қатты ертінді мүлдем түзілмейді.

 

 

 

 

 

4.2  Сурет Қатты ертінділерде атомдардың орналасуы:

а – орын басушы қатты ертінді; б - енуші қатты ертінді; ○ – еріткіш компоненттің атомы, ● – ерігіш компоненттің атомы.

             Екі немесе одан көп компоненттен құралған қатты ерітіндінің бір типті кристалдық торы болады, сондықтан ол бір фазаны құрайды.

             4.1.2  Химиялық қосылыс

            Кристалдық торларының түрлері бір-біріне ұқсамайтын және торларының параметрлерінің айырмашылығы үлкен элементтер химиялық қосылыс түзеді. Бұл қосылыстар компоненттер қатынасы белгілі мөлшерге жеткенде түзіледі. Әдетте, мұндай қосылысты Д.И. Менделеевтің периодтық жүйесінде бір-бірінен алшақ жатқан элементтер немесе кристалдық торлары мен тор параметрлері әр түрлі, бірақ бір-біріне жақын жатқан элементтер түзеді.          

          Химиялық қосылыстың құрамы АnBm формуласымен анықталады. Химиялық қосылыстар орнықты және орнықсыз болады. Орнықты қосылысты балқыту кезінде тұрақты балқу температурасына дейін жеке компоненттерге ыдырамайды. Химиялық қосылыстың кристалдық торы басқа компоненттердікінен өзгеше және компоненттердің атомдары мұндай тордың түйіндерінде белгілі тәртіппен орналасады. Кристалдық торы күрделі болады.

         Химиялық қосылыстың жалпы металл М және металл емес (металлоидтар) Х түзетін болғандықтан келесі формуламен көрсетеді:

а) МХ, оларға WC, TiC, VC, NbC, TiN, VN т.б. жатады;

б) М2Х, оларға W2C, Mo2C, Fe2N, Cr2N т.б. жатады;

     в) М4Х, оларға Fe4N, Mn4N - т.б. жатады.

         Әдетте химиялық қосылыстың физика-химиялық қасиеттері оларды құраушы компоненттердің сондай қасиеттерінен тіпті өзгеше болып келеді (қаттылығы, морттығы, электр кедергісі жоғары болады). Себебі химиялық қосылыс нәтижесінде жаңа күрделі тор түзіледі.

          4.1.3 Механикалық қоспа

           Егер қорытпаны құрайтын элементтер бір-бірінде қатты күйінде ерімесе және бір-бірімен жаңа қосылыс беретін химиялық реакцияға түспесе, онда жеке элеметтің атомдарынан жеке кристалдық тор пайда болады, осы қоспаға кіретін кристалдардан (дәндерден) механикалық қоспа (эвтектика) түзіледі. Механикалық қоспада компоненттер өз кристалдық торларын өзгертпей сақтайды. Механикалық қоспа таза компоненттерден, қатты ертінділерден, химиялық қосылыстардан т.б. тұруы мүмкін. Егер қорытпа компоненттерінің кристалдық торларының параметрлеріндегі айырмашылық 15% - дан асып кетсе, онда мұндай қорытпа қатайғанда механикалық қоспа құрайды.

    4.2 Қорытпадағы негізгі фазалар. Қорытпаның  құрылымдық құрамалары. Фазалар ережесі

           Металдарда және қорытпаларда, олардың түрленуі кезінде өтетін процестерді үйрену үшін, олардың құрылысын сипаттау үшін, жүйе, фаза, компонент түсініктерін енгізеді.

         Жүйе деп  белгілі сыртқы жағдайларда (температура мен қысымда) тепе- теңдікте болатын фазалар жиынтығын айтады.

          Фаза деп  жүйенің басқа бөліктерінен арнайы бет арқылы ажырайтын, жүйенің бір бөлігін айтады. Фаза - химиялық құрамы және кристалдық құрлысы біртекті жүйенің бір бөлігі болып саналады.

         Компоненттер деп жүйені құрайтын заттарды айтады. Компоненттер ретінде таза элементтер (металлдар және металл еместер) немесе орнықты химиялық қосылыстар саналады.

         Фазалық теп-теңдікті сипаттайтын күй диаграммалары қорытпаның соңғы, яғни барлық өзгерістер аяқталғаннан кейінгі күйін көрсетеді. Қорытпаның мұндай күйі сыртқы жағдайларға (P, T-ға) тәуелді және пайда болған фазалардың санымен, концентрациясымен сипатталады.

          Қорытпадағы компоненттер санын  k, фазалар санын f – деп белгілейік.

Фазалар ережесін          формуласы көрсетеді. Мұнда с - жүйенің еркіндік (варианттық) көрсеткіші, егер c0, немесе fk+1; яғни екі компонентті жүйеде () тепе-теңдікте үш фазадан () артық фазалар бола алмайды; ал үш компонентті() жүйеде тепе-теңдікте төрт фаза () ғана бола алады. Ереже фазалар мөлшерін анықтайды. Қорытып айтқанда, тепе-теңдікте болатын фазалар саны әр уақытта компоненттер санынан бірге артық болады.

          Фазалар ережесінің формуласындағы 1 – саны фазалық тепе-теңдікке әсер ететін сыртқы факторлар санын білдіреді. Металдар үшін сыртқы әсер етуші фактор болып температура саналады, себебі тепе-теңдікке тек қана жоғары қысым әсерін тигізеді. Фазалық өзгерістер атмосфералық қысымда өтетін болғасын, қысымның әсері ескерілмейді. Жүйенің еркіндік (варианттық) көрсеткіші деп оның тепе-теңдіктегі фазалар саны өзгермеген жағдайда температурасын, қысымын және концентрациясын өзгерту мүмкіндігін айтады.

          Қос жүйеде, яғни , , ал с=0 – немесе фазалар нонвариантты (варианты жоқ) теп-теңдікте болады. Берілген фазалар санынан тұратын қорытпа белгілі жағдайда ( және барлық фазалардың нақты мөлшері болғанда) ғана өмір сүре алады. Егер с =1- жүйе моновариантты, с=2 – бивариантты деп аталады.

          Фазалардың тепе-теңдік күйіне жүйенің еркіндік энергиясының ең аз мәні сәйкес келеді

                                                                    (4.1)

           мұнда - жүйенің толық энергиясы;

           - энтропиясы.

  5 дәріс.   Екі  компоненттік қорытпа күйінің негізгі                   диаграммалары

          Жоспары:

           екі  компоненттік қорытпа күйінің негізгі диаграммалары;

          оларды құру әдістері; 

          күй диаграмма бойынша фазалардың  санын және құрамын  анықтау;  

           механикалық қоспаның күй диаграммасы;

           қатты ертінділердің күй диаграммасы; 

           шекті қатты ертінділердің күй диаграммасы.        

         Мақсаты: қорытпаның күй диаграммасын талдауды үйрену.

           5.1 Екі  компоненттік қорытпа күйінің негізгі диаграммалары Оларды құру әдістері.  Күй диаграмма бойынша фазалардың  санын және құрамын  анықтау

Екі компоненттен құралған қорытпаны ендігі жерде қос қорытпа деп атауға болады.

  Қос қорытпаларды үйрену, осы жүйенің күй диаграммасын білуден басталады. Күй диаграммасы деп қорытпалардың фазалық және құрылымдық күйін оның компоненттерінің өзара мөлшеріне, температурасына байланысты графикпен бейнелеуді айтады.

        Диаграмманың ординаталар осі температураны, абциссалар осі қорытпаны құраушы компоненттің концентрациясын көрсетеді. Координаттар жүйесінің бас нүктесінде А компонеті 100 % - ды құрайды, ал соңында 0 % -ды құрайды. Керісінше осы кезде В компонентінің мөлшері 100 % болады.

Қорытпа, оның компоненттерінің сұйық күйінде, салқындаған кезде өзара әсерлесуі нәтижесінде алынатын күрделі зат. Қорытпа компоненттері болып, таза элементтер немесе орнықты химиялық қосылыстар саналады.Қос қорытпалардың күй диаграммасын тұрғызу үшін 5.1 - суретте көрсетілген координаттық жүйе қолданылады.

 

 


5.1  Сурет 

 Күй диаграммасында, тек қана кристалдану процесінің басталуын немесе балқудың аяқталуын көрсететін нүктелер көрсетіледі, олар сонымен қатар фазалық түрленулердің басталуын немесе аяқталуын анықтайды. Кристалдану процесінің басталуын көрсететін нүктелерді қосатын сызықты ликвидус деп атайды. 5.2 – суретте ол – АСВ сызығы. Кристалдану процесінің аяқталуын көрсететін нүктелерді қосатын сызықты – солидус деп атайды. 3.4 – суретте ол – ДСЕ сызығы.  Ликвидус сызығынан жоғары орналасқан қорытпаның агрегаттық күйі – сұйық, солидус сызығынан төмен қорытпаның күйі – қатты болып саналады. Ликвидус және солидус сызықтарының аралығында орналасқан қорытпалар екі фазадан тұрады. Енді сұйық қорытпаны - , қорытпаның бірінші компонентінің кристалдарын А, екінші компонентінің кристалдарын – В деп белгілейік.         

        5.2  Механикалық қоспаның күй диаграммасы 

        Суретте механикалық қоспаның күй диаграммасы көрсетілген. Диаграммада I – ші эвтектикаға дейінгі, II - эвтектикалық, тез балқушы, III- эвтектикадан кейінгі қорытпалар көрсетілген. I – ші эвтектикаға дейінгі қорытпаның салқындауын үш түрлі температуралар аралығында қарастыралық:

         ; ; .        - болса қорытпа әр уақытта сұйық болады.

        А компоненті мен В компонентінің кристалдары сұйық қорытпада шексіз араласып, қорытпа біртекті күйде болады және бір ғана сұйық фазадан тұрады.

        I – ші қорытпа температуралары аралығында салқындағанда, сұйық фазадан А компонентінің алғашқы кристалдары түзіледі. Мұндай кристалдану процесі  - температураға дейін немесе сұйық фазада эвтектикалық құрамына сәйкес В компонентінің кристалдары пайда болғанша жалғаса береді. - температурадан төменгі температураларда I – ші қорытпа толығымен қатайып,  аралығында бөлме температурасына дейін суыйды. Бұл аралықта жүйе екі қатты фазадан ( А және В кристалдарынан) тұрады.

5.2 Сурет Компоненттері қатты күйінде бір-бірінде ерімейтін және механикалық қоспа құрайтын қорытпалардың күй диаграммасы және салқындау қисықтары.   

5.2 – суреттің оң жағында  I, II, III – ші қорытпалардың салқындау қисықтары көрсетілген. Салқындау қисығы қорытпада болатын фазалық өзгерістер температурасының уақытқа тәуелділігін көрсетеді.

I- ші қорытпада болатын фазалық өзгерістерді фазалар ережесі арқылы түсіндіруге болады. 1- нүктесінен жоғары,  - болған жағдайда фазалар саны бірге тең (жүйе тек қана сұйық фазада болады), компоненттер саны әрқашан екіге тең, сондықтан ереже бойынша , c=2 – жүйенің еркіндік көрсеткіші екіге тең, яғни жүйе бивариантты болады. , I- ші қорытпаның қатаюының бастапқы температурасын көрсетеді.

          1 мен 2 нүктелері аралығында, 1 мен 2 нүктелері аралығында,  - болған жағдайда фазалар саны екіге тең (сұйық фазадан А- компонентінің алғашқы кристалдары бөлінеді), компоненттер саны әрқашан екіге тең, сондықтан ереже бойынша , c=1 – жүйенің еркіндік көрсеткіші бірге тең, яғни жүйе моновариантты болады.

          Салқындау қисығының 2-2 бөлігіне фазалар ережесі қолданылмайды, себебі бұл уақыт аралығында кристалдану процесі аяқталады және қорытпада эвтектиканың кристалдары пайда болады. - осы қорытпаның қатаюының соңғы температурасы.

          2 мен 3 нүктелері аралығында, яғни  - болған  жағдайда фазалар саны екіге тең (А- компонентінің кристалдары мен эвтектиканың кристалдары), компоненттер саны әрқашан екіге тең, сондықтан ереже бойынша ,

c=1 – жүйенің еркіндік көрсеткіші бірге тең, яғни жүйе моновариантты болады.

 - температуралары аралығында I- ші қорытпа тек қана қатты күйде болады немесе оны қатты қорытпаның бөлме температурасына дейін суынуы деп те атауға болады. I- ші қорытпа эвтектикалыққа дейінгі деп аталады.

        Эвтектикалық болып II- ші қорытпа саналады. Себебі бұл қорытпа үшін

- температурасында кристалдану басталады және аяқталады. Яғни қорытпаның қатаю (балқу) температурасы өте төмен және тұрақты, сондықтан мұндай қорытпаны жеңіл қатаюшы (балқушы) деп санайды.

           III- ші қорытпа эвтектикалықтан кейінгі  саналады. Мұнда болатын фазалық өзгерістер I- ші қорытпада болған өзгерістерге ұқсас. 

5.3  Қатты ертінділердің күй диаграммасы 

          Қатты ертінділердің күй диаграммасы II типті күй диаграммасына жатады. Шексіз қатты ертінді құрайтын жүйелер: Cu-Ni, Co-Ni, Fe-Ni, Fe-Cr,

Co-Cr. Жүйенің құраушылары жоғарыда атап өтілгендей бірі екіншісінде сұйық және қатты күйде шексіз ериді. А компонентінде еріген В компонентінің қатты ертіндісін α –ертінді, В компонентінде еріген А компонентінің қатты ертіндісін β – ертінді деп атайды. Компоненттер бір-бірінде сұйық күйінде де, қатты күйінде де шексіз еруі үшін олардың кристалдық торлары ұқсас және атомдарының диаметрлерінің өлшемі бойынша бір-біріне жуық болуы керек.

 

 

3.5     Сурет 

Шексіз қатты ертіндінің күй диаграммасы қарапайым, екі сызық ликвидус  - кесіндісі және солидустан тұрады. Құрамы ға тең қорытпаның кристалдануын қарастырайық (3.6- шы сурет). Сұйық ертінді  - температурада кристалдана бастайды. Пайда болған кристалдардың құрамы ға тең деп болжауға болар еді. Бірақ құрамы ға тең сұйық ертіндіден В компонентіне бай нашар балқитын кристалдар бөлінеді. - температураға дейін суынғанда құрамы  және А компонентіне бай сұйық ертінді, құрамы -ға тең В компонентіне бай қатты ертіндінің кристалдарымен тепе-теңдікте болады. Немесе - температурада қатты және сұйық фаза тепе-теңдікте болады. Қорытпа - температураға дейін   өте баяу суынғанда А компоненті сұйық  процесі аяқталғанда  құрамы ға тең α – қатты ертінді  түзіледі. Күй диаграммасының жанында құрамы ға тең I- қорытпаның салқындау қисығы көрсетілген. Салқындау қисығының 0-1 температуралар аралығында қорытпа сұйық фаза – L күйінде болады, 1-2 температуралар аралығында қорытпада сұйық фаза L және α –қатты ертінді кристалдары бірге болады, ал 2-3 аралығында тек қана шексіз қатты ертіндіден тұратын болады. 

         6 дәріс. Екі компоненттік қорытпа күйінің негізгі диаграммалары  (жалғасы)

         Жоспары:

          −    шекті қатты ертінділердің күй диаграммасы;

          қатты күйінде компоненттері бір-бірінде шекті еритін және перитектика құрайтын қорытпалардың күй диаграммасы;

          компоненттері химиялық қосылыс беретін қорытпалардың күй диаграммасы.

         Мақсаты: қатты күйінде шекті ертінді және химиялық қосылыс беретін қорытпалардың күй диаграммасын түсіну. 

6.1  Шекті қатты ертінділердің күй диаграммасы 

          Шекті қатты ертінділердің күй диаграммасы фазалық өзгерістерге байланысты эвтектикалық және перитектикалық болып екіге бөлінеді.

          Қатты күйінде компоненттері бір-бірінде шекті еритін және эвтектикалық қорытпа түзетін III- текті күй диаграммасын  3.7- суретте көрсетілген.

          Диаграмманың - сызығы ликвидус,  - сызығы солидус, - сызығы В- компонентінің А компонентінде шекті еруін көрсететін сызығы, - керісінше сызығы А- ның В- компонентінде шекті еруін көрсететін сызығы. Қатты күйде В компонентінде еріген А компонентінің ертіндісін - ертінді деп атайды.

 

6.1 Сурет Қатты күйінде бір-бірінде шекті еритін және эвтектика құрайтын қорытпалардың III- текті күй диаграммасы 

Диаграмманың - аймағында А- компонентінде В-ның шекті еруі нәтижесінде тек қана қатты күйде болатын - ертінді түзіледі. - сызығы температура төмендеген сайын еритін компоненттің тепе-теңдік мөлшері де азаятынын, яғни А – да В-ның шекті еруі айнымалы мөлшерде болатынын көрсетеді.

          Керісінше В - компонентінде А - ның шекті еруі тұрақты мөлшерде болады, сондықтан -сызығы  ординаталар осіне вертикал орналасқан.

          Құрамы ,  I- ші қорытпада температура төмендегенде болатын өзгерістерді қарастырайық. 1- нүктесіне сәйкес температурада осы қорытпаның сұйық фазасынан α –қатты ертінді кристалдары бөліне бастайды. Кристалдану процесі 2- ші нүктеге сәйкес - температурада аяқталады. 2 мен 3 нүктелеріне сәйкес температуралар аралығында қорытпа таза қатты α – ертінді кристалдарынан тұрады. 3 нүктесінен төмен температураларда α –  ертіндінің концентрациясы азаяды, енді В – компонентінің барлық мөлшері осы ертіндіде қала алмайды, сондықтан ол ертіндіден жеке ВII - кристалдары түрінде шығады. Сұйық В – компонентінде еріген А компонентінің кристалдарын β – деп белгілесе, қатты α- фазадан туылған β – кристалдарын βII – деп белгілейді.  I- ші қорытпаның микроқұрылымы 6.2 - ші а суретте бейнеленген. Ол α –қатты ертінді кристалдарынан және олардың ішіне енген (қара нүкте) βII – кристалдарынан тұрады.

          I- ші, II- ші қорытпалар қорытпа эвтектикалыққа дейінгі деп аталады. II- ші қорытпаның соңғы кристалдық құрылысы 3.8 - б суретінде көрсетілген.  

 

 

6.2 Сурет 

         Микроқұрылымы  - температурадан төменгі температураларда α – қатты кристалдарынан және эвтектика  - кристалдарынан тұрады. Ал III- ші қорытпаны эвтектикалық немесе жеңіл балқитын болып саналады. Себебі солидустағы С нүктесіне сәйкес температурада қорытпа кристалданғанда екі түрлі кристалл бір уақытта пайда болады. Олар құрамы Е нүктесімен анықталатын α – қатты ертінді кристалдары және құрамы F – нүктесімен анықталатын β – кристалдары. Осының нәтижесінде екі қатты фазадан тұратын және эвтектика деп аталатын қоспа пайда болады. Эвтектикалық реакция келесі түрде жазылады

                                                           .                              (6.1)

           - эвтектикасы түзілетін эвтектикалық реакция тұрақты температурада, изотермиялық жағдайда және ракцияға түсетін фазалардың тұрақты мөлшерінде жүреді, себебі екі компонентті жүйеде тепе-теңдікте ең көп болса үш қана фаза бола алады. Жүйенің еркіндік көрсеткіші бұл жағдайда нөльге тең болады

                                       .                            (6.2)

          6.2 в – суретінде пластиналық эвтектика көрінісі бейнеленген.  және - кристалдары пластина түрінде бір-бірімен бірыңғай  араласып, колониялар түзеді.

         Енді эвтектикалықтан кейінгі IV – ші қорытпаның кристалдануын бақылайық.  6-7 нүктелеріне сәйкес температуралар аралығында кристалдану, В – компонентіне бай β – кристалдарының пайда болуы арқылы жүреді. Сондықтан сұйық ертіндіде осы компонент азайып қалады. Сұйық ертіндіден туылған β – кристалдарының концентрациясы  61 –нүктесінен F- нүктесіне өзгереді. Қатты фаза β – ның мөлшері С7 – кесіндісінің ұзындығымен анықталады, ал сұйық фазаның мөлшерін    7F- кесіндісі анықтайды.

          7- нүктесіне сәйкес температураға дейін қорытпа салқындаған кезде оның фазалық құрамы () – тұрады.  

6.3 Қатты күйінде компоненттері бір-бірінде шекті еритін және перитектика құрайтын қорытпалардың күй диаграммасы 

          6.3 – суретте осындай қорытпалардың күй диаграммасы көрсетілген.

          Мұнда - ликвидус, - солидус сызығы. В- компоненті - дан кіші, - үлкен болатын қорытпаларда кристалдану процесі жеке таза α және β – қатты ертінді кристалдарын береді.

          ІІ – қорытпа перитектикалық деп аталады. Сұйық фазадан алдымен β – кристалдары бөлінгеннен кейін температурасы - мәніне жеткенде қорытпа перитектикалық өзгерістерге ұшырайды. Оның нәтижесінде - нүктесіндегі сұйық фаза және - нүктесіндегі қатты β- фаза бір-бірімен әсерлесіп жаңа қатты фаза - түзеді

  .           (6.3)

            Жаңа - фазасы пайда болу үшін қажетті           және  -фазаларының мөлшері  - кесінділер ережесімен анықталады. Сонымен перитектикалық айналымдар нәтижесінде сұйық ертінді қатты фазамен әсерлесіп жаңа қатты фаза туғызады.

Перитектикалыққа дейінгі және кейінгі қорытпаларда перитектикалық реакциялар басталатын температурада сұйық фазаның немесе  -фазаның

мөлшері артық болады. Сондықтан перитектикалықтан кейінгі қорытпаларда (ІІІ –ші) перитектикалық реакция нәтижесінде жаңа қатты - фазасы мен артық қалған - фазасы пайда болады

  .        (6.4) 

          Перитектикалыққа дейінгі және кейінгі қорытпаларда перитектикалық реакциялар басталатын температурада сұйық фазаның немесе  -фазаның

мөлшері артық болады. Сондықтан перитектикалықтан кейінгі қорытпаларда (ІІІ –ші) перитектикалық реакция нәтижесінде жаңа қатты - фазасы мен артық қалған - фазасы пайда болады

         (6.5)

          Пери деген грек тілінен айнала деген ұғымды береді. Сұйық ертіндіден алдымен пайда болған - фаза ны кейін пайда болған фаза  айнала қоршап тұрады.  Осыны 6.4 – суреттегі перитектикалықтан кейінгі қорытпаның микроқұрылымынан көруге болады. 

6.3  Сурет                                                          6.4  Сурет

            6.4  Компоненттері химиялық қосылыс беретін қорытпалардың күй диаграммасы (ІV – типті)

            Әсерлескенде орнықты химиялық қосылыс беретін және осы қосылыс та, жеке компоненттер де бір-бірімен қатты ертінді құрамайтын жағдайды қарастырайық. Жүйенің компоненттері А және В болсын.

Химиялық қосылысты  - деп белгілейді.Мұның өзі қосылыстағы А – компонентінің - атомына В компонентінің - атомы сәйкес келетінін көрсетеді. Химиялық қосылыстың құрамы тұрақты болады, қорытпаны қыздырғанда немесе керісінше суытқанда өзгермейді.

Жүйеде мүмкін болатын ең көп фазалар саны – төртеу. Оның үшеуі бір уақытта қатар өмір сүруі мүмкін. Мысалы: - сұйық фаза, - компонентінің қатты кристалдары, - химиялық қосылыстың қатты кристалдары, немесе - сұйық фаза, - компонентінің қатты кристалдары, - химиялық қосылыстың қатты кристалдары


 

 

 

 

 

 

 

 6.5 Сурет Орнықты химиялық қосылыс беретін қорытпаның күй диаграммасы, - типті

            Суреттен химиялық қосылыс беретін қорытпаның тұрақты температурада балқитыны көрінеді (диаграммада С нүктесі, осы нүктеде жүйе бір компоненттен тұрады). Ол фазалар ережесімен түсіндіріледі

                                        .

          Жүйенің еркіндік көрсеткіші нолге тең болса, фазалық өзгерістер тұрақты температурада орын алады деген сөз. Диаграммада екі эвтектикалық нүкте бар: және . Ол нүктелерде келесі эвтектикалық реакциялар орындалады:

, .

          Солидустан төмен және - нүктесінен сол жақта орналасқан аймақта екі қатты фаза болады: А – ның қатты кристалдары және эвтектика      () – қатты кристалдары. Ал солидустан төмен - нүктесінен оң жақта орналасқан аймақта да екі қатты фаза болады: эвтектика () және  химиялық қосылыстың қатты кристалдары.

          Солидустан төмен және - нүктесінен сол жақта орналасқан аймақта екі қатты фаза болады:      – химиялық қосылыстың қатты кристалдары және эвтектика ().   Ал солидустан төмен - нүктесінен оң жақта орналасқан аймақта да екі қатты фаза болады: эвтектика () және В – компонентінің  қатты кристалдары .

          Қарастырылған диаграмма механикалық қоспа беретін екі жеке күй диаграммаларының қосындысына ұқсайды. С нүктесінен сол жақта орналасқан қорытпаларда, химиялық қосылысқа кіретін мөлшерінен  А – компонентінің мөлшері басым болады. Сондықтан бұл аймақта  + - механикалық қоспасы түзіледі. Ал С нүктесінен оң жағында орналасқан қорытпаларда қатты күйінде - механикалық қоспасы түзіледі.

          7 дәріс.  Темір көміртекті қорытпалардың күй диаграммалары

         Жоспары:

-     темір және оның көміртегімен қосылыстары;

-     көміртекті темір қорытпаларының структуралық құраушылары;

-     темір-цементит күй диаграммасы;

-     темір негізіндегі қорытпалардың негізгі фазалары.

         Мақсаты: темірдің көміртегімен қосылыстарын білу, негізгі фазаларын анықтау.

        7.1 Темір және оның көміртегімен қосылыстары

       Көміртекті темір қорытпаларына болаттар мен шойындар жатады. Болат пен шойынның құрылысы және қасиеттері осы қорытпаға кіретін негізгі элементтер - темір және - көміртегіне тәуелді.

       Темір.  Темір екі түрлі аллотропиялық пішінде және  түрінде бола алады. Ол үшін темірдің салқындау қисығын қарастырайық.

Жоғары температурадағы (15390С)          - темірді - темір деп атайды. Оның кристалдық торы – көлемі бойынша центрленген куб. Температура 13920С- дан 9110С-ға дейін төмендегенде темір өзінің кристалдық торының құрылысын өзгертіп жағы бойынша центрленген кристалдық торды қабылдайды. Мұны темірдің полиморфтық қасиеті деп санайды. С9110С температуралар аралығында және одан төмен температураларда темірдің кристалдық торы тағы да көлемі бойынша центрленген куб тәрізді болады.

 

 

7.1 Сурет Темірдің салқындау қисығы      

        Темірдің келесі механикалық қасиеттері бар.

        7.1 Кесте         

Механикалық қасиеттері

Техникалық темір

Темір

Созылудағы беріктік шегі, кгс/мм2

25

 20

Аққыштық шегі, кгс/мм2

          12

 10

Ұзаруы, %

          50

 60

Тарылуы, %

          85

 90

Қаттылығы, HB

          80

 70

               Темір көптеген элементтермен ертінді құрайды: металдармен орын басушы ертінділер, ал азотпен және көміртегімен енуші қатты ертінді құрайды. Әсіресе темірде көміртегі ертінділерінің пайда болуы техникалық тұрғыдан маңызды. Көміртектің темірде еруі, темірдің қандай кристалдық торы бар екендігіне тәуелді. - темірде көміртегі аз ериді, бар жоғы 0,02%- дан төмен. Ал - темірде көміртегі 100 есе көп ериді және ертінді 2%- ды  құрайды.

          7.2 Көміртекті темір қорытпаларының құрылымдық құраушылары

           Техникада көміртекті темір қорытпалары болат пен шойын түрінде, құрастырушы материал ретінде жиі қолданылады.

         Көміртекті темір қорытпалары құрамындағы көміртегінің мөлшері мен температураға байланысты әр түрлі құраушылардан тұрады, бұл  4.2 – ші суретте көрсетілген.

         Ф е р р и т – көміртегінің альфа темірдегі (α - Fе) қатты ерітіндісі. 723о С температурада көміртегінің α – Fе-дегі ерігіштігі 0,02%, ал температура төмендеген сайын көміртегінің ерігіштігі кеміп, қалыпты температурада 0,006%-ға жетеді. Олай болса, феррит – таза темір, торы көлемге центрленген куб, құрылымына келсек, ол темірдің ақшыл түйіршіктерінен тұрады, 1041о К (768о С) температураға дейін магниттік қасиетін сақтайды. Механикалық  қасиеттері мынадай: созғандағы беріктік шегі 294 мн/м2в=30 кГ/мм2), салыстырмалы ұзару коэффициенті δ=50%, қаттылығы Нв=7,84 мн/м2 (80 кГ/мм2). Ферриттің құрамында Si, Mn элементтері болса, онда ол оны нығайта түседі.

Ц е м е н т и т  (Fe3C) – құрамында 6,67% көміртегі бар, күрделі торлы темірдің көміртегімен қосындысы. Ол – металдық жарқылы бар, электр, жылу өткізгіштік, қаттылық (НВ=7,84 гн/м2 (800 кГ/мм2) қасиеттері жоғары морт қорытпа.  210оС температурада цементиттің магниттік қасиеті жойылады, өте морт болғандықтан, оның беріктігін анықтауға болмайды. Микроскоппен қарағанда цементит тор тәрізді немесе түрлі формада орналасқан ақ пластинкалар түрінде болып келеді.

А у с т е н и т – көміртегінің гамма түріндегі (γ - Fе) қатты ерітіндісі. Аустениттегі көміртегінің 1130оС-та ерігіштігі 2%, ал 723о-та ерігіштігі 0,83%. 723о-тан төмен температурада көміртекті темір қорытпаларында аустенит перлитке айналады. Аустениттің бринель бойынша қаттылығы 666-1,76 гн/м2 (160-200 кГ/мм2) магниттік қасиеті жоқ, пластикалық қасиеті жоғары. Аустенитті қалыпты температурада көміртекті темір қоспаларына марганец, никель сияқты легірлеуші элементтерді қосу арқылы алуға болады. Өйткені бұл элементтер γ облысын кеңейтіп, аустениттің перлитке айналу температурасын көп төмендетеді.

П е р л и т – құрамында 0,83% көміртегі бар, феррит пен цементиттің эвтректоидтық қоспасы. Микроскоппен қарағанда ол меруерт сияқты құлпырып көрінетіндіктен, бұл қоспаға перлит-меруерт деген ат қойылған. Микроқұрылымы ферритті негізге орналасқан дисперсиялы цементит пластинкалардан немесе цементит түйіршіктерінен тұрады. Бринель бойынша қаттылығы НВ=176,4 мн/м2 (180 кГ/мм2), беріктік шегі σ=784 кн/м2 (80 кГ/мм2) салыстырмалы ұзару коэффициенті 15%.

Л е д е б у р и т – құрамында 4,3%- ды көміртегі бар цементит пен аустениттің эвтектикалық қоспасы. Ледебурит 1130оС-та көміртекті темір қорытпасында көміртегінің концентрациясы 4,3% - ға жеткенде түзіледі. Ледебурит микроструктурасынан цементиттің ішінде дөңгелектеніп келген перлит түйіршіктерін көруге болады. Ледебурит ақ шойындар құрылымында кездеседі, ол морт және қаттылығы жоғары – 6,86 гн/м2 (700 кГ/мм2)  болып келеді.

Графит түрлі формада кездесетін көміртегінің бір түрі. 

7.3 Темір-цементит күй диаграммасы 

Диаграмма құрамында 6,7%-ға (7.2-сурет) дейін көміртегі бар көміртекті темір қорытпаларының қасиеттерін сипаттайды. Құрамында 6,7%-дан 100%-ға дейін көміртегі бар көміртекті темір қорытпаларының практикада маңызы жоқ. Диаграмманың абсцисса осіне 0%-дан 6,67%-ға дейінгі көміртегі (С) немесе 0%-дан 100%-ға дейінгі цементит, ал ордината осіне температура салынады. Практикада Fe-C диаграммасына қарағанда Fe-Fe3C диаграммасының маңызы зор болғандықтан, екінші диаграмманы қарастырамыз. Ол үшін мынадай шартты белгілер енгізейік: А – аустенит, Ц – цементит, ЦІ – бірінші реттік цементит, ЦІІ – екінші реттік цементит, Л – ледебурит, Ф – феррит, П – перлит, δ – қатты ерітінді.

Көміртекті темір қорытпаларының диаграммасы бір-бірінен белгілі шамаға ығысқан екі диаграммадан тұрады. Fe – Fe3C диаграммасы үздіксіз жуан сызықпен, ал Fe – С диаграммасы пунктир сызықпен кескінделген.

Көміртекті темір қорытпалары тез суығанда, қоспадан көміртегі химиялық қосылыс – цементит (Fe3C) түрінде, ал баяу суығанда, графит (С) түрінде бөлінеді. Түзілген цементит тұрақсыз қосылыс, ал графит тұрақты қосылыс болып табылады. Көміртекті темір қорытпалары баяу суығанда цементиттен графит мына реакция бойынша түзіледі

Fe3C→3Fe+C.

Диаграмманың АВСD сызығы (ликвидус) -  қорытпалардың бастапқы кристалдану температураларына сәйкес нүктелердің геометриялық орны. Осы бойынша көміртекті темір қорытпалардың кристалдану процесі басталады. Ликвидус сызығынан жоғары жатқан кез келген нүкте көміртекті темір қоспалардың сұйық күйін анықтайды. 1539оС температурада АВ сызығы бойынша (құрамында 0,10% С бар көміртегінің δ – Fe-дегі қатты ерітіндісі) кристалдар түзеді.

 

7.2 Сурет Fe- Fe 3 C жүйесінің күй диаграммасы

 1492оС температурада δ – Fe  кристалдары сұйық ерітіндімен әрекеттесіп, одан перитектикалық реакция бойынша құрамында 0,15% С бар γ– Fe  (аустенит) түзіледі.

Қорытпадағы көміртегінің мөлшері 0,5%-дан көп болса, ВС сызығы бойынша қорытпадан аустенит (көміртегінің γ – Fe ең жоғары ерітіндісі 2%), ал CD сызығы бойынша бірінші реттік цементит (ЦІ) бөлінеді.

С нүктесінде 1130оС температурада көміртегінің  концентрациясы 4,3%-ға жеткенде қорытпадан аустенит, бірінші реттік цементит кристалдары бөлініп, ледебурит эвтектикалық қорытпасы түзіледі. AHJECF сызығы (солидус) – барлық көміртекті қорытпалардың кристалдану температураларының соңғы мәніне сәйкес нүктелердің геометриялық орны. Бұл сызық төменгі диаграмма нүктелеріне сәйкес қорытпалардың қатты күйін анықтайды. Солидус сызығынан төменгі аймақтарда көміртекті темір қорытпаларының бірінші реттік кристалдану процестері аяқталып, олардың екінші және үшінші реттік кристалдану процестерінің нәтижесінде мынадай құраушылар түзіледі:

1. 2%<С<4,3% эвтектикаға дейінгі шойындар, құрылымы: А+ЦІІ+Л(А+ЦІ).

2. С=4,3% эвтектикалық шойын, құрылымы: Л- ледебурит.

3. 4,3%<С<6,67% эвтектикадан кейінгі шойындар. Құрылымдық құрамы: ЦІ+Л(А+ЦІ).

Қорытпа құрылымының қату температурасынан кейін өзгеруін оның екінші рет кристалдануы дейді.

Кез келген концентрациялы болаттар бірінші рет кристалданғаннан кейін құрылымы аустенитті болады. Болаттын екінші рет кристалдануы GSE сызықтары бойынша жүреді. GS сызығы бойынша аустениттен феррит, ал SE сызығы бойынша екінші реттік цементит бөлінеді. GS  сызығына сәйкес нүктелерді А3 әрпімен, ал SE сызығына сәйкес нүктелерді Аст әрпімен белгілейді. S нүктесі 996оК (723оС) температурадағы аустенитке сәйкес болады. S нүктесінде қорытпадағы көміртегінің концентрациясы 0,83%- ке жеткенде аустенит феррит пен екінші реттік цементитке ыдырап, эвтектоидтық қорытпа – перлит – түзіледі. Перлиттің түзілу температурасын анықтайтын температураға сәйкес нүктелердің геометриялық орны диаграммада PSK түзуі болып табылады. PSK түзуіне сәйкес температураны А1 әрпімен белгілейді. Р нүктесі көміртегінің α – Fе-дегі максимум ерігіштігін (0,028%) анықтайды. GP, PQ сызықтары көміртегінің α – Fе-дегі ерігіштігінің температураға байланыстылығын көрсетеді GPQ сызықтарының сол жағына орналасқан барлық нүктелер ферриттің күйін анықтайды. PSK сызығынан төмен орналасқан диаграмма нүктелері мынадай болаттардың түрін анықтайды:

1. 0,08%<С<0,83% эвтектоидқа дейінгі болаттар,құрылымы: Ф+Л(Ф+Ц).

2. С=0,85% эвтектоидты болат, құрылымы: П(Ф+Ц).

3. 0,83%<С<2,0% эвтектоидтан кейінгі болаттар. Құрылымы: П+ЦІІ МО сызығы бойынша α – Fе-дің магниттік қасиеті 768оС-тан кейін пайда болады. Көміртекті темір қорытпаларында магниттік өзгеріс тудыратын температураны (768оС) Кюри нүктесі деп атайды. МО сызығына сәйкес температура А2 әрпімен белгіленеді. Жоғарыда айтылған көміртекті темір қорытпаларының өзгерістері (магниттік өзгерістен басқа) гистерезис құбылысымен байланысты, яғни көміртекті темір қорытпаларын қыздырған кездегі кризистік температуралары олардың суыған кезіндегі кризистік температураларынан  жоғары болады. Сондықтан қорытпалардың кризистік температурасын анықтайтын А әрпіне «с» (қорытпалар қыздырылса) және «r» (қорытпалар салқындатылса) индекстерін қояды (Ас және Аr).

  8 Дәріс. Көміртекті болаттар мен шойындар

          Жоспары:

          көміртекті болаттар;

          болаттың құрамындағы қоспалардың оның қасиеттеріне тигізетін ықпалы;

          болаттардың технологиялық қасиеттері;

            болатты легірлеу негіздері;

          −  болаттарды топтау және маркалау;

          −  шойындар;

           графиттеу процестері;

            шойынның структурасы және қасиеттері;

            қоспалардың ықпалы.

            Сұр, өте берік және құйма   шойындар.

          Мақсаты: болаттар мен шойындардың технологиялық қасиеттерін білу.

 8.1 Көміртекті болаттар. Болаттың құрамындағы қоспалардың оның қасиеттеріне тигізетін ықпалы

 Көміртекті болаттар қорыту технологиясына байланысты қайнау (КП) және тыныш (СП) қорыту болаттары болып екіге бөлінеді. Қайнау, тыныш қорыту болаттарының тұрақты қоспаларының кремний, марганец, күкірт, фосфор, оттегі элементтері болып табылады. Түріне қарай  болаттың құрамында қоспа элементтер мынадай мөлшерде кездеседі: кремний 0,16-0,5%, марганец 0,3-0,8%, фосфор 0,05%, күкірт 0,05%, оттегі 0,05-0,05%. Сутегі мен азот проценттің мыңнан бір бөлігіндей мөлшерде кездескендіктен, олардың мөлшері ерекше жағдайларда ғана көрсетіледі. Егер қоспа элементтердің мөлшері болаттың құрамында әдеттегіден жоғары мөлшерде кездессе, онда оларды легірлеуші элементтер немесе легірлеуші құраушылар деп атайды. Қоспа элементтер болаттың қасиетіне түрліше әсер етеді.

Көміртегі – болаттың физика-химиялық қасиеттеріне қатты әсерін тигізетін элемент. Болаттың құрамындағы көміртегінің мөлшері артқан сайын болаттың қаттылығы, беріктігі артып, пластикалық қасиеттері нашарлай түседі. Көміртегі мөлшері 1-1,2%-дан артқанда, болаттың морттық қасиеті артып, оңай сынатын болады.

Кремний болаттың құрамында ферритпен ерітінді немесе металл емес қоспа түрінде кездеседі. Ферритте еріген кремний болатты нығайтып, оның серпімділік қасиетін арттырады.

Марганец, кремний элементі сияқты, болаттың құрамында ферритте еріген немесе марганец карбиді (Mn3C) түрінде кездесіп SiS-ке қарағанда зиянды әсері кем MnS-тің  түзілуіне мүмкіндік туғызады. Марганец элементінің мөлшері мол болған сайын болаттың үйкеліске беріктігі артады.

Күкірт болаттың құрамына руда, шойын, металл, сынықтары, пеш газымен бірге еніп, оның жоғары температурада сынғыштық қасиетін (красноломкость) арттырады және темірмен әрекеттесіп, балқу температурасы төмен, металл түйіршіктерінің шекарасы бойымен орналасатын (Fe-FeS) түзеді.

Фосфор, кұкірт сияқты, болатқа руда, шойын, металл сынықтарымен бірге еніп, қалыпты температурада оның сынғыштық қасиетін арттырады. Оттегі  жоғары температурада болаттың сынғыштық қасиетін арттырады және ол темірмен өте қатты қосылыс (оксид) түзетіндіктен, болатты жону арқылы өңдеуді қиындатады.

 8.2 Болаттарды топтау және маркалау

  Көміртекті болаттар мынадай түрлерге бөлінеді:

          а) жалпы мұқтаждық болаттар құрылыс конструкцияларын, машина бөлшектері мен аспап, құрал-сайман (жұмыс жабдықтары) жасау үшін қолданылады. Жалпы мұқтаждық болаттар механикалық қасиеті мен химиялық құрамына байланысты кәдімгі сапалы және жоғары сапалы болып екіге бөлінеді;

          б) кәдімгі сапалы болаттардың өзі механикалық қасиеті мен химиялық құрамына қарай үш топқа бөлінеді. І топ – А тобы, ІІ топ – Б тобы, ІІІ топ – В тобы.

         І топқа (А тобы) жататын болаттардың механикалық қасиеттері кепілденеді. Бұл топқа жататын болаттардың мынадай түрлері бар: Сталь О (Болат О), Сталь 1 (Болат 1), ... , Сталь 7 (Болат 7). Бұл болаттарды мартен пештерінде және бессемер пештерінде қорыту арқылы (ПСталь О, ПСталь 2) алады.

         ІІ топқа (Б тобы) жататын болаттың химиялық құрамы кепілденеді. Бұл топқа жататын болаттар құрамындағы көміртегінің мөлшері мен қорыту әдісіне қарай маркаланады. Мысалы, МО9кл, И12КПМ18 маркалы болаттар – мартен болаттары, БО9кл., 516кл., Б33 маркалы болаттар – бессемер болаттары. Әріптен соңғы сандар көміртегінің жүзден бір процентпен алынған мөлшерін, ал КП «қайнау» болаты (кипящая плавка) екендігін көрсетеді.

         ІІІ топқа (В тобы) жататын болаттардың механикалық қасиетімен бірге химиялық құрамы кепілденеді. Бұл топқа жататын болаттар ІІ топ болаттары сияқты белгіленеді. Мысалы, М18А, И26А, М56А. А әрпі сапасының жоғарылатылғандығын көрсетеді.

         Сапалы болаттар мартен, электр пештерінде қорытылып, машина бөлшектері мен жұмыс жабдықтарын (инструмент) жасау үшін қолданылады.  Құрамындағы марганец элементінің мөлшеріне қарай сапалы болаттар 2 топқа бөлінеді: І топқа құрамындағы марганец элементінің мөлшері әдеттегідей болаттар, ал ІІ топқа марганец элементінің мөлшері әдеттегідей жоғары болаттар жатады.

         І топқа жататын сапалы болаттар құрамындағы көміртегі мөлшері пайызбен алынған жүздік үлесі бойынша белгіленеді. Мысалы, Сталь 15 (Болат 15), Сталь 20 (Болат 20), ... , Сталь 70 (Болат 70). Сталь 15 маркалы болаттың құрамында 0,15% көміртегі болады.

ІІ топқа жататын сапалы болаттар да І топ болаттары сияқты белгіленеді. Көміртегінің мөлшерін анықтайтын саннан соң «Г» әрпі (марганец) қойылады. Мысалы, 45Г, 56Г.  Жұмыс саймандарын жасауға арналған болаттар «У» әрпіне құрамындағы көміртегінің процентпен алынған ондық үлесін қосып жазу арқылы белгіленеді. Мысалы, У7, У8, У10, У12, ... , У7 маркалы болатта 0,7% көміртегі, ал У12 болатта 1,2% көміртегі бар;

в) жоғары сапалы болаттардың құрамында зиянды қоспалар мөлшері мен ақауы аз болады. Болаттың бұл түрінің мынадай маркалары бар: 15А, 20А, УОА, УВА, УІОА ... А әрпі болаттың жоғары сапалы екендігін көрсетеді.

Арнаулы болаттар жону, созу, штамптау әдісімен суық күйде өңделеді. Болаттың бұл түрінің «автомат болаты» деп аталатын түрі машина жасау өндірісінде гайка, бұранда жасау үшін пайдаланылады.

Құрамында көміртегі аз болаттардың өңделу қасиетін арттыру үшін оларға күкірт пен фосфор қосады. А12 маркалы автомат болатының құрамында 0,15% фосфор, 0,08-0,2% күкірт болады.

Болатты жону арқылы өңдеген оның беріктік қасиеттерін арттыру үшін кейбір маркалы болаттарға 0,1%-ға дейін қорғасын қосады. Мұндай болаттың құрамындағы қорғасын жаңқаның оңай бөлінуіне және кескіштің тез мұкалмауына септігін тигізеді. Өйткені болаттың құрамындағы қорғасын майлаушы майдың қызметін атқарады.

 8.3  Шойындар

 Құрамында 2,14 %-тен 6,67%-ға дейін көміртегі бар көміртекті темір қорытпалары шойын деп аталады. Шойынның құрамында болатқа қарағанда көміртегі мол. Сондықтан шойыннан құйма жасау оңай. Структурасына байланысты шойындар а қ және с ұ р шойын болып екіге бөлінеді.

Ақ шойынның құрамында көміртегі  темірмен химиялық қосылыс (цементит) түрінде кездеседі. Бұл шойынның кристалдану процесі темір-цементит диаграммасы бойынша жүреді, оның қаттылық, беріктік, үйкеліске беріктік, морттық қасиеттері жоғары болып келеді. Шойынның морттық қасиеті құрамындағы көміртегі мөлшерінің көбеюіне байланысты артатындықтан, өндірістегі құрылымы перлит-ледебуритті эвтектикаға дейінгі шойындар қолданылады. Ақ шойын өңдеуге келмейтіндіктен олардан механикалық өңдеуді керек етпейтін қорытпалар алынады. Мұндай қорытпалардың сыртқы беті ақ шойын, ішкі жағы (өзегі) сұр шойын түрінде кристалдануы үшін сыртқы бетін тез, ал ішкі жағын баяу жылдамдықпен суытады. Ақ шойынды соқаның пышағын, прокат иіндерін, диірменнің шарларын жасау және  соғылғыш шойын (ковкий чугун) алу үшін пайдаланады.

         Сұр шойынның құрамында көміртегі темірмен механикалық қоспа – графит – түрінде кездеседі және сұр шойынның кристалдану процесі көміртегі-темір диаграммасы бойынша жүреді. Сұр шойынның құрамындағы графиттің түзілу табиғаты осы күнге дейін толық анықталмаған. Бұл туралы қазіргі кезде мынадай пікір айтылып жүр: көміртегінің графитке айналуы кристалдану процесіне жататындықтан, балқыған шойын суынған кезде кристалдану орталықтарынан немесе қатты күйінде көміртегімен қаныққан аустениттен графит түзіледі. Сұр шойынды СЧ деп маркалайды, белгінің соңындағы сандар шойынның оны созуға қарсы кедергісін(МПа*10 көрсетеді. Сұр шойынның СЧ18, СЧ21, СЧ24 маркаларынан диафрагмалар, турбинаның төмен қысымды цилиндрін, бу шығатын ауызшаларын жасайды.

Шойыннан құйылған бұйымдарды  (-15) ÷ (+300) оС температуралар аралығында және қысым 10 МПа-дан төмен болған жағдайда қолдану керек.

Механикалық қасиеттеріне сәйкес шойындар аса берік және соғылғыш болып екі түрге бөлінеді.

        Аса берік шойынның құрамында пішіні шар тәріздес графит құраушысы болады. Графитті түзетін көміртегінің барлығы еркін күйінде болады. Аса берік шойынды сұйық қорытпаға графитизатор немесе модификатор (магний, церий) қосу және баяу суыту арқылы алады. Аса берік шойын ВЧ әріптерімен және оның соңында тұрған (шойынды созғуға қарсылығын көрсететін, МПа *10-1) сандармен белгіленеді. Мұндай шойынның химиялық құрамы құйманың қалыңдығына және шойын маркасына тәуелді. Жуық шамамен аса берік шойында 2,7-3,6% көміртегі, 0,8-3,8% кремний, 0,3-0,6% мыс болады. Аса жоғары беріктігі мен пластикалығы мұндай шойындардан жауапты қызмет атқаратын бұйымдар - иіндер мен сорғының сыртқы тұрқысын жасауға мүмкіндік береді.

          Соғылғыш шойын деп құрамында мақта шашақтары пішіндес графиттен тұратын еркін көміртегі болатын және оны ақ шойыннан күйдіру арқылы алатын шойынды айтады. Соғылғыш шойын КЧ30-6 дан КЧ80-1,5 дейін белгіленеді. Әріптерден кейінгі сандар шойынның созылуға қарсылығын (МПа 10-1) және салыстырмалы ұзаруын (%) көрсетеді. Осы маркалар аралығында шойынның Бриннель шкаласы бойынша қаттылығы 100-ден 320-ға дейін артады. 

           9 Дәріс. Жылу оқшаулағыш материалдар

          Жоспары:

          жылуоқшаулағыш материалдар және олардың топталуы;

          жылуоқшаулағыш материал қабатынан жоғалатын жылу шығындарын анықтау және оқшаулағышты өнеркәсіптік қондырғыға орнату шарттары.

          Мақсаты: жылуоқшаулағыш материалдарды қолдануға үйрету.

           9.1 Жылуоқшаулағыш материалдар және олардың топталуы.

          Жылуоқшаулағыш материал деп структурасы бойынша қуыстардан тұратын және осының салдарынан жылуөткізгіштігі өте төмен заттарды айтады. Мұндай материалды пайдалану кезінде физика-механикалық және жылутехникалық қасиеттері тұрақты болып, өздері концентрациясы рұқсат етілген мөлшерден (ШРК) артық болатын тозаң мен улы заттарды бөлмеуі қажет. Материалдың көрінулік тығыздығы 600 кг/м3 –тан аспауы  және жылу өткізгіштігі 250С –да 0,175 Вт/(м*0С) жоғары болмауы қажет.

          ҚР-ның мемлекеттік стандарттарына сәйкес жылуоқшаулағыш материалдар негізгі белгілеріне сай келесі жеті топқа бөлінеді.

            1.Бірінші топқа сыртқы көрінісі және пішіні бойынша жататын дара материалдарды(тақталар, кірпіш, қуыс цилиндрлер және сегменттер, блоктар), рулондық және бау тәрізді материалдарды (тегіс жалпақ төсеуіштерді, бауларды және жгуттарды), сусымалы және бос немесе күпсек материалдарды(қалың және көпіршіктенген перлит және вермикулит, минералдық мақта, шыны, каолин) ажыратады.

           2.Структурасы бойынша талшықты(асбест, шыны талшығы, минералдық мақта), ұялы(көбікті диатомит, совелит, пенопласт, пеностекло), дәндік(диатомиттік, совелиттік, вермикулиттік қоқымдар тәріздес) материалдарды ажыратады.

           3.Тығыздығы бойынша материалдар келесі топтар мен маркаларға бөлінеді:

                    Тобы                                  Тығыздығы бойынша маркасы, кг/м3

      Тығыздығы өте төмен(ТӨТ)..........15,25,35,50,75

     Тығыз0,06дығы төмен(ТТ)....................100,125,150,175                  

             Тығыздығы орташа(ТО).................200,225,250,300,350

             Тығыз(Тз).........................................400,450,500,600

 9.1 Кесте -  Қаттылығы бойынша материалдар бес түрге бөлінеді:

Түрі

Меншікті жүктемеде(МПа) салыстырмалы сығылуы, %

0,002

0,04

0,1

Жұмсақ(Ж)

30

               -

             -

Жартылай қатты(ЖҚ)

          6-30

               -

             -

Қатаң(Қ)

          6

               -

             -

Аса қатаң(АҚ)

          -

             10

             -

Қатты(Қ)

          -

              -

            10

          1. Материал алынған алғашқы шикізат түріне байланысты олар органикалық және бейорганикалық болып бөлінеді. Органикалық материалды температурасы 1000С –дан аспайтын беттерді жылуоқшаулау үшін ғана қолданады.

         2. Өздігінен жану қабілеті бойынша материалдар – жанбайтын, нашар жанатын, жанатын болып топталады.

         3. Жылуөткізгіштігі бойынша үш класқа бөлінеді – төмен(А) жылөткізгіш 0,06, орташа жылуөткізгіш(Б) =0,06-0,115

және аса жылуөткізгіш(В) =0,115-0,175 Вт/(м*0С).

              9.2 Жылуоқшаулағыш материал қабаты арқылы жоғалатын жылу шығындарын анықтау және оқшаулағыш қабатты өнеркәсіптік қондырғыға орнату шарттары

              Нормативке сәйкес өнеркәсіптік қондырғыны және құбырларды жылулық оқшаулауға тығыздығы 400 кг/м3 –тан аспайтын, ал ғимараттар мен бекіністердің қоршау беттерін оқшаулауға тығыздығы 500 кг/м3-тан аспайтын материалдар мен бұйымдарды қолданады.

         Аппараттар мен құбырлардың жылулық оқшауы құрылысы олардың міндетіне, құру және пайдалану жағдайларына тәуелді. Оқшаудың құрылымына негізгі жылуоқшаулағыш қабаттың өзі, арматура және бекітуші детальдар, сыртқы қорғаушы қабат және бояу қабаты кіреді. Құрылым барлық жыл маусымдарында желдің, ылғалдың және температураның ықпалына төзімді болуы қажет.

          Оқшау бетінің температурасы қоршаған ортаның +250С температурасында +480С-тан аспауы, ал ашық ауада +600С-тан аспауы қажет.

          Жылуоқшаулағыш қабаттың 1 м2 –ы жоғалтатын жылу шығыны келесі формуламен анықталады

                                                       (9.1)

осыдан оқшаулағыш қабаттың қалыңдығын анықтайды

                                                      (9.2)

           мұнда     - берілген температураға сәйкес келетін жылуоқшаулағыш қабаттың жылуөткізгіштігі;

            - оқшаулағыш қабаттың қабырғасы мен сыртқы бетінің температуралары;

            - оқшаулау бетінің сыртқы ортаға жіберетін меншікті жылу шығыны     

                                                       (9.3)

             мұнда     - қоршаған орта температурасы;

               - оқшаудың сыртқы қабырғасынан сыртқы ортаға жылу беру еселеуіші, Вт/(м2*К) .

             Ашық ауада орналасқан оқшаулағыш бет үшін

.           (9.4)

         Әртүрлі қондырғылардың оқшаулағыш беттері жоғалтатын жылу шығындарын өлшеу үшін ИТП- 6 маркалы аспапты қолданады, оның жылу ағындарын өлшеу диапазоны 0 мен 5000 Вт/м2 аралығында.

 Ұсынылған әдебиеттер тізімі

      1. Гуляев А.Н. Металловедение.- М.: Металлургия,  1977. -647 с.

     2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов.-М.:          Металлургия,1993. - 448 с.

     3. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение.- М.: Металлургия,

1975. -448 с.

     4. Материаловедение / Под.ред. Б.Н. Арзамасова.- М.: Машиностроение,

 2002. -384 с.

     5.Материаловедение и проблемы энергетики /под.ред. Г. Либовица, М. Уиттенгема.  – М.:Мир,1982.-450 с.

     6. Антикайн М.Т. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов. -М.: Машиностроение, 1980. -384 с.

     7. Кузьмин Б.А., Самохоцкий А.И. Металлургия, Металловедение и конструкционные материалы.- М.: Высшая школа, 2002.-304 с.

     8. Жадығаттану пәні бойынша зертханалық жұмыстарға әдістемелік нұсқаулар: Әбілдинова С.К., Кәзербаева Б.Д.  АЭЖБИ,2002 ж.

     9. Арзамасов Б.Н и другие.  Материаловедение.- М.: Машиностроение, 1986.- 376 с.

     10. Омаров А.К. Металдар мен конструкциялық материалдар технологиясы.- Алматы: Мектеп баспасы, 1970.- 307 б.

 

Мазмұны 

Кіріспе……………………………………………………………...3

1 дәріс………………………………………………………………3-7

2 дәріс………………………………………………………………8-11

3 дәріс………………………………………………………………11-15

4 дәріс………………………………………………………………16-19

5 дәріс………………………………………………………………20-24

6 дәріс………………………………………………………………24-29

7 дәріс………………………………………………………………30-34

8 дәріс………………………………………………………………35-39

9 дәріс………………………………………………………………39-41

Қолданылған әдебиеттер тізімі.......................................................42