Қысқаша дәріс конспектісі Тақырып 1. Металдар туралы жалпы мағлұмат. Материалдарды сынау
Металлургия – металл мен металл қорытпаларын өндірістік тәсілдермен алу ғылымы.
Б.э. 3-4 мың жыл бұрын адамдар рудадан мыс, қорғасын, қалайы қорытып ала бастаған. Шамамен б.э. бұрын III мың жылдары сол замандағы, белгілі металдарға қарағанда, қаттырақ және берік, мыс пен қалайы қорытпасы қола қолданыла бастады. Біздің заманымызға дейінгі II мың жылдары темір қолданыла бастады, яғни, темір ғасыры басталды.
Біздің заманымыздың басталғанына дейін алтын, күміс, мыс, қола, темір, қорғасын, сынап белгілі болды, ал қазір белгілі металл саны 80-ге жуық.
Металдар қара және түсті болып бөлінеді. Қара металдарға темір және оның қорытпалары, шойын мен болатқа жатса, басқа металдардың бәрі түсті металға жатады. Алғашқыда руданы горн деп аталатын қарапайым пештерде тотықсыздандыру арқылы темірді алған. Горнның биіктігі өскен сайын темір көміртегімен қанықтырылып, құю қасиеттері жақсы, морт келетін құймаға айналған. Оны шойын деп атаған. XIII ғасырдан бастап, шойыннан құрамында көміртегі, кремний, марганец және т.б элементтері аз , пластикалық және беріктік қасиеттері жоғары болат алына бастады. Мұндай екі сатылы өндіру нобайы домна пешінде шойын өндіру және оны болатқа айналдыру осы кездегі негізгі әдіс болып табылады.
Металдардың ішінде темір ерекше орын алады. Дүние жүзінде өндірілетін металдардың 90%-і қара металдар.
Металл тану дербес ғылым ретінде XIX ғасырдың алғашқы жартысынан кейін дами бастады. Ғылымның бұл саласының дамуы металдар құрылысын микроскоппен алғаш рет зерттеген ұлы орыс ғалымы П.П Аносовтың атымен байланысты (1831). Металдарды микроскоппен зерттеу әдісін 1863 жылы ағылшын оқымыстысы Сорби қолданды. Д.К. Чернов металдар мен қорытпалардың қасиеттерін зерттеп, кризистік нүктені ашты.
Металл тану ғылымы металдардың, қорытпалардың құрылымы мен қасиеттерін зерттеп, олардың арасындағы заңдылықтарды анықтайды. Металл тану ғылымы, химия, математика және физика пәндерімен тығыз байланысты. Бұл ғылымның негізгі міндеті – техникада қолданылатын металдар мен қорытпалардың қасиеттерін зерттеу және жасанды жолмен өзгерту, халық шаруашылығының әр түрлі тауарларында қолданылатын жоғары сапалы, жаңа қасиетті жасанды материалдар алу.
Металдардың атомдық кристалдық құрылысы
Барлық химиялық элементтер металл және металл емес болып бөлінеді. Табиғатта 100-ге тарта элементтер бар, соның шамамен 80-і металдар. Барлық металдардың жалпы өзіне тән қасиеттері болады: созымды, электрмен жылу өткізгіштігі жоғары, ерекше металдық жылтыры, температура жоғарылаған сайын электр кедергісінің артуы және т.б. Мұндай қасиеттер металл қорытпаларында да бар.
Металл қасиеттерін өздерінің ерекше ішкі құрылысы қамтамасыз етеді. Металл атомын схема түрінде қарағанда оң зарядталған ядро мен оның жан-жағында әр түрлі қашықтықта айналып тұратын электроннан тұратын зат деуге болады. Бұл ядроның сыртқы қабаттағы (валенттілік) электрондарды тарту әсері ішкі қабаттағы электрондардың тарту әсерімен теңбе-тең. Сондықтан валенттілік электрондар оп-оңай ажырап, ешқандай кедергісіз барлық бағытта орын ауыстырып, қозғалып тұратын электрондық газ құрады. Егер металда потенциал айырмашылығын жасаса, онда электрондар бір бағытта қозғалып, электр тоғы пайда болады. Электрондық газ металға қасиетті металдық типті байланыс екендігін түсіндіріп, бұл байланыс өзінің табиғатында металл еместерде де кездесетін иондық және коваленттік байланысқа ұқсамайды. Заттардың атом аралық байланысының негізгі типтеріне иондық, коваленттік және металдық түрлері жатады. Техникалық таза металдардың беріктік қасиеттері төмен болғандықтан, машина жасауда негізінен олардың қорытпаларын пайдаланады. Темір негізінде алынған қорытпаларды қара металл деп атайды, оларға шойын мен болат жатады; алюминий, магний, титан және берилий негізінде алынған тығыздығы төмен қорытпаларды - жеңіл түсті деп; мыс, қорғасын, қалайы т.б. - ауыр түсті; цинк, кадмий, қалайы, қорғасын, висмут т.б. металдар негізінде алынған қорытпаларды - тез балқығыш түсті қорытпалар, ал молибден, ниобий, цирконий, вольфрам, ванадий негіздерінде қорытылған корытпаларды түсті баяу балқитын деп атайды.
Барлық металдар кристалдық құрылысы бар заттар. Металдардан басқа кристалдық құрылысы бар қатарына тұз, қант, алмас т.б. заттар жатады.
Металдардың кристалдық құрылысы. Барлық металдардың қатты күйінде кристалдық құрылысы және торы болады. Тор типтерінің көбірек кездесетін үш түрі болады (1.1-сурет):
1.1 -сурет. Металдардың кристалдық торлары:
а) көлемге шоғырланған; б) жағына шоғырланған; в) гексагоналды.
көлемге шоғырланған тор (К.Ш.Т.), жағына шоғырланған тор (Ж.Ш.Т.) және тығыз гексагональды тор (Т.Г.Т.). К.Ш.Т. жүйесінде Сг, Мо, W, V; Ж.Ш.Т. жүйесінде - Nі, А1, Сu, Рb; Т.Г.Т. жүйесінде Ве, Сd, Zn, Мg т.б. кристалданады.
Металдардың полиморфизмі. Кейбір металдарды қыздырғанда кристалдық торларының құрылысы өзгереді.
Бір металдың түрі кристалды формасының болуын полиморфизм деп, ал бір модификациядан екінші модификацияға ауысуын полиморфты деп атайды.
Металдардың жеке модификацияларын грек алфавиттерімен белгілейді: α, β, γ, δ және т.б. Мысалы, темір бөлме температурасында КШТ торлы болып, α - темір деп аталады. Ал, оны 7680С-қа дейін қыздырғанда α - темір магниттік қасиетін жоғалтып, кристалдық торы өзгереді. 9110С-да темірдің КШТ торы ЖШТ-ға айналады; ондай торы бар темірді γ - темір деп атайды. 1392°С-да α - темір КШТ торлы γ - темірге айналады. Ол темірдің балқу температурасы 1539°С-қа дейінгі аралықта болады. Полиморфты өзгерістерде кристалдық тордың өзгеруімен қатар металдардың қасиеттері едәуір өзгереді (көлемі, созылғыштығы, қаттылығы және т.б.). Сондықтан полиморфты өзгерістердің болуы көп жағдайда механикалық және температура жағдайында жұмыс атқарғанда металл қасиетін анықтайды.
Металдардың анизотропиясы. Мына 1.1-суретте көрсетілгендей түрлі жазықтықтағы кристалл торларының атом сандары мен арақашықтықтары әртүрлі. Осыған байланысты әртүрлі бағыттағы жеке кристалдардың (монокристалдар) қасиеттері бірыңғай болмайды. Мұндай құбылысты анизотропия деп атайды. Шын мәнісінде металдар мол кристалды болып, көптеген дәндерден (кристалдардан) тұрады.
Кристалды құрылыстың ақаулары. Кристалл торларында көптеген ақаулар кездеседі, олар нүктелік, сызықтық, жазықтық ақаулар.
Нүктелік ақауларға (1.2,а-сурет) кристалл торындағы бос торам 1, жылжыған атомдар 2, атом қоспалары 3 бос орындары жатады. Олар атомдардың жылу тербелістері, пластикалық деформация, металдарға қоспалар араласқанда пайда болып, бос орын болуына әсер етеді. Сызықтық ақаулардың негізгі түріне дислокация жатады. Дислокация дегеніміз, материалдардың кристалдануындағы өзгерістер 1.2,б-суретте шеткі дисслокация 4 кристаллографиялық жартылай жазықтың артқы жиегін көрсетеді. Мұндай ақаулардың мөлшері кішкентай, бірақ сопақша болып келеді.
Жазықтық ақаулары әдетте дәндер шекарасында бос жазықтықтарда пайда болады. Шекаралар ені 5-10 атомаралық қашықтықтай болады. Дәні ұсақ болған сайын кристалл беріктігі арта түседі.
1.2-сурет. Кристалл құрылымының ақаулары:
а) нүктелік ақаулар; 6) сызықтық ақаулар.