1 Тәжірибелік жұмыс Қос күй диаграммасының құрамы және жіктелуі

1.1 Жұмыстың мақсаты: қос күй диаграммаларының түрлерімен, болжауға қажетті ерекше сызықтар және нүктелермен танысу. Сонымен қатар құрылымы мен қасиеттері таоап етілетін деңгейге сәйкес болатындай қорытпалардың негізгі және легірлеуші компоненттерін негіздеп таңдау.

1.2 Материалдар мен құрылғылар: қос күй диаграммаларының және стандартты болаттар мен қорытпалардың механикалық қасиеттері бойынша анықтамалық мәліметтер.

1.3 Жалпы мәлімет

Күй диаграммасы (фазалық диаграммасы, тепе-теңдік диаграммасы, балқыту диаграммасы) деп химиялық құрамы мен температурасына байланысты, термодинамикалық жүйенің фазалық күйінің графикалық көрінісі аталады.

Диаграммалар түрлерінің жалпы номенклатурасы ХХ ғасырдың басында қалыптасты және негізгі легірлеуші компоненттер мен қорытпалар арасындағы физика-химиялық өзара байланыстарды толыққанды көрсетпейді. Кез келген қос күй диаграммасы өзінің геометриялық құрылымы бойынша көпбұрышты желі құрайды, ал ол түзілген диаграмманың элементі болып табылады. Ерітінді мен кабыршықтану диаграмманың негізгі элементтері болып табылады.  Элементтер ликвидус, солидус және шекті ерігіштік сызықтарымен, сонымен қатар горизонталды алаңшамен шектеледі. Осы алаңшаларда немесе нонвариантты горизонталдарда эвтектикалық, монотектикалық, перетектикалық, синтектикалық нүктелер орналасады, оларға “керемет” деген атау берілген (сурет 1.1).

1.3.1 Қос күй диаграммаларының «керемет» нүктелері

«Керемет» нүктелер келесі түрлерге ажыратылады: максимумда немесе минимумда орналасқан экстремалды, алаңшада орналасқан өтпелі.

Экстремалды нүктелердің түрлері:

- максимумда орналасқан ерiтiндiлердің түйiндесу нүктелері - аD және бD; олар дистектика деп аталады (dys – бөліну және tektos – балқитын);

- минимумда орналасқан ерітіндінің түйіндесу нүктелері – бК; олар катотектика деп аталады (kata – төменде);

- қабыршықтану максимумында орналасқан нүктелер вТ, олар дискретикалық деп аталады (disretus – бөлек, үзiлмелi).

Өтпелі нүктелердің түрлері (1.1 сурет):

– эвтектикалық – гЭ (eu – жақсы, жеңіл)

– монотектикалық— дМ (monos – бір)

– перитектикалық — eП (peri – қасында, жанында, қатар)

– синтeктикалық — жH (sye – бірге)

– алаңшада орналасқан және компоненттің немесе қатты фазадағы химиялық қосылыстың (төментемпературалы) шекті ерігіштігіне сәйкес нүктелер – гЛ, дЛ, еЛ лиотектика деп аталады (lуо – ерітемін).

Соның ішінде эвтектикалық, монотектикалық және перитектикалық нүктелер кристалдану және фазалық өзгерулер «сұйық-қатты», синтектикалық және монотектикалық – қатты фазада өтетін физика-химиялық үдерістерді сипаттайды. Сұйық фазаның қатысуынсыз өтетін эвтектикалық өзгерулер – эвтектоидты, сол сияқты сәйкесінше перетектикалық – перитектоидты, монотектикалық – монотектиодты деп аталады.

Сурет -1. Элементтердің түрлері және қос күй диаграммаларының «керемет» нүктелері.

1.3.2 Қос күй диаграммаларының жіктелу ұстанымдары

Жалпы қабылданған қос күй диаграммаларының жіктелуін бірінші рет Б.Розебом 1899 жылы ұсынды. Ол негізгі бес негізгі топты атап көрсетті: шексіз қатты ерітінді, максимумды ерітінді, минимумды ерітінді, перетектика және эвтектика. Б.Розебомның жіктеуі қарапайым диаграммалардың болмашы бөлігін ғана сипаттайды, дегенмен, осы уақытқа дейін ол өзінің маңызын сақтап қалды және бастапқы зерттеулерге қолдануға өте қолайлы болып саналады [1-20, 2-32,3-64].

Күй диаграммасын сыныптарға бөлудің негізгі екі жіктелу ұстанымдары ерекшеленген [3 Гуляев Б.Б. ]:

• күрделілігі мен элементтердің санына байланысты – олар көп болған сайын диаграмма күрделене түседі.

•құрылым, элементтерді қосу тәсілімен анықталады. Қосу – абстракты операция. Оны бес тәсілмен орындауға болады (2-6 сурет).

1. Біріктіру (2-18 сурет)- элементтер бір-бірімен қосылғанымен ортақ нүктелері болмайды. Үздіксіз немесе түйіндескен ерітінділер үшін ғана қосылу мүмкіндігі бар (2а 18, а сурет), сонымен қатар әр түрлі комбинацияларөтетін қабыршықтану ерітіндісінде де қосылу байқалады (2б 18, б сурет).

Сурет 2. Ерітінділердің бірігуі (а) және ерітінділердің қабыршықтанып бірігуі (б)

2. Түйіндесу (3-19 сурет) - дистектикалық (3б, в-19,б және в сурет) немесе катотектикалық (3а-19, а сурет) нүктенің екі көршілес ерітіндінің арасында қосылу арқылы түзілуі. Түйіндесетін ерітінділер шекті де, шексіз де болуы мүмкін. Бір диаграммада бір немесе екі дистектика, сонымен қатар дистектика және катотектика болуы мүмкін.

а- катотектикалар, б және в – дистектикалар (бір немесе екі бертоллидтермен) Сурет - 3. Түйіндесу түрлері.

3. Үйлесу (4-20, а сурет) – үш элементтің қосылуы нәтижесінде алаңшаның түзілуі. Үйлесімділіктің эвтектика, синтектика, монотектика, перитектика және синтектика түзетін төрт түрі болуы мүмкін. Үйлесудің барлық төрт түрі кәдімгі қабыршықтану мен эвтектика – катотектикасы бар түйіндескен екі ерітіндінің бірінің үстіне бірі қабаттасуы арқылы берілуі мүмкін.

а – эвтектика; б – монотектика; в– перитектика; г – синтектика Сурет - 4 сурет. Үйлесу түрлері.

4. Қосылу (5-20Б5 сурет) – әр түрлі деңгейде орналасқан, екі үйлесуге жататын, екі элементтің қосылуы. Қиылған қабыршықтанулар немесе қиылған ерітінділер - үйлесу элементтері. Қосылулар вертикал және горизонтал болуы мүмкін. Нонвариантты алаңшалар (горизонталды бірігу) немесе химиялық қосылыс түзілу сызықтары - қосылу шекаралары (дольтанид немесе бертоллид) – вертикалды қосылу болуы мүмкін.

а – эвтектика; б – монотектика; в– перитектика; г – синтектика Сурет - 5. Бірігу түрлері.

5. Қиылысу (6-21 сурет) – химиялық қосылыстың түзілуі арқылы ерітінділердің қосылуы. Бір шексіз ерітінді немесе екі қарапайым ерітіндінің түйіндесуінен екі орталық ерітіндінің қабаттасуы арқылы қиылысу түзіледі. Ттөрт элементтен алты элемент құралғанда және дистектика пайда болғанда қиылысу толық болуы мүмкін, немесе үш элементтен бес элемент құралғанда, қиылысу толық емес болуы мүмкін және дистектика түзілмейді.

а –бір дистектикамен толық қиылысу; б –дистектикасыз толық емес; в–екі дистектикамен толық; г – үш дистектикамен толық Сурет - 6. Қиылысу түрлері.

Қорыта келгенде, екі элемент – ерітінді мен қабыршықтану; сегіз “керемет” нүктесі бар, бес қосылу тәсілден тұратын, кез келген диаграмманы сипаттауға мүмкіндік беретін тұйық жүйені құрайды.

Металды қос жүйелердің арасында бір диаграммада элементтердің максималды саны 30 сәйкес келетіні табылған. Диаграммалар күрделілігіне қарай төрт сыныпқа бөлінеді:

I- ші сынып қарапайым – элементтер саны n = 1÷3;

II-ші сынып оңай– n = 4÷7;

III-ші сынып қиын n = 8÷16;

IV-ші сынып өте қиын n = 17÷30.

Бір шексіз ерітінді құрайтын ең қарапайым диаграмманы, бірігуге қосу тиімді, ал түйіндесуді бірігудің бас жағына қою керек. Сонда барлық қ диаграммалардың жиынтығын төрт топқа, топтарды бірнеше сыныптарға бөлуге болады (7-10=22 сурет).

I. Біріктіру тобы (7 сурет) екі сыныпқа бөлінеді: 1) тек ерітінділердің бірігуі 2) үйлесу және қабыршықтануды құрайтын, шексіз біріктіру немесе түйіндескен күрделі пішінді ерітінділердің бірігуі. Егер ол концентрациялық аралықта басым (әдетте 50% астам) болып немесе барлық концентрациялық аралықты жауып қалса, онда сыныптарды жоғарғы қабаттағы өзгеру түрі арқылы ажыратуға болады.

а – біріктіру; б – түйіндестіру; в – тіркесу және бірігу Сурет - 7. Диаграмма күйінің бірінші сыныбы (қарапайым)

II. Түйіндестіру тобы (8 сурет) үш сыныпқа бөлінеді: 1) ерітіндіні түйіндестіру және ерітінділердің үйлесуімен; 2) екі эвтектиканың түйіндесуі арқылы бір дистектикалы бертоллид түзу; 3) үш эвтектиканың түйіндесуі арқылы екі дистектикалы екі бертоллид түзу. Нақты күй диаграммаларында бертоллидтердің көп саны кездеспейді.

а – біріктіру; б – түйіндестіру; в – тіркесу және бірігу; г - қиылысу Сурет - 8. Диаграмма күйінің екінші сыныбы (оңай)

III. Үйлесу және бірігу тобы (9 сурет). Элемент үшеу болса үйлесу түзіледі; бес немесе одан да көп элементтер болса – бірігу түзіледі. Топ бес сыныпқа бөлінеді: 1) эвтектика; 2) бір монотектика; 3) екі монотектика; 4) перитектика; 5) синтектика. Перитектикалар сыныбы басқа сыныптарға қарағанда көп санды және басқа сыныптарға қарағанда көптүрлі Оған саны көп емес вертикалды, сонымен қатар, каскадтар деп аталатын саны өте көп горизонталды үйлесулер жатады.

а – біріктірулер; б –түйіндестірулер; в – үйлесулер және бірігулер; г - қиылысулар Сурет - 9. Күй диаграммасының үшінші сыныбы (қиын)

IV. Қиылысу тобы (10 сурет). Бұл топқа қатысты болу дистектикалық дальтонид түзетін толық қиылысулар болуымен анықталады. Дистектика санына байланысты бірден төртке дейін сыныптарға бөлінеді. Металды жүйелерде төрттен артық дистектика байқалмаған.

а – біріктірулер; б – түйіндестірулер; в – үйлесу және бірігу; г - қиылысу Сурет - 10. Күй диаграммасының төртінші сыныбы (өте қиын)

7-10 суреттерден шексіз ерітінді бір элементтен тұратын, негізгі қарапайым және жалғыз ғана диаграмма болады. Екі элемент болғанда біріктіру мен түйіндестіру пайда болады. Үш элемент болғанда үйлесу пайда болады. Бірігу түзілу үшін кем дегенде бес элемент қажет. Дальтонидтер толық қиылысу нәтижесінде түзіледі және бертоллидтер түйіндесу нәтижесінде пайда болады. Егер элементтер саны алты болса диаграмманың негізгі даму сызықтары 7-10 суреттерде нұсқамалармен көрсетілген.

Диаграммалардың барлық негізігі түрлері күрделіліктің бірінші екі сыныбында пайда болады. Диаграммалардың күрделенуi, жаңа негiзгi түрлерінің пайда болуы, аллотропиялық түрленулердің есесінен өтеді. Олар бұрышты ерітінділер немесе қосымша үйлесімділіктер, сыртқы дистектикасыз толық емес қиып өтулер, қабыршықтану нәтижесінде үйлесімдіктер және диаграмма ішіндегі ерітінділер арқасында түйіндесулер түзеді. Өте қиын диаграммалар тобы сыныптарға бөлiнбейдi. 10 суретте әдеттегі күй диаграммалары көрсетілген.

Металдық жүйелердің қос күй диаграммалардың анықтамасы М. Хансен және К. Андерко (1962 г.) [4-249], қосымша Р. П. Элиота (1970 г.) [5-272] және Ф. Шанк (1973 г.) [6-258], А. Е. Вол анықтамалары [7-34], жыл сайын П. В. Агеевтің [8-95] редакциясымен шығарылатын және еркін еңбектерден [9-96, 110-40, 11-153, 12-156, 13-231] анық диаграммалардан 720 толық элементтерi таңдалған 

Белгілі 104 химиялық элементтерден құралған кестеден мүмкін болатын қос күй диаграммаларының жалпы саны 5356 құрайды. Қорытпаның қасиеттеріне әсер етпейтін галогендер мен инертті газдарды алып тастағанда, лантоноидтар мен актиноидтар 67 элемент құрайды. Олардан 2210 қос күй диаграммаларын құруға болады, демек 720 элементтi iрiктеу нәтижесінде - мүмкiн теориялық жиынтығынан 32% құрайды. Диаграммалардың жүзеге асатын түрлерiнің саны едәуiр ерекшелен геометриялық және термодинамиялық жағынан мүмкін және де 100 аспайды. Мұндай айырмашылықтың себебі әзiрше ғылыми негізделмеген және түсіндірілмеген, сондықтан әрі қарай жұмысты жүргізуді талап етеді.