3.4 Балқымалардың синтезінің есебінің редукциясы.

Қазіргі ғылым мен өндірістің даму сатысында балқымаларды синтездеу есебі тікелей шешілмейді. Балқыманың құрамын нақты таңдаудың жалғыз шешімі тәжірибе болып табылады, бірақ элементтердің комбинацияларын барлығын таңдай алмағандықтан, оның шешіміне басқа тұрғыдан қарау қажет. Бұл әдісте анализ жүйесі жемісті болып табылады, ол бар есепті қарапайым есептерге бөлуді қарастырады, оларды жеке – жеке анағұрлым қолайлы тәсілдермен шешуге болады.

Барлық есепті жеке шешілетін қарапайымға бөлу балқымаларды синтездеу әдісінің редукциясы деп аталады (редукция латын тілінен қайта келу – жеңілдету). Жеке шешімдер барлық есептің шешімін береді. Жеке есептерге стандартты бөлу сұлба түрінде жүргізіледі:

1) Балқымаға тапсырманы тұжырымдау. Бас және шектеушi қасиеттердi анықтау қосылады.

2) Балқыманың негізін таңдау. Бұл есептің шешімі жиі алдын ала шешілген және балқыма тапсырмасына кіреді. Ғылым мен техниканың жаңа аумақтарында арнайы техникалық және экономикалық талдаулар талап етілед. Белгілі аумақтарда мәліметтер әдеби анықтамалардан, МЕСТ-ден және ТТ-дан алынады.

3) легірлеуші элементтер қатарын таңдау және зиянды қоспаларды анықтау. Легірлеуші элементтер қатары және зияны қоспалар жоғары немесе төменгі дәрежеде әр түрлі қасиеттерін жоғарлату, не төмендетуі мүмкін химиялық элементтер қатары. Балқыма негізі мен периодтық жүйенің басқа элементтерінің, экономикалық және синтезделетін балқыманың технологиялық қасиетін ескере, қос әсерлесуіне негізделеді.

4) Легірлеуші кешендерді таңдау. Легірлеуші кешендермен бірге, әр қайсысының әсерін күшейту үшін легірлеуші элементтер енгізіледі. Легірлеуші элементтер қатарына енгізуге ұсынылған компоненттер де қосылады.

5) Балқыма құрамын таңдау. Қасиеттердің жоғары дәрежелігін қамтамасыз ететін және зиянды қоспаларға шек қоятын әр легірлеуші кешеннің мүшелерінің оңтайлы нақты мөлшерін анықтау. Бөлінген есептер математикалық моделдеу және ықшамдау арқылы, жоспарланған тәжірибе жолымен шешіледі.

Балқыманы өндіріске енгізу туралы соңғы шешім өндірістік және тасымалдау сынауларынан кейін ғана қабылданады.

6) Балқымалар ансамбілін құру. Өзара алмасатын легирлеушi элементтерi бар болмашы қасиеттердiң бас қасиеттiң тиiстi деңгейi және нақтылы деңгейi пайда болатын ахуалға байланысты қамтамасыз ететiн өте арзан балқымалармен елестеткен. Қазіргі материалтанудың перспективалы бағыты болып табылады.

Қолданылатын әдебиеттер

Негізгі 2 [5-7], 4 [19-22, 50-53]

Бақылау сұрақтары

1 Балқымаларды синтездеу негізі неден құралады?

2 Редукция дегеніміз не?

3 Қандай элементтер қоспаларға жатады?

4 Күй диаграммасы дегеніміз не?

5 Қасиет дегеніміз не?

4-ДƏРІС. Қорытпаның негізін таңдау. Пайдалану қасиеттеріне байланысты элементтерді жіктеу. «Қасиет-элемент реті» тәуелділігі.

Қорытпалардың негізгі құраушы компонентін таңдау қорытпалардың синтезінің редукция негізгі әдістемесінің бірі болып табылады. Жаңа техниканы және эксплуатацияның айрықша шарттары үшін негізгі құраушы компонентті таңдау, ерекше жағдайларына байланысты пайдалану, тыңғылықты жұмыс атқаруда көптеген параметрлер бойынша (технологиялылық, жоғары немесе криогенді температуралар, жебірлі орталар әсеріне болу үйлесімділік және т.б.) металдарға талаптарды қою үлкен жауапкершілікті тудырады.

Негізгі құраушы компонентті таңдау барысында жұмыс қасиеттері негізге алынады. Топтастыру келесі белгілер бойынша өткізіледі: беріктік (конструкциялық қорытпалар үшін), илемділік (жоғары техннологиялылық), тығыздық (меншікті беріктігі жоғары жеңіл), балқу температурасы (ыстыққаберіктік), электроөткізгіштік (өткізгіш), жемірілуге қарсы тұрақтылығы (жемірілугетұрақты).

Беріктік. Қалыпты температура жағдайында жасытылған күйінде техникалық таза стандартты үлгіні созу барысында анықталған жемірілуге беріктік критериі ретінде уақытша қарсыласу пайдаланылады. Морт сынғыш металлдар үшін (хром және кобальт) беріктік Бринелльтәсілі бойынша анықталып келесі формуласы бойынша бағаланады.

σ_{в ≈ 0,35НВ.}

Аз мөлшерде алынған сирек элементтер үшін σ_в гафикалық тәуелділіктің интерполясиясы алынады.

Беріктік мәні бойынша барлық элементтер төрт сыныпқа ажыратылады:(4.1-сурет)

1) Газ және сұйықтар, үзілу кезінде беріктікке ие бола алмайды.

2) σ_в<5МПа берік емес, конструкциялық металдар ретінде қолданылатындары қалайы, қорғасын, висмут, стронций.

3) σ_в 50-500МПа берік, конструкциялық қорытпалардың басым көпшілігі: бериллий, магний, алюминий, титан, темір, кобальт, никель, мыс, цинк, күміс, сурьма, платина, алтын.

4) Беріктігіжоғары σ_в>500 МПа. Оларға металл еместер жатады: бор, көміртегі, кремний және қиын балқитын металдар. Әсіресе, молибден, вольфрам, рений.

4.1- сурет. Элемент ретіне байланысты беріктіктің өзгеруі

«Атом реті-беріктік» диаграммасында көміртектегі, кремний, хром, молибден және вольфрам элементтерінде күрт сипатталған ұшы бар экстремумдары байқалады.

Илемділік, δ% салыстырмалы ұзару шамасымен бағаланады шарттарының маңыздылығына тікелей қатысты беріктік сияқты жағдайларда бағаланады (4.2-сурет).

Барлық элементтер сонымен қатар төрт сыныпқа бөлінеді: 1) Газдар және сұйықтар. Олардың илемділігі шартты түрде шексіз болып саналады. 2) Илемділігіжоғары, δ шамасы 40% - дан жоғары. Оларға беріктігі аса жоғары сілтілі металдар (бірінші шағын топ) және конструкциялық қорытпалардың негізі ретінде пайдаланылатын қалған металдар, соның ішінде алюминий, титан, темір, мыс,никель. 3) Иілімді, δ шамасы (40-30%). Бұл айрықша көп таралған элементтер тобы, оларға бериллий, магний, ванадий, молибден, вольфрам, висмут және тағы басқалары жатады. 4)Морсынғыш, олардың созылуы шамасы 3% - дан төмен. Бұл топқабарлық металл еместер, сонымен қатар металдар қатарыжатады: хром, марганец, кобальт, радий және жартылай металдар – сурьма, германий. Бұл металдар сыныбы қысыммен өңделмейді және тек қана құйма түрінде қолданылады. Диаграммасы «сатом кезегі–илемділік» кобальт, радий, иридий асу тәріздес экстримумы бар периодтты тәеулдікке қатысты болады.

4.2-сурет. Илемділіктің элемент кезегіне тәуелділігі

Тығыздық көлік және әуе машинажасауда ерекше орын атқарады. Физикалық мағынасы жағынан атомдар байланысының шамасын сипаттайды, демек, конструкциялық қорытпалар үшін маңызы өте зор.

4.3- сурет. Элементтердің тығызыдығы кезегіне байланысты

1) Газдар.

2) Тығыздығы 5г/см³ төмен, жеңіл. Оларға металдар (алюминий, титан, магний, бериллий) және металл еместер(фосфор, күкірт, селен, қатты гологенде) жатады.

3) Ауыр. Олардың тығыздығы 5-10г/см³ аралығында. Бұл топқа сансыз көп элементтер жатады. Металл еместердің ішінде оларға мышьяк және теллур жатады. Нағыз ауыр металдарға: ванадий, хром, кобальт, никель, цинк, галлий, германий, цирконий, ниобий, қалайы, сурьма, барлық лантаниттер, висмут, радий жатады.

4) Өте ауыр, олардың тығыздығы 10г/см³ жоғары. Бұл сынып қатарына негізінен қиын балқитын металдарды жатады. Нағыз сынып металдарына ең ауыры осмий (22,48г/см³) және иридий (22,36г/см³) болып табылады. Сонымен қатар: молибден, күміс, тантал, вольфрам, рений, алтын, сынап, қорғасын, барлық платинидтер,уран және барлық трансуранидтер жатады.

«Атом реті-беріктік» тәуелділігі сунусоидты экстримумдары бар периодты, атом кезегінің өсуіне қарай артады. Максимум шамасы алюминий, радий, мыс, көміртегі және осмийге сәйкес келеді.

Балқу температурасы. Элементтердің төрт сыныбы ерекшеленген (4.4-сурет).

4.4-cурет. Балқу температурасының элементтің рет санына байланыстылығы

1) Газдар мен сұйықтықтар. Балқытудың ең төменгі температурасы гелий – 1,773К.

2) Жеңіл балқитын, балқу температурасы 0 - ден 600⁰С дейін. Оларға: фосфор, күкірт, мырыш, селен, кадмий, индий, қалайы, теллур, қорғасын, таллий, висмут, сілтілі металдар және қатты гологендер жатады.

3) Орташа балқитын - балқу температурасы 600-ден 1600⁰С дейін. Ооларға: бериллий, магний, алюминий, кремний, кальций, марганец, темір, кобальт, никель, мыс, германий, стронций, палладий, күміс, сурьма, барий, алтын, барлық лантаниттер және актиниттер жатады.

4) Қиын балқитын, балқу температурасы 1600⁰С-дан жоғары. Ең қиын балқитын металл емес – көміртегі (3747⁰С), металдардан – вольфрам (3450⁰С) жатады. Нағыз қиын балқитын элементтер: бор, көміртегі, титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, гафний, тантал, вольфрам, рений, торий, платинидтердің көк мөлшері.

Балқу температурасы тығыздық секілді синусоидты экстримумдары бар периодты, эктремумдар кремний, хром, молибден және вольфрамда байқалады. Электрөткізгіштік металл еместер металлдардан 0,001·10^-8 Ом·м аралығында ажыратылатын қасиетке жатады. Сонымен қатар, төрт сыныпқа ажыратылады (4.5-сурет):

1. Изоляторлар (p<0,001·10^-8 Ом·м). Бұл сынып элементтерінің барлығы металл еместер.

2. Электрөткізтіштігі төмен − (0,001−0,05)·10^-8 Ом·м. Электр өткізгіштігі төмен металдарға: титан, марганец, галлий стронций, цирконий, сурьма, сынап, қорғасын, висмут, барлық лантанидтер және барлығы дерлік актинидтердің барлығы десек болады.

3. Орташа электрөткізгіштік –(0,05−0,3)·10^-8 Ом·м. Мұндай сыныптардағы металдарға: литий, бериллий, натрий, магний, железо,кобальт,никель, цинк, молибден, олово, вольфрам,барлық платиноидтар.

4. Электрөткізтіштігі жоғары (0,3−0,7)·10^-8 Ом·м. Оларға тек 4металл жатады –алюминий, мыс, күміс және алтын. Егер бірлік ретінде мыстың электр өткізкізтігін қабылдасақ, онда аталған металдардың арақатынасы 0,84; 1,00;1,04; 0,74 болады.

4.5 - сурет. Элемент ретінің электрөткізгіштікке байланыстылығы

Атом реті–электрөткізгіштік» өткізгіш элементтерінде жүйелі тангенциалды экстремумдарына жақындай түседі.

Жемірілуге қарсы төзімділік элементтердің күрделі сипаттамасы болып табылады, өйткені ол қоршаған ортаға байланысты болады (қышқылдар, сілтілер, тұздар, мұнай қайта өңдеу өнімдері және т.б.). Жемірілуге қарсы төзімділіктің бірлігі ретінде азотты қышқылында олардың 1 см² ауданында салмақ мөлшерін 30- дан 60%-ға дейін жоғалтуын қабылдайды.

4.6 -суретте берілген диаграмма бағытталған сипаттамаға ие, өйткені басқа орталарға және басқа концентрацияларда диаграмма басқа түрде беріледі.

Берілген белгілер бойынша барлық элементтер алты сыныпқа бөлінеді:

1. Газдар. Олардың төзімділігі шартты түрде 10-нан жоғары болуына байланысты шартты түрде жоғары деп саналады.

2. Берік емес (10-нан 1- ге дейін). Бұл сыныпқа сілтілі және жерсілтілі металдар және галогендер жатады.

4.6- сурет. Элемент рет санына қарай жемірілуге қарсы төзімділік байланысы

3. Салыстырмалы берік (10^-1–10^-4). Оларға бор, алюминий, кремний, марганец, темір, палладий, висмут жатады.

4. Берік (10^-2-ден 10^-3дейін). Оларға көміртегі, хром, ниобий, вольфрам, алтын, галий, қорғасын жатады.

5. Өте берік (10^-3жоғары). Оларға 4.6-суретте экстремальді жағдайдыалып тұрған металдар жатады.

«Атом кезегі –жемірілуге қарсы төзімділік периодтылықтың тәуелділігі көміртегі, кремний, титан, цирконий, рутений–родий, тантал, осмий−иридий элементтеріне максимумдары сәйкес келетін күрделі байланыс. Сондай−ақ негізгі компоненттердің нақты қолданылуын таңдау анықтаушы факторы болып табылады. Элементтердің қасиеттерін жіктеу жүйесі түрлі пайдалану қасиеттерге ие қорытпаларының негізін таңдауға себеп болады.

1) Конструкциялық, олардан тек қажетті деңгейде қалыпты температура жағдайында аталған белгісі бойынша олар келесідей болып жіктеледі: мысалы, әуе және көлік техникасы үшін шектеуші қасиет ретінде салмақ саналады.

2) Арнайы, қажетті деңгейдегі механикалық қасиеттерден басқа қабiлеттiлiк жүктеу ерекше жағдайларда қирауға және жебірлі орталарда қарсы тұруы талап етіледі. оларға жалпы тағайындалған қорытпалар жатады – ыстыққатөзімді, криогенді, жемірілугетұрақты, қышқылғатұрақтылығы, тозуғатұрақтылы; арнайы қызметатқарушы – құрал сайманды, шарикті мойынтіректі, антифрикционды, рессорлы−серіппелі, типографты, жеңілбалқитын, дыбыс оқшаулағыш, вакумды – тығыз қорытпалар жатады.

3) Ерекше физикалық қасиеттерге ие, ерекше механикалық қирауға қарсы тұру қабілетіне ие емес. Оған өткізгіш материалдар жатады – өткізгіштер, жартылай өткізгіштер, жоғарғы өткізгіштер, магнитті қатты және магнитті жұмсақ, жоғарғы жылу өткізгіштік,инварлы,элинварлы, биологиялық үйлесімді, катализаторлар және т. б. жатады.

Қарастырылған жіктеулерді басқа параметрлермен қасиеттер бойынша кеңейтуге болады. Мысалы түрлену саны қайнау температурасы, серпімділік модулі, иондалу потенциалы бойынша және т. б. легірлеуші компоненттерін кеңейтуге болады. Бірақ олар негізгі пайдалану қасиеттерін байланысты емес және қорытпа компонентінің негізгі арқылы қосымша талаптарды сипаттайды.

Қолданылатын әдебиеттер

Негізгі 3[5-7], 4 [28-40, 51-52]

Бақылау сұрақтары

1. Машинажасау материалдары нақты қолданылуына қарай топтарға ажыратылады?

2. Қандай қаситтер пайдалану қаситтеріне жатады?

3. Элемент ретіне қарай беріктік қалай өзгереді?

4. Элемент ретіне қарай тығыздық қалай өзгереді?

5. Элемент ретіне қарай балқу температурасы қалай өзгереді?

5-ДƏРІС. Әр түрлі күй диаграмаларының критерилері, жалпы сипаттамасы. Критерилердің пайдалану қасиеті.

Физика − химиялық талдаудың негізгі мақсаты құрам – қасиет тәуелділігін құрастыру болып табылады, ол жалпы графикалық түрде Н.С. Курнаков заңдарында көрсетілген. Бұл тәуелділіктер тек шамамен сұлба түрінде берілген, сондықтан тәжірибеде дәлелдене бермейді. Өйткені, кейбір факторлар қатары ескерілмейді. Мысалы, түйіршік пішіні мен өлшемі, фазалардың өзара орланасуы, күйі және т.б. Дегенмен, физика−химиялық талдау және Н.С. Курнаковтың заңдары жаңа қорытпалар алуда, фазалық айналуларды зерттеуде кең қолданылады.

Қорытпалар теориясының синтезінде Б.Б. Гуляевтың құрастырған күй диаграммаларын қолданып «Негізгі металл - легірленген элемент», қорытпалардың қасиеттерін болжау арқылы қажетті қасиеттерді қамтамасыз етеді.

а) эвтетикалық күй диаграммасы;

б) төмен бағытталған перитектикалық күй диаграммасы (кемімелі);

в) Жоғары бағытталған перитектикалық күй диаграммасы (өспелі).

5.1 –сурет. Әр түрлі күй диаграммаларының критикалық нүктелері

Бұл есептiң шешiмi өлшемсiз параметрлер мен критерийлердің арасындағы тәуелдiлiкке негiзделедi, олар құрылымдары күрт өзгеруі кезінде күй диаграммаларымен және қорытпалардың шекті қасиеттерімен анықталады. Өтеплі параметрлерге күй диаграммаларының нүктелері мен сызықтары жатады:

- шекті ерігіштік сызығы;

- эвтектика, перитектика және монотектиканың концетрациялары;

- негізгі металдың балқу температурасы;

- эвтектикалық перитектикалық, монотектикалық (нонвариантты горизонталь) айналулардың температурасы;

- эвтектикалық горизонтальдың тереңдігі (негізгі компоненттің және эвтектиканың балқу температураларының айырмашылығы);

- перитектикалық айналудың түрлері - жоғарғы бағытталған (өспелісі) және төмен бағытталған (кемімелі) перитектикалар.

Легірлеуші элементтердің ерекше концетрациялары (сұйық және қатты күйінде ең жоғарғы ерігіштік, эвтектиканың, перитектиканың және монотектиканың концентрациялары) қорытпалардың негізгі эпайдалану және технологиялық қасиеттерін анықтайды.

Оларға келесі қасиеттер жатады:

- беріктік (деформацияға және қирауға қарсыласуы);

- илемділік (илемді деформацияға қабілеттілігі);

- термиялық өңдеумен беріктенуге икемділігі;

- ыстыққа сынғыштық (кристаллдану кезіндегі сызаттар);

- құю және кристалдану кезіндегі кеуектілікке икемділігі;

- сұйық аққыштық – балқыған металдың құйма пішінінің ішкі қуыстарын толығымен толтырып, құймалардың нобайларын келтіру.