1-7 тәжірибелік жұмыс ДЛЯ РАСПЕЧАТКИ1


Қазақстан республикасы білім жӘне ғылым министрлігі
Қ.И.Сәтбаев атындағы Қазақ ұлттық техникалық ЗЕРТТЕУ университеті
Ә.Бүркітбаев атындағы өнеркәсіптік инженерия институты
“Білдек жасау, материалтану және машина жасау өндірісінің технологиясы” кафедрасы
“БЕКІТЕМІН”
Институт директоры
____________ Ә.Т.Тұрдалиев
«____»______________2015 ж.
Cыздыкова Б.О., Дегтярева А.С., Джанысбаева Т.А.
«Материалдарды таңдау методологиясы» пәні бойынша
5В071000 «Материалтану және жаңа материалдар технологиясы» мамандығының бакалаврларына арналған
тәжірибелік жұмыстарына әдістемелік нұсқау
Алматы 2015
Сыздықова Б.О., Дегтярева А.С., Джанысбаева Т. А.
МАТЕРИАЛДАРДЫ ТАҢДАУ МЕТОДОЛОГИЯСЫ
5В071000 «Материалтану және жаңа материалдар технологиясы» мамандығының бакалаврларына арналған
тәжірибелік жұмыстарына әдістемелік нұсқау
Авторлық редакциямен шығады
Өнеркәсіптік инженерия институтының директорымен БЕКІТІЛДІ
Турдалиев А.Т. « » _____________20 г.
“Білдек жасау, материалтану және машина жасау өндірісінің технологиясы”
кафедрасының меңгерушісімен КЕЛІСІЛДІ
Сейткулов А.Р. «_____» __________ 2015 ж.
Басуға « _______» __________2015 ж. қол қойылды. Пішімі 60 x 84 1/16. Кітап-журнал қағазы. Көлемі ес.-б.т. Тапсырыс №
_________________________________________________________________________________
Қ.И. Сәтбаев атындағы баспа типографиясында басылған
Алматы қаласы, Ладыгин көшесі, 32
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.
1.4 Жұмысты орындау тәртібі
1.4.1 Қос күй диаграммаларының анықтамалық әдебиеттерінен сынып күрделілігі түрліше күй диаграммаларын табы [4-13].
1.4.2 Бірігу, түйіндесу, үйлесу, қосылу және қиылысуға жауап беретін күй диаграммаларының элементтерін оқшаулау.
1.4.3 Таңдалған жүйеде дамитын физика-химиялық айналулардың барлық түрлерін сипаттау.
1.4.4 Күй диаграммаларының критерийлерін санау.
1.4.5 Қорытпаның пайдалану және технологиялық қасиеттеріне легірлеуші элементтердің әсері жөнінде негізделген қорытынды жасау.
1.5 Есептің мазмұны
Жұмыстың мақсаты.
Жалпы мәліметтер.
Суреттер мен күй диаграммаларын сипаттау.
Жұмыс бойынша қорытынды.
Бақылау сұрақтары
1.6.1 Күй диаграммасы дегеніміз не?
1.6.2 Күй диаграммасының элементі дегеніміз не, оның шекаралары неден түзілген?
1.6.3 «Керемет» нүктелер дегеніміз не, олар нешеу?
1.6.4 Күй диаграммасының элементтерін қосудың қандай тәсілдері бар?
1.6.5 Қолданыстағы күй диаграммалары қандай топтар мен сыныптарға жіктеледі?
1.7 Ұсынылатын әдебиеттер
1.7.1 Аносов В.Я., Погодин С.А. Основные начала физико-химического анализа. М.-Л. ОНТИ, 1947.876 с.
1.7.2 Воздвиженский В.М. Прогноз двойных диаграмм состояния. М.: Металлургия, 1975. 223 с.
1.7.3 Гуляев Б.Б. Физико-химические основы синтеза сплавов. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1980. 192 с.
2 ТӘЖІРИБЕЛІК ЖҰМЫС
Берілген пайдалану жағдайлары үшін илемділік пен құнының шектеулі талаптарын ескеру арқылы конструкциялық материалдардың негізін таңдау
2.1 Жұмыстың мақсаты: құны минималды жағдайында беріктік пен илемділіктің берілген көрсеткіштерімен жұмыс істеуге қабілетті ерекше талаптарды ескере отырып конструкциялық қорытпаның негізін таңдау методикасын игеру.
2.2 Құралдар мен материалдар: негізгі компонент (темір, алюминий, никель, мыс, магний) ретінде қолдануға болатын таза металдардың механикалық қасиеттерді анықтамалық материалдары олардың негізіндегі таза металдар мен төменлегірленген қорытпалардың құнды биржалардың мәліметтері бойынша құны.
2.1 Жалпы мәліметтер
Қазіргі заманғы жіктеуі бойынша [1], кәдімгі орталарда (ауа атмосферасында) қалыпты температура мен пайдалану жағдайында белгілі жүктемеге қирамай шыдайтын материалдарға конструкциялық материалдар мен қорытпалар жатады. Қорытпа негізгі және легірлеуші компоненттерден құралады. Ол құрамына кіретін элементтердің әсерлесуінің өнімі. Қасиеттердің сипаты мен шамасын анықтайтын металл немесе металдар, әрдайым легірлеуші компоненттер немесе қоспалар болады. Олар қорытпаға оның құрылымы мен қасиеттерін басқару мақсатында арнайы енгізілген компоненттер.
2.1.1Материалды таңдау нысанасы
Материалды ұтымды таңдау – материалтанушылар мен конструкторлардың маңызды міндеті, өйткені машинаның сенімділігі, тиімділігі, үнемділігі бір жағынан оның конструкциясына, ал екінші жағынан оның тетіктеріне қажет материалын дұрыс даңдауына байланысты болады.
Қазіргі таңда оңтайлы материалды таңдаудың бірыңғай методикасы жоқ, жарамды материалды таңдаудың дара (жекеленген) ғана ұсыныстары бар. Жеке жағдайларда түрлі тетіктердің тағайындалуына байланысты әдеттегі материалдар қолданылады. Дегенмен, жалпы жағдайлар бар, оларды келесідей етіп тұжырымдауға болады - егер материал негізгі үш талаптарға жауап берсе, онда оны дұрыс таңдалған деп санауға болады:
пайдалану сенімділігі – σВ шамасымен қамтамасыз етіледі;
технологиялылық – δ салыстырмалы деформациямен бақыланады;
үнемділік – өндірістің пайдалылығын анықтайды.
Материалдың жұмыс істеу қабілеттілігі басты талаптардың бірі болып саналады. Пайдалану сенімділігі, материалдың бекітілген шектеу мен қажетті уақыт аралығында өзінің тағайындалған немесе шартты жұмысын сол кезеңде тоқтаусыз қаматамасыз ету қабілеті. Әрбір нақты жағдайда, сенімділіктің басты сипаттамасы оның негізгі пайдалану шартымен анықталады. Серіппелер үшін – шыдамдылық шегі, себебі олар ұзақ уақыт бойы ауысымды жүктеме жағдайында жұмыс атқарады. Мойынтіректер үшін қажуға төзімділік аса маңызды, ал газ турбиналарының күрекшелері үшін – ыстыққа беріктік және т.с.с. Бұл талаптардан басқа материалдардың қасиет көрсеткіштері бірнеше талаптарға сай болу қажет, бірақ әрбір жеке материалдың шектеуші қасиеттері басыңқы болу қажет.
Материалға қойылатын екінші талап – оның технологиялылығы, демек материалдың қандайда бір тәсілдермен өңделуге жарамдыллығы. Пішімі күрделі тетіктерді алудың ең арзан тәсілі – құю. Сондықтан отыру, сұйықаққыштық, балқу температурасы, жанғыштық және т.б. қасиеттерін ескере отырып жақсы құю қасиеттеріне ие металды таңдау керек. Егер пайдалану қасиеттері құюды пайдалануды керек етпесе, демек қысыммен өңделетін материал жеткілікті мөлшерде соғылуға икемді салқын және ыстық күйінде икемді болу керек. Сонымен қатар түйіршіктің мұрагерлігі мен қызусынғыштығы ескерілу керек.
Пісіруді қолданған кезде қалыптаулықпен қатар пісірілгіштік те технологиялық қаситтердің басты біреуі болып саналады, демек жарықшасыз, көп мөлшерде қалдық кернеусіз және басқа да ақауларсыз берік тігіс түзу бейімділігі. Тетікті кесумен дайындағанда лайықты материал қажет, ол құрал-сайманның жылдам тозуын болдырмау және сынғыш жоңқа түзу арқылы беткі қабаттың тазалығын қамтамасыз ету керек.
Өндірістің экономикасы көп жағдайларда, шешуші рөл атқарады. Материалды таңдағанда, оның құнының арзанын іздеу қажет. Бірақ көп жағдайларда өнімнің өзіндік құны дайындау және өңдеу технологиясына байланысты болады. Сонымен, тиімді материалды таңдау пайдалану сенімділігі және технологиялылықпен тығыз байланыста экономикалық сипаттамаларды есептеуге негізделу керек.
Эксплуатациялық сенімділік пен технологиялығы, материалдың экономикалық талаптарына сай бағасы қарастырылу керек.
2.1.2 Конструкциялық қорытпалардың негізгі таңдау алгоритмі
Қорытпаның негізгі компоненттерін келесі негізгі талаптар бойынша таңдау:
Конструкциялық қорытпаның негізін таңдау келесі талаптарға байланысты: 1) уақытша кедергі σВ ≥ 10 МПа; 2) салыстырмалы ұзару –δ ≥ 5%; 3) қосымша талап – тығыздығы маңызды емес; 4) бағасы арзан (минималды –Б→min) болу қажет.
кестеде тапсырманы орындау мысалы келтірілген.
Кесте 1.1 - конструкциялық қорытпалардың негізін таңдау
Талаптар Элемент *Элементтер саны
H…………………………………………Ku 104
σВ≥10 МПа Li…………………………………….Ku 80
δ≥5% Li…………………………….U 50
Баға - ш.б.
≤10000≥1000 Sc, Ru, Pd, Eu, Gd, Tb, Yb, Lu,
Hf, Re, Os, Pt, Au 13
≤1000≥100 Be, Ga, Y, Ag, Pr, Nd, Dy, Ta, Th 9
≤100≥10 Li, V, Sr, Zr, Nb, Mo, Cd, Sn, Ba,
La, W, Bi, U, Ce 14
≤10≥1 Ca, Ti, Ni 3
≤1,0≥0,2 Mg, Al, Cu, Zn, Pb 5
≤0,2 Fe 1
* – беріктік, илемділік және баға талаптарын қанағаттандыратын элементтер саны
Есептің шартына сәйкес алынған анализ нәтижелері келесі сұлба бойынша орындалады :
104 – Д.И.Менделеев кестесіндегі элементтердің жалпы саны;
80 - газдар мен сынапты алып тастағаннан кейін элементтердің саны;
50 - беріктік пен илемділік талаптарын қанағаттандыратын элементтер саны;
13 - өте қымбат элементтер саны;
9 – жеткілікті қымбат элеметтер саны;
14 - қымбат тұратын элементтер саны;
3 - қымбат элементтердің саны
5 – қымбат емес элементтердің саны;
1 - арзан элементтердің саны.
Қорытынды: кез- келген элементті конструкциялық материалдың негізі ретінде қолдану үшін (темірден басқа) қорытпа арнайы және ерекше талаптарды қанағаттандыруы қажет.
2.2 Жұмыстың орындалу тәртiбi
2.2.1 Есептеу бөлімі
Конструкциялық қорытпаның негізгі компонентін келесі талаптар бойынша таңдау(кесте 1.2):
Кесте –1.2. Қорытпаның негізін анықтауға қажетті мәлімет
Вариант Уақытша кедергі σВ, МПа Салыстырмалы ұзару δ,% Тығыздық Баға
1 ≥ 200 ≥ 0,5 ≈7,0 – 9,0 мин.
2 ≥ 500 ≥ 0,5 м/ж * м/ж
3 ≥ 100 ≥ 1,0 мин.** мин.
4 ≥ 50 ≥ 2,0 м/ж м/ж
5 ≥ 100 ≤ 500 ≥ 1,0 м/ж мин.
* м/ж –мағынасы жоқ; **мин. – минималды
Беріктік және илемділік қасиеттері туралы ақпарат анықтамалық әдебиет тізімінде [2, 3] келтірілген. Жұмысты орындау уақытында тауарлар бағасы қор биржаларының сауда нәтижелері бойынша анықталады [5].
2.2.2 Есепті шешу
Қорытпаның негізін таңдау үшін бағаны Д.И.Менделеев кестесін толық қарастырыпбағасын төмендету.
2.2.2.1 Нәтижені рәсімдеу
2.2.2.2 Кестесіне сәйкес есептің шешімін кесте түрінде рәсімдеу.
2.3 Есептің мазмұны
2.3.1 Жұмыстың мақсаты
2.3.2 Жалпы мәлімет
2.3.3 Алынған нәтижелерді талдау
2.3.4 Марганецтің, кремнийдің, никелдің, молибденнің, вольфрамның және хромның ферриттің қаттылығына, соққы тұтқырлығына және суыққа сынғыштық шегіне әсерін қарастыру.
2.4 Жұмыс бойынша қорытынды
Қорытындыны рәсімдегенде легірлеуші элементтердің ферриттің беріктенуіне ісері жөніндегі мәліметті қолдану
2.5 Бақылау сұрақтары
2.5.1 Материалды таңдауда қандай талаптарды ескеру қажет?
2.5.2 Пайдалану сенімділігі дегеніміз не?
2.5.3 Материалдың технологиялылығы қандай орын алады?
2.5.4 Материалды таңдауда экономикалық сипаттамалар қандай орын алады?
2.5.5 Қорытпаның негізін таңдауда қандай талаптар негізгі, ал қандай талаптар шектеуші болып табылады?
ТӘЖІРИБЕЛІК ЖҰМЫС 3
БЕРІЛГЕН ПАЙДАЛАНУ ТЕМПЕРАТУРА АРАЛЫҒЫНДА ЫСТЫҚҚА БЕРІК ҚОРЫТПАНЫҢ НЕГІЗІН ТАҢДАУ
3.1 Жұмыстың мақсаты: Қорытпалардың ыстыққа беріктік табиғаты жөнінде негізгі мәліметтер алу және олардың жоғары температураларда ерекшеліктерінің бағыты. Мақсат қойып таңдалған ыстыққа берік қорытпаның негізін таңдау әдістемесін игеру.
3.2 Жабдықтар мен материалдар: Таза металдардың балқу температуралары жөнінде анықтамалық мәліметтер. Калькулятор, сызғыш және миллиметрлі қағаз.
3.3 Жалпы мәліметтер
Ыстыққа берік материалдар деп жоғары температураларда пайдалану кезеңінде жоғары механикалық қасиеттерді сақтап қалу бейімділігі. Ыстыққа беріктік дегеніміз конструкциялық материалдардың (негізінен металды) жоғары температураларда ұзақ уақыт бойы қирамай және елеулі деформацияға ұшырамай механикалық жүктемелерге тозуға қасиеті.
Ыстыққа беріктіктің ерекше өзгешелігі төмендегідей болады:
1) Котрелл белгілегендей, макроскопиялық ағу шегінен төмен, статистикалық жүктемелеу кезінде жылжыпсырғымалылық құбылысының дамуы σт деформация жылдамдығына байланысты функционалды байланысқа сәйкес болады:
σт = k (έ)n (3. 1),
мұндағы, έ – деформация жылдамдығы;
k, n – материалдаың беріктігіне байланысты константалары.
2) пайдалану температурасы мен жүктемені түсіру ұзақтығын қирау кернеуінің қатты тәуелділігі (3.1, 3.2 суреттер). Жүктеме артқан сайын, берілген уақыттағы оның қимылынан қирау кернеуі төмен (3.1 сурет). Жылдам сынаулар нәтижесінде материалдың қирауын туғызатын кернеу жүктеме ұзақ әсер еткендегіден жоғары болуы мүмкін (3.2 сурет).

Сурет 3.1 – Сынау ұзақтығына байланысты материалдардың қирауға қарсыласу байланысы. Сурет 3.2 – Темірдің сынау температурасына байланысты уақытша қарсыласғау байланысы.
Кәдімгі (төментемпературалы) беріктік пен ыстыққа беріктіктің белгілі ұқсастығына қарамастан, олардың арасында маңызды айырмашылықтары да бар. Негізгісі – жоғары температураның әсері нәтижесінде жылумен кеңею, диффузиялы үдерістердің белсенді болуы және мүмкін болатын реккристаллизацияның дамуынан термиялық беріксіздену.
Термиялық беріксізденумен нақты күресу жолы болып қиынбалқитын металдар негізінде жоғарылегірленген қорытпаларды алу болып саналады, өйткені рекристалдану, балқу және легірлеу дәрежесінің арасында келесідей байланыс бар:
Тр = α(с%)·Тб.,
мұндағы, α – легірлеуші элементтің мөлшеріне (с%) байланысты коэффициент:
өте таза металдар үшін α·~ 0,2;
техникалық металдар үшін α·~ 0,2-0,3;
төмен легірленген қорытпалар үшін α·~ 0,3-0,4;
орташа легірленген қорытпалар үшін α·~ 0,5-0,6;
жоғары легірленген қорытпалар үшін α·~ 0,7-0,8.

Ыстыққа берік қорытпаларды алу тәжірибесінің нәтижесі бойынша температураның материалдың илемді деформацияға және қирауға қарсыласу механизміне әсерімен байланысты, әсіресе диффузиялы жылжыпсырғымалылық дамыған кездегі 0,5-0,6 Тб артық температурада. Осы сепептен ыстыққа берік қорытпалардың негізін дұрыс таңдауда ерекше қатаң талаптар қойылады. Құрылымды-фазалық тұрақтылықты [1] сақтаудың жалпы қағидаларына сәйкес, негізгі компонент ретінде келесі сипаттамаларға сәйкес металл қолданылуы мүмкін:
Балқу температурасы жоғары.
Қыздыру кезіндегі ұлғаю коэффициентінің төмен болуы.
Жағына шоғырланған текше тор.
Концентрациялы қатты ерітінділердің түзілу мүмкіндігінің жоғары болуы.
Полиморфты түрленудің болмауы.
Ыстыққа берік қорытпаның негізін таңдауда пайдалану температурасын, берілген кернеу шамасын және жүктеме астында жұмыс істеу ұзақтығын таңдау негізгі мағынасы болып саналады. Мысал ретінде таңдау тәсілі келтірілген, ол жағдайда анықтаушы фактор ретінде жұмыс температурасы таңдалған.
3.4 Тәжірибелік жұмысты орындау мысалы
Жұмысты орындаудың негізі болып алғаш рет қорытпалардың физика-химиялық синтезін жазған Б.Б. Гуляевым [2] және қиын балқитын металдардың қасиеттері жөнінде анықтамалық мәліметтер саналады [3].
Тапсырма: 850 - 1750°С температура аралығында жұмыс істеуге қабілетті ыстыққа берік қорытпалардың негізгі компоненттерін таңдау талап етіледі. Балқу температурасынан басқа шектеуші фактор ретінде радиацияға және жемірілуге берік, сонымен қатар бағасы да саналады.
Шешуі: ыстыққа берік қорытпалардың жұмыс температурасы шамамен келесі қатынастан есептеледі:
Тж.= 0,6·Тб. (3.2)

Балқу температурасы 850°С тең негізгі металдікі ≈1320°С, ал 1750°С – ≈ 2920°С. Айырмасы 500°С тең етіп барлық жарамды температуралар аралығын беске бөлеміз (кесте 3.1). бар мәліметтерден қандай да бір шектеуші параметрге қанағаттандырмайтын металдарды біртіндеп шығарып тастау керек.
Есепті шешудің алгоритмі:
Әр металл тобының жұмыс температураларын есептеу.
Қажетті балқу температурасына ие металдар тізімі.
Негізгі металдың құны бойынша шектеуге есеп жүргізу.
Радиоактивті элементтерді жарамсыз деп тану.
Илемді және жемірілуге берік металдардың есебін жүргізу.
Әр топтан ең арзанын таңдау.
Анализ:
850-1750°С пайдалану температуралық аралығында трансуранды металдар мен лантаноидтарды қосқанда 39 элемент жұмыс істеуге бейім.
Қиын балқитын металдардың ішінде бағасы ≤100 ш.б. ие және радиоактивті емес
тек қана 13.
Қалғандарынан C, B, Si, Ti өте морт болып саналады және Fe жоғары
температураларда жылдам тотығады.
Оларды сұрыптаудан кейін 8 металл қалады.
Әр топта ең төменгі бағаны ескерсек бір металдан қалады.
Қорытынды: есептің талаптарын тек қана бес металл қанағаттандырады– олар W, Mo, Nb, Cr, Ni. Кейбір жағдайларда, мысалы, илемділік пен бағаны ескермегенде C, Ta, B, Zr, Pt, және Co-та қолданылуы мүмкін..
Кесте 3.1- Ыстыққа берік қорытпаның негізін таңдау
Температуралар бойынша топтар, °С >3000 <3000
>2500 <2500
>2000 <2000
>1600 <1600>1320
Жұмыс температуралары, °С 1750 1500 1200 1000 800
Берілген балқу температурасына ие элементтер C
W
Re Ta
Os
Mo
Ru Nb Ir
B
Hf Tc Rh V Cr
Zr Pt Th
Ti Lu Pd Fe Co Ni Sc Y Si
Tm Er Ho Dy Tb
Pa Es Tm Me No Lr Ku
100ш.б. арзан және радиоактивті емес C W Mo Nb B V Cr Zr Fe Co Ni Si
Жоғары температураларда илемді және жемірілуге тұрақты W Mo Nb V Cr Zr Co Ni
Берілген температуралық топта өте арзандары W Mo Nb Cr Ni

3.5 Жұмысты орындау тәртібі
3.5.1 Келесі температураларда жұмыс істеуге қабілетті қорытпалардың негізін таңдау талап етіледі (кесте 3.2). Ауа атмосферасында жемірілуге тұрақтылық және баға шектеуші факторлар болып саналады.
Кесте3.2 – Ыстыққа бері қорытпаның негізін таңдауда бастапқы мәліметтер
Нұсқа Жұмыс температураларының аралығы, °С Ыстыққа тұрақтылық, °С Баға , тг
1 1500…1750 Мәнге ие емес мин.*
2 1200…1500 Мәнге ие емес Мәнге ие емес **
3 1000…1250 Берілген аралықта Мәнге ие емес
4 850…1000 Берілген аралықта Мәнге ие емес
5 650…800 Мәнге ие емес мин.
6 450…600 Мәнге ие емес Мәнге ие емес
7 350…500 Мәнге ие емес мин.
* – минималды баға; ** – баға мәнге ие емес.
3.5.2 Келтірілген мысалға сәйкес пайдалану аралығында жемірілу қасиеттерін ескеріп ыстыққа берік қорытпаның негізін таңдау.
3.6 Есептің мазмұны
3.6.1 Жұмыстың мақсаты
3.6.2 Жалпы мәліметтер
3.6.3 Жұмыстың мәліметтерін кесте түрінде рәсімдеу (кесте 3.2)
3.6.4 Келтірілген алгоритмге сәйкес жұмысқа талдау және қорытынды жасау.
3.7 Бақылау сұрақтары
3.7.1 Ыстыққа беріктік дегеніміз не?
3.7.2 Ыстыөөа берік қорытпаның негізіне қандай талаптар қойылады?
3.7.3 Ыстыққа беріктіктің беріктіктен негізгі айырмашылығы неде?
3.7.4 Ыстыққа берік қорытпалардың пайдалану температурасы қалай анықталады?
3.7.5 Рекристалдану температурасы қорытпаның балқу температурасымен қалай байланысты?
3.8 Ұсынылатын әдебиеттер
1 Арзамасов Б.Н., Крашенинников А.И., Пастухова Ж.П., Рахштадт А.Г. Научные основы материаловедения. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994. 366 с.
2. Гуляев Б.Б. Физико-химические основы синтеза сплавов. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1980. 192 с.
3 Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник /Под ред. А.Т. Туманова и К.И. Портного М.: Машиностроение, 1967. 392 с.
№ 4 тәжірибелік жұмыс
АЛЮМИНИЙ НЕГІЗІНДЕГІ ЕКІ ЖҮЙЕЛІ КҮЙ ДИАГРАММАСЫНЫҢ КРИТЕРИЙЛЕРІН АНЫҚТАУ.
ЛЕГІРЛЕУ КЕШЕНІН ТАҢДАУ
4.1 Жұмыстың мақсаты: Легірленген элементтерді және алюминий мысалы ретінде легірленген жүйені дағдылау және болжамды қасиеттері бар конструкциялық материалдарды жалпы әдіснама бойынша қорытпа синтезін физика-химиялық негізде әзірлеу.

4.2 Материлдар және құрылғылар: екі жүйелі күй диаграммасының, механикалық және физикалық қасиеттері туралы анықтамалық материалдар.

4.3 Жалпы ақпараттар
Н.С.Курнаков заңында графикалық түрде көрсетілгендей, физика-химиялық талдаудың тікелей классикалық міндеті құрам-қасиет тәуелділігін салу болып табылады (4.1-сурет). Эвтектикалық қорытпалардың құю қасиеттеріне арналған сипаттамалық тәуелділіктер 4.2-суретте келтірілген қисық түрінде сипатталады.

4.1-сурет. Қорытпа қасиеттері мен күй диаграмма қасиеттерінің (Н.С.Курнаков бойынша) арасындағы байланыс 4.2-сурет. Механикалық және эвтектикалық түрдегі қорытпаның құю қасиеті
Келтірілген тәуелділіктерде қорытпа қасиетінің өзгеруі күй диаграммасынан тек жақындатылған схема бойынша ажыратылады, бірақ ол туралы ақпарат көзі көп және жаңа қорытпаларды жасауда кеңінен қолданылады. Б.Б.Гуляевтің әзірлеген қорытпалар синтезі теориясында кері мәселе шешіледі – күй диаграммасы бойынша қорытпа қасиетін «негізгі металл – легірлеуші элемент» деп болжау, қажетті қасиетке қол жеткізуді қамтамасыз етеді. 4.7-суретте схемалық түрде қорытпа синтезі теориясындағы критерийлерді есептеу үшін пайдаланылатын бинарлы жүйенің күй диаграммасы көрсетілген, осы арқылы дамыған материалдың механикалық және технологиялық қасиетін болжауға болады. Олардың әрқайсысының физикалық мағынасы және оптималды мәні Б.Б.Гуляевтің [1, 2] басылымында анықталған.
Бұл тапсырмасының шешімі күй диаграммасын анықтауда өлшемсіз параметр-критерий арасындағы қарым-қатынасқа, критикалық концентрация және температура кезінде шекті қорытпаның қасиетіне байланысты анықталады.
Критикалық параметрлерге келесі нүктелер мен күй диаграмма сызықтары жатады:
еру шегінің сызығы;
эвтектика, перитектика, монотектиканың концентрациясы;
негізгі металдың балқу температурасы;
эвтектика, перитектика, монотектиканың өзгеру температурасы (нонвариантты горизонтальды);
эвтектикалық горизонтальдың тереңдігі (негізгі компонент пен эвтектикалық балқу температура арасындағы айырмашылық);
перитектикалық өзгеру түрі - перитектиканың жоғарғы (төменгі) және төменгі (төменгі ағыс) болып бөлінеді.
Со
Ср
Сэ
Сс
С
Тс
Тэ
Т
То
О
a
b
c
e
f
g
d
h
а
Т
С
a
b
c
d
О
в
Т
С
a
b
c
d
О
f
б


а) эвтектикалық күй диаграмма;
б) перитектикалық күй диаграмма (кемуі бойынша);
в) перитектикалық күй диаграмма (өсуі бойынша)
4.3-сурет Әр түрлі күй диаграммаларының критикалық нүктелері

Критикалық концентрацияның легірленген элементін (монотектика, перитектика, эвтектиканың концентрациясы, сұйық және қатты күйде барынша еруі) негізгі эксплуатациялық беріктік, ыстыққа төзімділік және технологиялық қасиет бойынша – илемділік, бу түзуге бейімділігі, теориялық және практикалық сұйықаққыштық анықтайды.
Температура менконцентрация критерий санын ескере отырып, 7 критерий ұсынылады:
ерігіштігі және қатаюы α = cd;
теориялық сұйықаққыштық β = bd;
технологиялық илемділік немесе бөлу ω = cd/bd;
термиялық өңдеу γ = cf/hg;
температура немесе ыстыққа төзімділігі τ = od/oa;
бу түзілуі δ = ad/cd;
практикалық сұйықаққыштығы λ = ad/bd.
4.4 Тәжірибелік бөлім
Екілік алюминий қорытпалары мысалында күй диаграммасының критерийін есептеу бойынша практикалық жұмысты жасау реті алдын-ала берілген деңгейдің қасиеттерін қалыптастыру үшін оңтайлы легірленген элементті таңдау көрсетілген.
4.4.1 Қорытпаны синтездеу тапсырмасы
Қорытпаларды синтездеу тапсырмасын жалпы былайша тұжырымдауға болады:
Берілгені: Д.И.Менделеев периодтық жүйесіндегі элементтер және олардың қасиеттері туралы, соның ішінде техникалық-экологиялық сипаттамалары туралы барлық қажетті ақпараттар.
Шарттары: Қазір жасалып жатқан қорытпа жиынтық қасиеттерге ие. Олар 3 санатқа бөлінеді.
Тиімді мәнде басты қасиеттердің болуы (беріктік, икемділік, ыстыққа төзімділік, сұйықаққыштық, қышқылға тұрақтылық, баға және т.б.).
Шектелген немесе шектелмеген қасиеттер – мәні берілген мәннен аз емес (көп емес) қасиеттер тобы (соққы тұтқырлығы, тапшы элементтер мазмұны, суыққа тұрақтылық, улылығы және т.б.).
«Табиғи» қасиеттер – нақты өндірістік жағдайларда жоғары жүктеме кезінде технологиялық және пайдалану қасиеттері.
Талап етіледі: белгіленген шарттарда және термиялық өңдеу кезінде режим сақталуын қамтамасыз ету, оның қорытпасының оңтайлы құрамын табу.
Қорытпаның синтездеу мәселесі келесі сұраққа жауап беруі тиіс:
- Белгілі бір қасиеттерге ие болу үшін қорытпаның құрамы қандай болу керек?
Эвтектикалық және перитектикалық күй диаграммалардың критерийлерін жүйелендіру негізінде өлшемдерді пайдалану тәртібі жұмысының бір бөлігі қаралады. Осы нәтижелер негізінде құйма және деформацияланатын қорытпаларға қоспа құрамын таңдау бойынша оңтайландырылу жүргізілуі тиіс және берілген қасиеттерді қамтамасыз ететін легірлеуші элементтердің негізгі және қосымша сыныбы анықталуы тиіс.
4.4.2 Күй диаграммасының критерийін есептеу
Алюминий аллотропиялық өзгеріске ұшырамайды және нашар еритін (ешқандай элементпен үздіксіз ерітінді түзе алмайды) элемент болып табылады. Ол күй диаграммада жоғарғы перитектиканың бастапқы учаскесінде он бір қиын балқитын элемент қалыптастырады. Бұл элементтерге Ti, V, Сг, Zr, Nb, Мо, W, Re, Hf, Та, Тc жатады. Қалған 83 элементпен эвтектика және монотектика қалыптастырады.
4.4 – 4.12 суреттерінде екі жүйелі алюминий – легірленген элемент [3, 4] күй диаграммасы үшін тиісті критерийлердің (4.1-кесте) бағасы келтірілген.
1) Негізгі легірлеуші қоспалар. Осы топтың қол жетімді эксперименттері үшін деректер негізінде біз α ≥ 0,75 ω ≥ 0,05 аламыз. Бұл шартқа 9 элемент сәйкес келеді. Соынмен қатар γ термиялық өңдеу қорытпасын беріктендіру қабілетін қоса отырып, басқа да критерийлерді бағалауға болады.
Дегенмен мырыш бұл қатарда бірінші орында тұрса да, бірақ нәтижесінде монотектикалық түрлену кезінде күй диаграмманың екінші қабатында ол еру механизмі арқылы да, термиялық өңдеу арқылы да ең мықты беріктендіргіш бола алмайды. Екінші элемент – күміс – алюминиймен үздік қоспалаушы элемент, бірақ ол тапшы және қымбат, сондықтан ол арнайы жағдайларда ғана пайдаланылады.
4.1 – кесте Алюминий негізіндегі қорытпалардың күй диаграмма критерийлері
Кри-терий Al Zn Ag Mg Li Ga Ge Cu Si Mn
Α 66,5 23,8 18,9 10,75 8,8 2,8 2,5 1,59 0,76
Ω 1,00 0,75 0,63 0,50 0,38 0,89 0,093 0,14 0,19 0,77
Γ 0,83 0,58 0,57 0,68 0,98 0,97 0,87 0,98 0,96
Λ 0 3,1 5,3 6,5 7,3 1,5
ΔH 400 83 143 40 210 92
Δ 0 4,2 107 45 52 2,2
Τ 1,00 0,70 0,77 0,88 0,91 0,99
Сол себепті литий, галлий және германийді ірі қоспалаушы толықтырулар ретінде қарастыруға болмайды. Мыс және әсіресе магний термиялық өңдеуден (және де ерітінді арқылы) кейін беріктенетін элемент болып табылады. Ал кремний мен марганец термиялық өңдеуден кейін беріктенетін элемент болып саналмайды, бірақ басқа қорытпа қасиеттеріне ықпалы ерекше.
Осылайша, алюминийдің негізгі қоспа элементтері мына қатардан тұрады:
Mg, Cu, Zn, Si, Mn.
2) Қосымша легірлеуші қоспалар. Бұл топ элементтеріне мыналарды қабылдауға болады: α = 0,01 ÷ 0,75; ω ≥ 0,05. Бұл шартқа 22 элемент сәйкес келеді. Оларды келесі топтарға бөлуге болады:
а) Пластификаторлар. Бұл топқа алюминийде нашар еритін (0,1 % шамасында) және таралу критерийлері бірге жақын элементтер жатады. Олар беріктікке айтарлықтай әсер етпейді, бірақ икемділікті арттыруы мүмкін. Осы топтың қымбат емес қоспаларына мыналар жатады:
Ti, Zr, Cr, Мо, V, Nb.
Осылардың арқасында титан және цирконий ең тиімді және жиі пайдаланылады.
б) Қосымша нығайтулар. Бұл элементтер аса қымбат бағаға ие және арнайы жағдайларда ғана қосымша беріктендіру үшін пайдаланылуы мүмкін. Германий тиімді беріктендіргіш болып табылады. Бериллий сұйық күйде және солидусқа жақын, қызу кезінде шынықтыру температурасында тотығудан сақтану үшін енгізілген. Литий термиялық өңдеуден кейін беріктендіру ретінде өте жеңіл және тиімді болып табылады. Бұл топқа мыналар жатады:
Ge, Ве, Li.
в) Алюминий модификаторлары. Жоғары нәтижеге қол жеткізу үшін қорытпаның негізі – алюминий элементі сұйық алюминийде β = 0,2 ÷ 0,6 ерігіштік қасиеті төмен және таралу критерийі ω = 0,2 ÷ 0,05 төмен болуы керек (4.2-кесте).
4.2-кесте. Өзгеру әсерін бағалау үшін алюминий қорытпасының күй диаграмма критерийлері
Крите-рий Ca Cd Sb Bi B Sr
Β 0,56 0,46 0,44 0,40 0,33 0,20
Ω 0,071 0,052 0,167 0,050 0,075 0,050
Бұл қоспалар алюминий еру кристалдарының өсу шегінде жиналып, олардың өсуін тежеп, түйіршікке дейін ұсақтау керек. Сонымен бұл топқа мыналарды жатқызамыз:
Са, Cd, Sb, Bi, В, Sr.
3) Зиянды қоспалар. Зиянды қоспалар төмен таралу критерийіне ω < 0,05 және алюминийдің өзінде төмен ерігіштік қасиетке ие. Бұл санатқа кем дегенде 12 элемент кіреді. Олардың ең зиянды және үнемі алюминий қорытпаларында кездесетін элемент темір табылады. Ni, Со, Sn, In, As жиі кездескенімен, айтарлықтай зиянды әсер келтіреді. Сонымен қатар, бұл топқа оттегі және сутегі газдары кіреді. Олар бар болғаны 8 элементтен тұрады:
Fe, Ni, Со, Sn, In, As, О, Н.
Қалған элементтер бейтарап болып табылады; олар алюминиймен әрекеттеспейді деп айтуға болады.
Технологиялық қасиетке қоспаның әсерін көрінетін мөлшерде ғана, яғни негізгі легірлеуші қоспа ретінде қосқанда қарастыру керек (4.3-кесте). Критерий мәні, олардың технологиялық қасиетке деген ықпалын бағалау төменде қарастырылған.
Барлық элементтер λ критерий бойынша сұйықаққыштықты арттыратынын көрсетті. Бұл жерде кремнийдің әсері қарқынды болады. Нақты әсер көрсету үшін, өте аз мөлшерде қосылған титанның сұйықаққыштығын төмендетуге болады.
4.3 – кесте. Технологиялық қасиеттерді бағалау үшін күй диаграмма критерийлері
Критерийлер Al Mg Cu Zn Si Mn
λ
ΔH
δ
ω
τ 0
400
0
1,00
1,00 5,3
143
107
0,50
0,77 6,5
40
45
0,14
0,88 3,1
83
4,2
0,75
0,70 7,3
210
52
0,13
0,91 1,5
92,
2,2
0,77
0,99
Магнийді қоспағанда, барлық басқа элементтер оксидке әсер етпейді, сондықтан алюминий тұрақты Аl2О3 оксидін қалыптастырады.
Магний, кремний және мыс δ критерийдің кеуектілігін арттыруға үлесін қосады. Ал ω критерийінде икемділік қасиеті төмендеп, магний, кремний және мыста жарықтың пайда болуына әкеледі. τ эвтектикада магний, мыс және мырыш төмен температураға ие.
Осылайша, алюминий қорытпасымен өзара әрекеттесетін мыс, магний және кремнийдің технологиялық қасиеттері азаюы мүмкін.
Бірінші түрленудің температурасын көтеретін немесе төмендетпейтін элементтерге, яғни алюминий қорытпаларының ыстыққа беріктігін арттыру үшін кремний, марганец және мысқа темір, никель және хром қосуға болады. Бұл жағдайда зиянды қоспалар мырыш, қалайы, қорғасын болады.
4.4.3 Алюминий қорытпаларының легірлеуші кешендерін таңдау
Алюминий қорытпаларын кешенді легірлеу монолегірлеуге қарағанда көп кездеседі. Мысалы, стандартты құйма қорытпаларында 25 немесе 78%-дан 18 кешінді легірленген қорытпа бар (салмағы 0,3%-дан кем мөлшерде қоспа қосылса, ескерілмейді). Бір элементтің қоспалары 28 % қорытпаларда бар, екі элементтің қоспасы 12% қорытпада, үш элементтің қоспалары 16% қорытпаларда, төрт элементтің қоспалары 28% қорытпаларда, бес элементтің қоспасы 12 % қорытпаларда, алты элементтің қоспалары 4 % қорытпаларда бар.
Төрт немесе оданда көп, ең көп таралған элементтердің барлық мүмкін дерлік комбинациялары стандартты қорытпалар арасында теңдей бөлінген. Si, Mg, Mg+Si (72 %) – қорытпалардың ең көп таралғаны. Шынында да, 7% бен 13% арасында кремнийдің болуы, алюминий құйма қорытпадан-силумин, ал 5%-дан 11,5% магний болуы – магналии тобын құрайды. Біріншісі сұйықаққыштық шамасына қарай технологиялық қасиетке жатады, бірақ эвтектикалық қорытпада икемділігі аз; екіншісі – жоғары беріктік пен коррозияға қарсы төзімділігі бар қорытпаға, бірақ аз технологиялық қатты ерітіндіге жатады.
Силуминдердің созымдылығының төменділігі кремнийдің көп мөлшерде бөлінуімен анықталады. Оларға кремнийді модифицирлеу үшін, қорытпаға кремнийдің өзінде (ωSi = 5·105 ÷ 5·103) таралу критерийі төмен және сұйық алюминийде шекті ерігіштік қасиетке (βAl = 1 ÷ 0,01) ие элементтер қосылуы керек. Ондай модификаторларға мына элементтер жатады:
Na, К, Ва, Bi, Рb, S.
Осылардың арасында Na, K соңғы кезге дейін ерекше жағдайларда ғана пайдаланылды, бірақ қазір басқа элементтермен бірге көзге ілінуде.
Деформацияланған алюминий қорытпалары арасында қоспа ретінде кремнийді қолданыста таппайды, өйткені ол алюминиймен әрекеттескенде эвтектика қысыммен өңдеуді жояды. Деформацияланатын қорытпалардың арасында көп таралғаны Cu+Mg+Mn легірлеуші кешені, ол дюралюминге, соғу қорытпаларына тән және шынықтыру мен ескіруден кейінгі механикалық қасиетті қамтамасыз етеді.

4.4.4 Алынған нәтижелерді талдау
Алынған нәтижелерді талдау барысында алюминий үшін легірлеуші элементтерді таңдауда көбіне беріктікті магний қамтамасыз ететіндігі көрсетілді, себебі оған беріктіктің екі механизмі тән – α (18,9) критерийі үшін қатты ерітінді, термиялық өңдеу көмегімен γ = 0,57. Жоғары технологиялық икемділікке және ыстыққа төзімділікке Al-Mn қорытпа жүйесі тән, себебі ω және τ өлшемдері ең маңызды болып табылады, тиісінше олардың мәндері – 0,77 мен 0,99. Сонымен қатар, δ критерийі минималды болғандықтан, кеуектілік әлсіз дамыған. Алайда олар алюминий-магний қорытпалары сияқты беріктенетін термиялық өңдеуден өткен жоқ: олар үшін γ =0,57 орнына 0,96.
λ критерийіне сәйкес максималды сұйықаққыштыққа Al-Si қорытпа жүйесі тән, оның (λ критерийі) мәні басқа қарастырған легірленге қоспаларға қарағанда көп, 6,5 орнына 7,3, мыста және магнийде – 5,3. Силуминдер жеткілікті жоғары ыстыққа беріктікке τ=0,91 ие, бірақ әрине марганецке қарағанда аздау. Олардың негізгі кемшілігі төмен технологиялық икемділік қасиеті болып саналады - ω=0,13, 0,77 – марганецте және 0,50 – магнийде және термиялық беріктік болмауы γ=0,98 тең.
Жоғарыда қарастырылғандарды ескере отырып, негізгі деформацияланатын қорытпаларға, термиялық өңдеуге ұшырамаған қорытпаға Al-Mn жүйесі жатады, ал термиялық беріктенетінге – Al-Mg, құйма қорытпасына – Al-Si жатады. Бұл нәтижелер бізге өте жақсы белгілі, олардың мәні Б.Б.Гуляев ұсынған күй диаграммасында айқын көрсетілген, оны барлық негізгі қоспаның технологиялық және эксплуатациялық қасиетімен легірленген элементті берілген деңгейде құру үшін пайдалануға болады.

4.4. Алюминий қорытпаларының қос күй диаграммасы
Айтылған ақпараттарды одан әрі дамыту үшін мысал ретінде, техникалық және анықтамалық әдебиеттерде алюминий негізіндегі легірленген элемент пен қорытпа кешені туралы мәліметтер кеңінен таралған [3-5].
4.5 Жұмыстың орындалу реті
4.4.2 бөлімге сай, бес легірленген элемент үшін берілген металл негізінде қорытпаның күй диаграммасы критерийін есептеңіз. Сонымен бірге мүмкіндігінше әр түрлі - эвтектика, перитектика және монотектика күй диаграммаларын пайдалану. Мысал ретінде 4.13-4.18 суреттерінде көрсетілген хром негізіндегі күй диаграммалары келтірілген [5].
Тапсырманы орындау алгоритмі:
4.5.1 4.1-кестені толтыру және қалған критерийлерді есептеу;
4.5.2 Хром негізіндегі қорытпалар үшін тиісті критерийлерді есептеу (2.10-2.15 суреттері);
4.5.3 2-кестедегідей барлық легірлеуші элементтерге қысқаша кесте құру;
4.5.4 Алынған нәтижелерді талдап, қорытынды жасау.
4.5.5 хром қоспалау элементі болып табылатын қорытпалар ұқсас есептеулерді орындау;
4.4-сурет. Al-Ga күй диаграммасы
4.5 – сурет. Al-Ge күй диаграммасы
4.6-сурет. Al-Li күй диаграммасы
4.7-сурет. Al-Ag күй диаграммасы
4.8-сурет. Al-Cu күй диаграммасы
4.9-сурет. Al-Zn күй диаграммасы
4.10-сурет. Al-Mg күй диаграммасы
4.11-сурет. Al-Mn күй диаграммасы
4.12-сурет. Al-Si күй диаграммасы

4.5.6 берілген деңгейде қорытпалардың қасиеттерін қамтамасыз етіп хром мен легірленген элементтің рөлін салыстырмалы түрде талдау жүргізу;
4.5.7 хром негізіндегі тиімді легірленген элемент қорытпаларын анықтау және оны негіздеу;
4.5.8 хром негізіндегі қорытпа үшін легірленген кешенін ұсыну;
4.5.9 есептеу кезіндегі барлық қолданылған элементтердің құндылық сипаттамаларын ескере отырып, жұмысқа қорытынды жазу.

α = cd =
β = bd =
ω = cd/bd =
γ = cf/hg =
τ = od/oa =
δ = ad/cd =
λ = ad/bd =
4.13 – сурет. Cr-Ni күй диаграммасы
α = cd =
β = bd =
ω = cd/bd =
γ = cf/hg =
τ = od/oa =
δ = ad/cd =
λ = ad/bd =
4.14 – сурет. Ta-Cr күй диаграммасы
α = cd =
β = bd =
ω = cd/bd =
γ = cf/hg =
τ = od/oa =
δ = ad/cd =
λ = ad/bd =
4.15 – сурет. Be-Cr күй диаграммасы
α = cd =
β = bd =
ω = cd/bd =
γ = cf/hg =
τ = od/oa =
δ = ad/cd =
λ = ad/bd =
4.16 – сурет. Ag-Cr күй диаграммасы
α = cd =
β = bd =
ω = cd/bd =
γ = cf/hg =
τ = od/oa =
δ = ad/cd =
λ = ad/bd =
4.17 – сурет. Au-Cr күй диаграммасы
α = cd =
β = bd =
ω = cd/bd =
γ = cf/hg =
τ = od/oa =
δ = ad/cd =
λ = ad/bd =
4.18 – сурет. Pd-Cr күй диаграммасы
Есептеу мазмұны
4.6.1 Жұмыстың мақсаты
4.6.2 Жалпы мәлімет
4.6.3 Күй диаграмма критерийлерін есептеу және алынған нәтижелерді сипаттау.
4.6.4 Жұмысты талдау және қорытындылау.
4.7 Бақылау сұрақтары
4.7.1 Диаграммада қандай сызықтар мен нүктелерді критикалық деп атайды?
4.7.2 Эксплуатациялық қасиеттерді қандай критерий сипаттайды?
4.7.3 Технологиялық қасиеттерді қандай критерий сипаттайды?
4.7.4 Пластификатор элементі қалай таңдалады?
4.7.5 Модификатор элементі қалай таңдалады?
4.8 Ұсынылған әдебиеттер
1 Гуляев Б.Б. Физико-химические основы синтеза сплавов. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1980. – 192б.
2 Гуляев Б.Б. Синтез сплавов. – М.: Металлургия, 1985. 218 б.
3 Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. – М.: Метал-лургиздат, т.1, 1962. - 608 б.
4 Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. – М.: Метал-лургиздат, т.2, 1962. - С.613-1488.
5 Материаловедение /Под ред. Арзамасова Б.Н. – М.: Машино-строение, 1986. - 384 б.
5 ТӘЖІРИБЕЛІК ЖҰМЫС
КӨП ЦИКЛДІ ЖҮКТЕМЕ ЖАҒДАЙЫНДА ЖҰМЫС АТҚАРАТЫН КОНСТРУКЦИЯЛЫҚ БОЛАТТЫ ТАҢДАУ ӘДІСТЕМЕСІ
5.1 Жұмыстың мақсаты: Басты өнеркәсіпті қорытпаны таңдау үшін технологиялық және анықтамалық әдебиеттердің пайдалану ережесімен танысу (соның ішінде болат) және әр түрлі бағыттағы металл өнімдерінің құрылымы мен қасиетін берілген деңгейде қамтамасыз ету үшін стандартты әдістері мен оның жұмыс істеуімен танысу.

5.2 Аспаптар мен материалдар: Болаттар мен қорытпалардың механикалық және эксплуатациялық қасиеттердің анықтамалық материалы.
5.3 Жалпы мәлімет
Циклдік кернеуде жұмыс істеген өнімдердің бұзылуының басты себептерінің бірі шаршау зақымдылығынан тұрады, яғни сызаттардың пайда болуына және өсуіне әкеледі. Циклдік және айнымалы жүктемелер іс-шаралар материалының қарсыласуын шаршаңқы беріктік сипаттайды. Қайталанатын немесе айнымалы кернеудің әсерінен металдың жойылуы металдың шаршауы деп аталады, ал оның қарсыласу қасиеті шаршап жойылуы төзімділікпен. Шаршау беріктігінің критерийі төзімділік шегі болып табылады [1].
Беріктік сипаттамаларын арттыру үшін ең бастысы технологиялық жоғарғы төзімділіктен тұрады, өйткені төзімділік шегі мен аққыштық шегі арасында әдетте дерлік сызықтық тәуелділік бар. Бірақ шаршаудың бұйымды оқу процесі σ-1 мен σт (σ-1<σт жанында) арасындағы ресми тәуелділік ықтималдық сипатын көрсетеді.
Шаршау зақымдалған жинақ процесінде бәсекелес процесі дамиды – тойтаруды беріктендіру (механикалық ескіру) металдың ең аз шағынкөлемде және вакансия туындағаннан кейін жұмсарту, оның коагуляциясы, тығыздық дислокациясын ұлғайту және шағынсызаттардың пайда болуы. Белгілі бір металдың σ-1>σт нәтижесінде, шаршаудан бұзылу кернеулерде жүреді (5.2 – сурет) кішкентай аққыштық шегі көп және тіпті серпімділік шегі де. Жоғары қаттылықпен қатаржүретін жоғары аққыштық шегі мен беріктік шегі шаршау сызаттардың пайда болуына жол бермейді, сондықтан жоғары қаттылық әдісі машина жасау саласында кеңінен қолданылады.
Алайда бұнда иілгіштігі азаяды, материалдың энергия тұтынуы мен шағын көлемде тойтару қабілеті төмендейді, және де жұмыс процесінің беріктенуі жүреді. Сонымен қатар пайда болған шағын сызаттар кішкентай ұзындықтың өзінде тез өсе алуы мүмкін, себебі беріктігі жоғары материалдың сызаттың критикалық мөлшері үлкен емес, мысалы:
lкр=КIC2πσ2,(5.1)
Мұндағы, КIС- интенсивті кернеудің коэффициенті.
Төзімділіктің жоғарлау түбегейлі әдіс, легірлеу,тойтару, термиялық химия – термиялық өңдеудің көмегімен қарсыласудың жоғарлауы микропластикалық деформациядан тұрады. Бірақ иілгіштіктің төмендеуімен және пайда болған немесе өзгінен жүрген бұйымның ақауларының өсуіне қарсыласуымен бірге жүреді. Шаршап тозуға қарсы күрес әдісіне жоғары қаттылықты құру, төзімділік шегін жоғарлату, кернеу концентратын жою, тұтқыр қабаттарының сызаттарын тоқтату және тиімді құрылымды құру жатады.

5.1 – сурет. Шаршау сызаттарының пайда болуы және таралуы 5.2 – сурет. Шаршау сынуы (фотографиялық бейне)
Шаршау берітігі мен төзімділігі әлдеқайда анығырақ, экспуатация шарттары мен режиміне әсер еткен басқа беріктік қасиеттерге қарағанда: циклдік кернеудің ең көбісі, жүктеменің температурасы мен жылдамдығы (жиілігі), бос жағдайының сипаты, қоршаған ортаның қасиеті. Объектілердің өзінің сипаттамалары өте маңызды рөл атқарады – мөлшері, формасы, беттік жағдайы, жобалау ерекшеліктері (кернеу концентраттың болуы) және т.б.
Шаршау процесінің күрделілігі мен әр түрлілігі үшін материалдың төзімділігінің жоғарғы басты принципін қиын тұжырымдау, атап айтқанда, ол оның құрылымы мен таңдау сапасы бейімделуіне жатады. Құрылымдық өзгерістерге жағымды әсер ықпал етеді, олар беріктігі мен иілгіштігі бір мезгілде көтерілуіне әкелетіні табылған. Ең алдымен бұл астықты ұнтақтау және дамыған субқұрылымды құру. Бұндай өзгерістер сырғу бағыттарын гомогенизациясы мен жергілікті асқын кернеудің кішіреюіне жәрдемдеседі, қуатты кептелу дислокациясымен байланысты.
Статикалық жүктемеге қарағанда, ішкі кернеу концентраторының болуы циклдік жүктемеде үлкен рөл атқарады. Осыған байланысты металл емес кірмелер болатының тазалық талаптары мен металлургиядан шыққан ақаулар неғұрлым жоғары болып келеді. Өнімнің беткі қабатының жағдайы шаршау кезінде ерекше мәнге ие. Тазалық жұмысын жақсартқанда әрқашан шаршау беріктігінің жоғарлауына қол жеткізуге болады.
Алайда, беттің қатаюына әкелген және бір мезгілде беткі қабаттарында сығылған қалдық кернеуінің пайда болуы ең әсерлі өңдеу болып табылады. Бұл жағдайда шаршау сызаттарының пайда болуы мен таралуының қарсыласуы жоғарылайды, беріктендіру сырғу дамуын қиындатады, ал қысу кернеуі беттік сызаттардың ашылмауын, циклдік компоненттерінің әсерінің әлсіреуіне әкеледі.
Циклдік жүктеме мен үйкеліс аймағы (үйкеліс жұп) әсері бір мезгіл шарттарында материалдың тозуға тұрақты талаптары күшейеді.
Қажу материалдың беттік бұзылуына жатады және көлемділіктен келесі белгілермен ажыратылады:
1) Пластикалық деформация мен бұзылуға барлық жанасу аймақтарында тең ықтималдықпен қатыса алғандықтан, кернеу бетінде делокализделеді.
2) Пластикалық деформациялау мен бұзылу циклдік үздіксіз қаббатасуы болады, қажулық өнімдер өткеннен кейін келесі циклі басталады.
3) Процесс динамикалыққа жатқандықтан, беттік қабатта құрылымның өзгеруіне динамикалық сипатының орны бар, әрбір цикллде материал бірден жаңа қалыпқа өтеді.
Бұл өзгерістер құрауы мен жұқа беттік қаббаттың құрылымы шартталған:
– беттік қабаттың құрылымы жетілмеген нәтиже (металл бетіндегі атом-кристалды құрыдымын жалпы бұрмалауына байланысты атомаралық байланыс төленбеген);
– мына бұрмалау қабатының сыртқы қоршаған ортамен белсенді өзара іс-қимылы және әр түрлі коррозиялық белсенділігімен пленка тәрізді өнімнің жанасу аймағында пайда болады;
– қиын схемада кернеудің жоғары концентрациясы металдың жұқа беткі қабатының әсері кейбір жағдайда температураның жоғарлауымен қатар жүреді.
Барлық осы факторлар әсерінің нәтижесінде материалдың кешенді көлемді тәуелділік беріктігінің қасиеті қажуға қарсыласу қабілеттілігін сипаттамайды.
Беттік қирау сипатына жататындар:
1) тозу – үйкеліс кезінде дене мөлшерінің біртіндеп өзгеру процесі, материалдың беттік үйкеліс бөлімінде және (немесе) оның қалдық деформациясын бақыланады;
2) қажу – тозудың нәтижесі, материалдың қалдық деформацияда немесе бөлімінде бақыланады;
3) сызықтық қажу – беттік үйкелістің нормальді үлгінің (дененің) мөлшерін кішіреюін анықтайтын қажу;
4) тозудың жылдамдығы – қажудың пайда болу кездегі уақытқа шамалас қатынасы;
5) тозу қарқындылығы – орындалған жұмыстың көлемін немесе тозу орындаоған шартталған жолдың қажу шамасының қатынасы.
Қажу механизмінің классификациясының бірі схема түрінде төменде көрсетілген.
Қажу




Коррозиолы-механикалық
Молекулярлы-механикалық
Механикалық



Абразивті

Фреттинг-коррозия
Қышқыл

Шаршау

Селективті аудару

Адгезиялы

6.1 – сурет. Қажу механизмінің классификациясы.
Қажу жалпы түрде келесі факторлармен анықталады:
• үйкелетін материалдардың уйлесу қассиеттері;
• Беттік байланасу сапасымен (тазалық класымен, майлағыштың болуымен);
• қозғалыс сипатымен (сырғу, тербелу, соққы, ағым);
• жылдамдықтың өзара қозғалысымен;
• жүктеме деңгейімен;
• бөлшектердің немесе үйкеліс асқынған кейбір басқа материалдарды, қатысуын бөліп түртуі;
• коррозиялық процестердің дамуы.
Бұл факторлардың жиынтығы, жиі бөлуге болмайтын, тозу процесін теориялық сипаттамасы қиындатады және көптеген жеңілдіктерді жүгінуге мәжбүр етеді. Қорытындылар мен ұсынымдар нәтижесінде сипатқа ие болмайды. Әдетте тозу бастапқы осы сәйкес біз тозуға төзімділігін арттыру немесе басқа әдістерді таңдау керек, олардың біреуінің басым бір мезгілде бірнеше тетіктері аралас жүреді.
Абразивті қажу дәстүрлі әдіспен күрес жоғары қаттылық болып табылады, материалдарды таңдау салдарынан мүмкін, және күшейтетін өңдеумен: термиялық, химико-термиялық өңдеу, беткі пластикалық деформация, беткі қаттылық пен жүйелі көмекті қолдану. Шаршау мен қажу салдарынан циклдік әсерлер, үйкеліс беттік шағын проекциялары белгілі.
Шаршаған тозу циклдік беткі әсерлерден бір денеден екінші денеге, ерекше қысым артқан сайын қажу өсу керек екені анық. Дегенмен, бұл қысымды геометриялық бөлшек өлшемдері ағымдағы күш қатынас ретінде қарастыруға болмайды, өйткені нақты байланыс ауданы аз болады, номиналды беткі ауданға қарағанда. Бір – біріне циклдік басу сырғымалығы (мерзімді созылу сүйемелдеуінен және қысу өзгерістері) жинақ шаршау зақымдалған кедергіде дислокация кластерлерге әкеледі.
Туындаған субшағынсызат шағынсызатқа қарай өседі және жергілікті жойылу бетіне әкеледі. Бетіндегі қысу қалдық кернеулер түбегейлі құралдары жоғары шаршау беріктігі болып табылады, және беткі қаттылықтың жоғарлауы. Сонымен қатар, жедел жою беткі қабатта жүрмейді, ал белгілі бір тереңдікте. Әдетте, ол барынша ығысу кернеулер пайда болады деп түсіндіріледі, бірақ статикалық есептер шешіледі және ассимметрия циклі сипатын есепке алынбайды.
Басқа үйлесімсіздігін атап өткен жөн: қаттылық өскен сайын қажуға қарсыласу да өседі, осы себептен нақты байланыс ауданы кішірейеді, және сондықтан нақты қысым артады, жұмыс жасауы нашарлайды және қажу процесін жетелдету керек. Шаршау қажулықпен күресу әдісі жоғары қаттылықтың пайда болуы жатады, төзімділік шегін арттыру, ерекшелік кернеу концентраторына, тұтқыр қабаттарының жарылуын тоқтату, және де тиімді құрылымдарды құру.
Қажу – таңдау жағдайында ауыстыру нашарлауы атомдық оқиғалары жанасу аймақта сипатталғаны белгілі, жұмсақ металл атомдары қатты бетіне өткен кезде, белгілі бір қалыңдыққа жеткенде қабат қайтару ауысуына бұзыла бастайды. Төзімділіктің жоғарлауы бұл жағдайда үйкелетін материалдар мен майлағышты құрамы дұрыс таңдау арқылы қол жеткізіледі.
5.4 Практикалық жұмысты орындау мысалы (тапсырманы шешу)
5.4.1 Тапсырма: Үлкен циклдік жүктеме жұмысы үшін 70 мм диаметрі білікті жасау үшін болатты таңдау [3].
Талаптары:
1) σт– 750 МПа-дан төмен емес;
2) σ-1–450 МПа-дан төмен емес;
3) КС – 900 кДж/м2 –тан төмен емес.
Табу:
• талаптарғы сай болат маркасын таңдау;
• термоөңдеу және оның режимінің қажеттілігін анықтау;
• нәтижесінде алынған шағынқұрылымын сипаттау;
• соңғы термоөңдеуден кейін механикалық қасиеттерін көрсету.
Қосымша ақпарат:
Ст.4, 45, және 20ХН3А марка болаттары таңдау үшін ұсынылады.
5.4.2 Шешімі:
Болаттың құрамы мен механикалық қасиеттері туралы мәлімет 5.1-5.2 кестелерде көрсетілген.
5.1 – кесте.
Болаттарды таңдау үшін ұсынылған құрылым.
Марка C,% Mn,% Si,% Cr,% Ni,% S,% P,%
Ст.4 0,18-0,27 0,4-0,7 0,12-0,30 ≤ 0,3 ≤ 0,3 ≤ 0,05 ≤ 0,04
45 0,42-0,50 0,5-0,8 0,17-0,37 ≤ 0,25 ≤ 0,25 ≤0,045 ≤ 0,04
20ХН3А 0,17-0,23 0,3-06 0,17-0,37 0,6-0,4 2,75-3,15 ≤0,025 ≤0,025
5.2 – кесте.
Болаттарды таңдау үшін ұсынылған механикалық қасиеттері.
Марка σв, МПа σт, МПа σт/σв δ,% НВ
Ст.4 420-540 ≥ 240-260 - ≥ 21,0 -
45
600-620
550-600 270-320 0,5 - 190-200
≤180
20ХН3А 670-750 350-400 0,5-0,6 - ≤250
5.5 Жұмыстың орындалу тәртібі (мысалы)
5.5.1 Аққыштық шегі туралы деректер (750 МПа 200-400 МПа-дың орнына) термиялық өңдеунығайту қажеттігін көрсетеді.
Ст.4 төмен көміртекті болат шынықтыруды қабылдамағандықтан термиялық өңдеу әсері шамалы жақсартылған. Одан басқа, ол қарапайым сапалы болаттарға жатады және күкірт пен фосфордың жоғары мөлшері қамтиды, механикалық қасиеттерін төмендейді және әсіресе соққы жүктемесінің қарсыласуын. Қозғалтқыштың білігі сияқты жауапты өнімдердің сынуы машинаны істен шығарады, бағасы төмендеуіне қарамастан, тиімсіз Ст.4 қолданады.
45 болаты сапалы көміртекті классқа жатқызады, ал 20ХНЗА болаты жоғары сапалы легірленген болат классына жатқызады. Олар 0,42-0,50 және 0,17-0,23 қамтиды, тиісінше шынықтырылады. Беріктігін арттыру үшін қалыптандыру мен шынықтыруды жоғары босатумен қолдануға болады. Термоөңдеудің екінші нұсқасы қиынырақ, бірақ ол жоғары беріктік қасиеттер сипаттамаларын және де жоғары тұтқырлықты алуға мүмкіндік береді. 45 болаттарда қалыптандырудан кейін ең төменгі соққы тұтқырлығы 200-300кДж/м2 , ал 500°С шынықтыру мен босатудан кейін 600-700 кДж/м2 жетеді.
1 қорытынды: Біліктің динамикалық күш пен діріл әсерінен жұмыс істеу шартында шынықтыру мен босатуды қолдану орынды.
45 көміртекті болатты суда шынықтырғаннан кейін мартенсит пайда болады, бірақ төменгі қызылсынғыштықтан 20-25 мм диаметрден асатын өнімдерден, шынықтырылған қабаттың тереңдігі 2-4 мм аспайды. Келесі босату мартенситті сорбитке беткі қабатқа айналуына ұшырайды және барлық өнімнің (біліктің) құрылымы мен қасиетіне әсер ете алмайды, толық динамикалық жүктемені алады.
2 қорытынды: 45 көміртекті болаты бөлім бойынша 70 мм диаметрі бар біліктің қажетті деңгей қасиеті болмайды.
20ХН3А болаты қызылсынғыштықты жақсарту үшін хро мен никельмен легірленген. Шынықтырудан кейін бұнда жеткілікті біртекті құрылым мен механикалық қасиеті 75 мм диаметрі немесе өнім дайындама қимасында қалыптасқан, тіпті қажетті мөлшерден сәл арттырады. 20 ХНЗА болаты үшін [4] бойынша, стандартты термоөңдеу режимі ұсынылған.
• 820-850°С майда шынықтыру.
Ст4 болаты үшін суда емес, майда шынықтыру, аз кернеу туындайды, сол себептен аз деформация болады. Шынықтырудан кейін мартенсит болатының құрылымының қаттылығы 50 HRC-дан төмен емес.
• 520-530°С босату. Босату морттылығын алдын алу үшін, сезімтал болаты хроммен (немесе марганец) және никельмен, қыздырудан кейін білікті майда ауыстыру қажет. 75 мм диаметрлі өнімді 20 ХНЗА болаты механикалық қасиеті термоөңдеуден кейін манығын тең:
– уақытша қарсыласу σв, МПа ……….900-1000;
– аққыштық шегі σ0,2, МПа …………………750-800;
– төзімділік шегі σ-1, МПа …………… 400-430;
– соққы тұтқырлығы КСU, кДж/м2……………..900;
– салыстырмалы ұзару δ, %........................8-10;
– салыстырмалы қысу Ψ, % ………………….45-50.
3 қорытынды: 20ХН3А болаты термоөңдеуден кейін сұраныс тапсырма талаптарын қанағаттырады және 70 мм диаметрлі білікті жасауға қолдануға болады.
5.6 Тапсырма
5.6.1 Жұмыс шарттарына байланысты тісті дөңгелек пен кернеулер туындайтын қарапайым сапалы болаттан жасауға болады, сапалы көміртекті және легірленген әр түрлі мөлшерлі легірленген элементтер. Техникалық және экономикалық ойларын басқара отырып таңдау, дөңгелек дайындау үшін болаты диаметрі 50 мм және биіктігі 30 мм уақытша қарсыласуы 360-380 МПа-дан төмен емес. Дөңгелектің термиялық өңдеуін көрсету, таңдалған болаттың механикалық қасиеттері мен құрылымын дайын өнімде және де 45 пен 40ХН болатының жақсартылған өңдеуден кейін құрылымы мен механикалық қасиеттерін салыстыру.

5.7 Есептің мазмұны
5.7.1 Жұмыстың мақсаты
5.7.2 Циклдік жүктеме астында жұмыс істеу үшін пайдаланылған болаттарға қойылатын талаптардың жалпы ақпараты.
5.7.3 Қаралған мысалға сәйкес келетін тапсырма мен шешімдер.
5.7.4 Ұсынылған болаттардың сипаттамалары.
5.7.5 Жұмысты талдау және қорытындылау.
5.8 Бақылау сұрақтары
1 Шаршау дегеніміз не?
2 Шаршау жеткіліксіздігінің қандай қаупі бар?
3 Қандай факторлар шаршау беріктігіне әсер етеді?
4 Қызылсынғыштық дегеніміз не?
5 Қандай факторлар қызылсынғышқа әсер етеді?
5.9 Ұсынылған әдебиеттер
1 Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов.
М.: Металлургия, 1979. 495б.
2 Гуляев А.П. Металловедение.М.: Металлургия, 1977. 647б.
3 Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1983. 384б.
4 Справочник по машиностроительным материалам. /Под ред. Г.И. Погодина-Алексеева. М.:ГНТИМЛ, 1959. Т.1. 907б.
6 ТӘЖІРИБЕЛІК ЖҰМЫС
АСПАПТЫ ЫСТЫҚҚА ТӨЗІМДІ БОЛАТТЫ ТАҢДАУ ӘДІСТЕМЕСІ
6.1 Жұмыстың мақсаты: Материаловедтік тапсырманы таңдап алынған қорытпа (болат) марка әдістемесін шешуді үйрену және олардан жасалған өнімдер мен жартылай фабрикаттардың жоғарғы сенімділігін, ұзақ мерзімділігі мен жұмысқа қабілеттік әдістерін дайындау.
6.2.Аспаптар мен материалдар : Болат маркасы, темірдің металлографиялық атлас құрылымы мен оның қорытпасы, механикалық қасиеттері мен термоөңдеу режимінің нұсқасы.
6.3 Жалпы мәлімет
Әр түрлі мақсатта өнім сапасын бағалау үшін жұмыс қабілеттілігі үлкен рөл атқарады, берілген функциялардың орындауға қабілеті, өнімнің жағдайы түсінікті, нормативті техникалық құжаттамалар ішінде орналасқан берілген жиынтықтар мәндері сақталады. Осыған байланысты қазіргі заманғы машиналарының негізгі сипаттамаларының бірі олардың сенімділігі болып табылады.
Сенімділік – бұл өнімнің қасиеттерінің уақыт өзінің жұмысқа қабілеттілігін сақтап қалу.
Бас тарту – бұл өнімнің жұмысқа қабілеттілігінің бұзылған оқиғасы болып табылады. Сағатта белгіленген өнімнің бас тартуға дейін жұмыс уақытын бас тартуға дейін жұмыс деп аталады, және өзінің мәні бойынша кездейсоқ айнымалы болып табылады.
Өнімнің қызмет мерзімі ресурс деп реттеу шегі жағдайына дейін жеткен жұмыс уақыты анықталғанын айтады (қажу шегі және т.б.)
Өнімнің жұмыс істелген сағаты мен рұқсат етілген қызмет мерзімі ресурс (күнтізбе сағаты) бас тартуға дейін жұмыс уақытқа қарағанда, детеминирленген мәнге, кездейсоқ емес өнімнің ұзақ мерзімділігін анықтайтын регламентті жұмыс уақыты.
Өнімнің сенімділігі – бұл бас тартушылық пен ұзақмерзімділік ұғымы кіретін жалпылама қасиет.
Тоқтаусыз жұмыс істеу – бұл бұйымның қандай да уақыт периодында немесе қандай да атқарылатын жұмыс көлемі кезінде үздіксіз жұмысқа қабілеттілікті сақтау қасиеті.
Төзімділік – бұл бұйымның шекті жағдайына дейін, яғни техникалық қызмет көрсету мен жөндеу жұмыстарының бекітілген жүйесі кезінде пайдаланудың толық периоды кезінде жұмысқа қабілеттілігін сақтау қасиеті
6.3.1 Аспаптық болаттарға қойылатын талаптар
Аспаптық болаттарға қойылатын негізгі талап – бұл ұзақ мерзімді пайдалану бойы кескіш жиекті сақтау [1]. Кескіш аспапта едәуір меншікті қысым мен қызыл болып қыздыратын жоғары температуралар кезінде металдың өте жіңішке жолағы тозғанға дейін жұмыс істейді. Осындай аспап үшін басты талап – ұзақ уақыт бойы қыздыру кезінде қаттылықты сақтау, яғни болат қыздыруға төзімділікке ие болуы қажет. Қыздыруға төзімділік деп қызған кездегі болаттардың өз қаттылығын сақтау қасиетін атаймыз.
Аспаптық болаттар төрт санатқа бөлінеді:
1) қыздырылуы төмен (көбінесе көміртекті);
2) қыздырылуы жоғары (қосындыланған);
3) дақпыртты;
4) тез кескіш.
Көміртекті және қосындыланған болаттар жұмсақ жағдайлар кезінде кескіш аспаптар үшін мен өлшеуіш аспаптар үшін қолданылады. Тез кескіш болаттар жоғары тәртіптерде жұмыс істейтін кескіш аспаптар үшін қолданылады.
Қыздырылуы төмен аспаптық болаттардың тобына келесілер кіреді – У7, У8, У9, У10, У11 және У12. Олар суда қыздырылады, және де осы болаттардан жасалған аспап, әдетте, қыздырылмаған өзекке ие болады. Мұндай болатты қыздырудың шекті температурасы 200°С аспауы керек, себебі қаттылық жылдам төмендей бастайды, ал бұған жол берілмейді.
Қыздырылуы жоғары аспаптық болаттардың тобын 1-3% мөлшерінде қосындыланған элементтері бар болаттар құрайды. Осы болаттардан жасалған аспап майда қыздырылады және түгелдей қыздырылады. Қыздыру кезінде суытудың аз жылдамдығы жарықшақтардың, деформациялардыі және жиырылулардың пайда болу қаупін төмендетеді. Осылардың қалыптасуына аспаптық болаттар бейім болады.
Марганец пен кремнийден басқа, негізгі қосындыланған элементтер – бұл хром, вольфрам және ванадий. Хром қатты ерітіндіні нығайтады, ал вольфрам артық карбидты фазаны ұсақтайды және қаттылықты жоғарылатады. Тура осылай карбидтері ерекше жоғары қаттылықпен ерекшеленетін ванадий да әсер етеді.
Тез кескіш болат бірінші кезекте жоғары қыздыру қаттылығына, қыздыруға төзімділікке және жылуға төзімділікке ие болуы керек. Осындай болаттарда жоғары қаттылық 500-600°С дейін қыздыру кезінде сақталады. Жылуға төзімділік деп жоғары температуралар кезінде механикалық және химиялық әсер ету жағдайларында материалдардың эксплуатациялық сипаттамаларын сақтау қасиетін атаймыз.
6.3.2 Қыздыруға төзімділік пен жылуға төзімділікті арттыру тәсілдері
Қыздыру кезінде қаттылық әрдайым төмендейді, алайда осы кезде құрылымдық өзгерістер болмаса, қаттылықтық төмендеуі қайтымды. Бастапқы температураға дейін суыту кезінде қаттылық өзінің бұрынғы мәндеріне дейін қалпына келеді.
Құрылымдық немесе фазалық өзгерістер пайда болған кезде қаттылықтың мәні қалпына келмейді және бастапқыдан төмен болады. Осы өзгерістерге қарсыласу қыздыруға төзімділікпен сипатталады. Мұндай құрылымдық-фазалық өзгерістер карбиттің түзілу процестерімен, 200°С қыздыру температуралары кезінде-ақ карбитты қоспаларлың өсуі мен коагуляциясымен байланысады. Осы процестерді тежеу үшін болаттарды қыздыруға төзімділікті арттыратын арнайы карбидтар пайда болатындай мөлшердегі карбит түзгіш элементтермен қосындылайды. Арнайы карбидтер мартенситтен бөлінеді және темір карбидіне қарағанда анағұрлым жоғары температураларда коагуляцияланады, себебі бүл үшін тек көміртектің дифузиясы ғана емес, қосындыланған элементтер де қажет.
Кардит түзгіш элементтер ретінде барлық дерлік көміртекті арнайы карбидтерге біріктіретіндей мөлшердегі вольфрамды, молибденді және ванадийді қолданады. Хромды тұрақсыз карбидтері үшін, негізінен, ол толығымен еріп кететін, шамамен 4% мөлшерде ферритті нығайту үшін қолданады.
6.1 кестеде анағұрлым кең таралған тез кескіш болаттардағы карбидтердің маркалары мен пайыздық құрамдары келтірілген.
6.1 Кесте – Тез кескіш болаттардың карбидті фазасы мен кұрамы
Марка С Cr W V Mo Co *MC,%
Р18 0,7-0,8 3,8-4,4 17,0-18,5 1,0-1,4 1,0 - 29
Р12 0,8-0,9 3,1-3,6 12,0-13,0 1,5-1,9 0,5 - 24
Р6М5 0,8-0,88 3,8-4,4 5,5-6,5 1,7-2,1 5,0-5,5 - 21
Р9Ф5 1,4-1,5 3,8-4,4 9,0-10,5 4,3-5,1 1,0 - 21
Р9М4К8 1,0-1,1 3,0-3,6 8,5-9,5 2,1-2,5 3,8-4,3 7,5-8,5 22
*– арнайы карбидтердің пайыздық өлшемі
Құрамында кобальт бар болаттар өнімділігі жоғары болаттар болып табылады және өңделуі күрделі қорытпаларды өңдеу кезінде немесе олардың қымбат бағасы жақсартылған кескіш қасиеттері мен қыздыруға төзімділігімен өтелген жағдайда қолданылады. Құрамында ванадийдің үлесі жоғары болатын болаттар Р18 қарағанда анағұрлым жоғары тозуға төзімлігінің арқасында артықшылыққа ие. Вольфрамның тапшылығына байланысты соңғы уақытта тіпті Р18 болатын ысырған вольфраммолибденді болаттар кең таралды.

6.4 Жұмысты орындау тәртібі
6.4.1 Мақсаты: Аустенитты қызуға берік болаттарды өнімді кесуге жарамды, қыздыруға төзімділігі жоғары тез кескіш болатты таңдау, оның маркасын, химиялық құрамын, термиялық өңдеу тәртібі мен дайын аспаптағы микроқұрылымды көрсету. Р12 мен р6М5 болаттарының және таңдалған болаттың жылуға төзімділігін салыстыру [2].
6.4.2 Шешімі: Тез кескіш болаттардың ерекшелігі олардың мартенситты құрылымды және кескіш жиекте пайда болатын 500-650°С дейінгі температураларда жоғары қаттылықты сақтау қабілетінен тұрады. Алайда осындай болаттардан жасалған аспаптардың төзімділігі тек олардың химиялық құрамымен, құрылымымен және кесу тәрбімен ғана анықталып қоймай, сондай-ақ өңделетін материалдардың қасиеттеріне де тәуелді болады.
Жылуға төзімділігі бірқалыпты тез кескіш болаттардан жасалған бұрғылар мен фрезалардың төзімділігі қаттылығы 180-200НВ құрылымдық болаттарды өңдеу үшін жеткілікті. Алайда ол аустенитты қызуға берік болаттарды өңдеу кезінде кенет төмендейді. Бұл, ең алдымен, берілген топқа жататын болаттардың жылуөткізгіштігі төмен болуымен байланысты, сондықтан кесу кезінде бөлініп шығатын жылу азғантай дәрежеде пайда болатын жоңқа мен бөлшекпен жұтылады, ал негізінен кесу жиегімен қабылданады.
Осыдан басқа, олар өңдеу барысында кесу жиегінде қатты нығаяды, нәтижесінде кесу күші айтарлықтай жоғарылайды. Өңделуі күрделі деп аталатын осындай материалдарды кесу үшін жылуға төзімділігі бірқалыпты тез кескіш болаттар жарамсыз, себебі олар 58НRC тәртіпті және мартенситты құрылымды 615-620°С температураға дейін ғана жоғары қаттылықты сақтайды.
[1, 3] сәйкес, жылуға төзімділігі жоғары тез кескіш болаттарға қосымша кобальтпен қосындыланған болаттар жатады. Қатты карбит түзгіш вольфрам, молибден және ванадий элементтеріне қарағанда кобальт жұмсарту кезінде коагуляцияға анағұрлым тұрақты интерметалды фазалардың бөлетін карбидтермен қатар бастамашылық етеді. Олар анағұрлым жоғары қыздыру температуралары – 640-645°С дейін 58НRC қажетті қаттылықты сақтамайды, алайда кобальттың арқасында 68 НRC дейін өседі, ал жылуөткізуіштік шамамен 30-40% жоғарылайды. Нәтижесінде кескіш жиектегі температура төмендейді, және де кесу тәртібі жақсарады.
Қорытынды 1: Аустанитты болаттарды кесумен өңдеу үшін Р12Ф4К5 және Р9М4К8 маркалы тез кескіш кобальтты болаттарды пайдалану ұсынылады.
6.4.3 Термиялық өңдеу тәртібі:
• Р12Ф4К5 болатын қыздырудағы шынықтыру температурасы – 1240-1250°С;
• Р9М4К8 болатын қыздырудағы шынықтыру температурасы – 1230°С;
Қыздырудың жоғары температуралары карбидтерді еріту мен алдымен аустенитты, содан кейін мартенситты вольфрам, молибден, ванадий, хром қосындыланған элементтерімен байыту үшін қажет. Қыздырудың анағұрлым жоғары температурасына жол берілмейді, себебі бастапқы карбидтердің анағұрлым қатты еруінен түйірдің өлшемі үлкейеді, беріктілік пен тұтқырлық төмендейді.
6.4.4 Термоөңдеуден кейінгі микроқұрылым:
• Шынықтырудан кейін – мартенсит + қалдық аустенит (15-30%) + аустенитте ерімей қалатын және түйірдің өсуін тежейтін артық карбидтер. Қызған күйдегі қаттылық 60-62НRC
• 550-560°С кезінде 60 минуттан 3 рет жұмсартудан кейін –мартенситтен бөлінген дисперсиялық карбидтер мен интерметалдар. Қаттылық 66-69НRC дейін артады, қалдық аустенит мартенситке айналады, және де ішінара мартенситты өзгерістен туындаған кедергі жойылады.
6.4.5 Дайын аспапты кезекті өңдеу:
1) Жұмсартудан кейін аспаптарды тегістейді және құрамы 80% KCNO және 20% K2CO3 келесідей сұйық ваннада, аспаптық түрі мен өлшеміне байланысты 5 бастап 30 минутқа дейін 550-560°С карбонитрациялайды. 0,02-0,05 мм тереңдікте карбонитрациялау қабатының қаттылығы 69-70 НRC жетеді, осы кезде жылуға төзімділік шамамен 50°С өседі. Осыдан басқа, аспаптық тегістеуден туындаған қосымша кедергі алып тасталынады. Жалпы аспаптардың төзімділігі 2-4 есе артады.
2) Карбонитрациялаудан кейін сілтілі ерітіндіде 140°С температура кезінде немесе тұздар ерітіндісінде 300°С температура кезінде қышқылдандыруды өткізген жөн. Қышқылдандыру аспаптарға қара түс береді және ауамен тотығуына қарсы төзімділікті жақсартады.
Қорытынды 2: Эксплуатациялық қасиеттердің деңгейі бойынша міндеттердің талаптарын Р12Ф2К5 және Р9М4К8 маркалы тез кескіш кобальтты болаттар қанағаттандырады.
6.5 Есептің мазмұны
6.5.1 Жұмыстың мақсаты
6.5.2 Жалпы мәліметтер
6.5.3 Тәжірибелік бөлім (қойылған міндетті қанағаттандыратын қажетті материалды таңдауда қарастырылған мысалмен сәйкес ресімделеді).
Тапсырма (варианты №382-396 [2],):
№1
№2
№3
№4
№5
№6
№7
№8
№9
№10
№11
№12
№13
№14
№15
6.5.3 Талдау және жұмысқа қорытынды жасау
6.6 Бақылау сұрақтары
6.6.1 Р12Ф4К5 болатының шынықтыру температурасы неге жоғары, Р9М4К8 болатқа қарағанда?
6.6.2 Ыстыққа төзімді аустенитті болатпен конструкциялық болаттың айырмашылығы?
6.6.3 Жылуға төзімділік деген не?
6.6.4 Қызуға төзімділік деген не?
6.6.5 Тез кескіш болаттардың кұрамына қандай элементтер кіреді, кескіштігін арттыруға қалай ісер етеді?
6.7 Қосымша әдебиеттер тізімі
1 Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977. 647 с.
2 Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение М.: Металлургия, 1983. 384 с.
3 Справочник по машиностроительным материалам. /Под ред. Г.И. Погодина-Алексеева. М.:ГНТИМЛ, 1959. Т.1. ХХХХ с.
7 ТӘЖІРИБЕЛІК ЖҰМЫС
КҮЙ ЖҮЙЕЛЕРІН БОЛЖАУ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ
ЭЛЕМЕНТТЕР МЕТАЖҮЙЕЛЕРІНІҢ ТҮСІНІГІ
7.1 Жұмыстың мақсаты: Негізгі құрауыштың қосындыланған элементтермен метажүйесі түсінігімен және берілген метажүйенің белгілі диаграммалары бойынша күй диаграммаларының құрылымын болжау әдістемесімен танысу.
7.2 Аспаптар мен материалдар: Қос жүйелердің күй диаграммаларын құру бойынша анықтамалық материалдар.
7.3 Жалпы мәліметтер
[1] сәйкес, қорытпалардың күй диаграммаларын зерттеуге арналған 100 жылдан аса жұмыс кезінде мүмкін болатын 5356 қос диаграммалардың ішінде қазіргі кезде шамамен 2000 құрылған, және де тек шамамен 1000 азды көпті толық және сенімді. Орта есеппен бір жылдың ішінде толық күй диаграммаларының саны 10 тең, ал 1950 жылдан бастап орта жылдық қарқын шамамен 25 құрайды және қазіргі уақытқа дейін тұрақты. Бұл үдеріс өте көп жұмыстарды талап етеді және қазіргі қарқыны кезінде олардың толық жиыны шамамен 2200 жылға дейін құрылады. Диаграммаларды құрудың тәжірибелік әдістерімен қатар оларды есептеу мен болжау қажеттілігінің уақыты келді. Қазіргі уақытқа дейін ұсынылған «Thermo-Сalc&Dictra, Computational Tools for materials Science» типті диаграммаларды есептеу әдістері термодинамикалық түсініктерге негізделеді [2] және әрдайым дәл бола бермейді, және де осыған дейін құрылған диаграммалардан алуға болатын мәліметтерді құруды талап етеді.
Осыған дейін құрылған диаграммаларды аналитикалық геометрия құралдарымен құру әрекеттері жоғары назар аударылуға лайықты және сөзсіз болашағы бар. Диаграммаларды сызықты теңдеулермен, дәрежелері бүтін көрсеткішті полиномдармен және дәрежелері бөлшек көрсеткіштермен берілген қарапайым өрнектермен сипаттау әдістері белгілі. Алайда олардың болжамдық мүмкіндіктері әлі де қатты шектелген.
Метажүйелерді құру күй диаграммаларын болжау мен мен бір уақытта қорытындылаудың болашағы бар әдісі болып табылады [Гуляев Б.Б. Металл жүйелерінің күй диаграммаларын қорыту. – Кіт. Металл жүйелерінің күй диаграммалары. М.: Металлургия, 1968. 257-267 б.; Гуляев Б.Б., Козлов В.Н. Көміртек, көмірқышқыл және сутегі күйлерінің қос диаграммаларын металдармен қорыту. – Кіт. Металл жүйелерінің күй диаграммаларын теориялық және тәжірибелік зерттеу. М.: Металлургия, 1969. 45-48]. Метажүйе (meta – жоғары, шектен тыс) ретінде күй диаграммаларының жиынтығын немесе Менделеевтің периодтық жүйесіндегі олардың құрауыштарының орнымен байланысты олардың параметрлерінің жиынтығын түсінеміз.
Болжау мен құру үшін келесі метажүйе түрлері анағұрлым қарапайым болып табылады:
1. Элементтердің периодтық жүйесіне кіргізілген барлық басқа элементтермен қандай да бір элементпен қалыптасқан күй диаграммаларының метажүйелері. Олар берілген элементтің периодты жүйедегі орындарына байланысты басқа элементтермен өзара байланысының сипаты қалай өзгеретіндігін көрнекі көрсетеді.
2. Периодты жүйедегі көрші тұрған элементтермен құрылатын күй диаграммаларының метажүйелері. Көршілестік период бойынша немесе топ бойынша болуы мүмкін, бірінші жағдайда көлдеңен, екінші жағдайда тік метажүйелер шығады. Мұндай метажүйелер қорытындылаудың жақсы құралы ретінде қызмет ете алады және бір элементтен екіншісіне өтуі кезінде күй диаграммаларының түрленуін көрнекі көрсетеді. Осыдан басқа, көршілес типтердің ұқсастығы бойынша диаграммаларды болжаудың жақсы құралы болып табылады.
3. Периодты жүйеге жіктеу түрлерін көрсететін күй диаграммаларының метажүйелері. Периодты жүйе элементтерінің түрлі топтары басқа элементтермен белгілі типті күй диаграммаларын құруға бейім қабілеттерге ие.
4. Периодты жүйенің басқа элементтерін қосумен жасалатын қорытпаның қандай да бір негізінің күй диаграммаларының бастапқы участкілерінің метажүйелері.
Қорытпаларды олардың дамуының белгілі деңгейінде синтезі үшін күйдің бүкіл диаграммасын емес, тек оның бастапқы участкісін білу жеткілікті. Сондықтан соңғысы анағұрлым жоғары қызығушылық тудырады. Кү диаграммаларындағы бастапқы участкілеріндегі кішкене қоспалардың мөлшері кезінде атомдар арасындағы өзара байланыстың сипаты ең алдымен негіз атомдарының қасиеттерімен анықталады.
Диаграммалардың бастапқы участкілерінде екі тірек нүктені белгілеп алсақ болады – біріншісі – лиотектика – қатты (төмен температурадағы) фазадағы қосындылардың шекті ерігіштігі. Осылардың екінші нүктесі эвтектикалық, перитектикалық немесе монотектикалық болады, яғни өздігінен атомдық пайымбен берілген сұйық (жоғары температурадағы) фазадағы қосындылардың шекті еріткіштігін көрсетеді. Үздіксіз еру жағдайында осы екі нүкте бір нүктеге бірігіп, екінші құрауыштың балқу нүктесінде жатады.

7.1 сурет атом нөмірлерінен әр түрлі элементтерде (лиотектические нүктеде) эвтектикада және перитектикаларда температураларда қатты алюминиде шекті ерігіштіктер тәуелділік.
Күй диаграммаларын құру тәжірибесі мен дағдысы көрсеткендей, осы нүктелердің орындарының әрқайсысын берілген метажүйеде «элемент нөмірі – қоспалар» периодты функциясы түрінде көрсетуге болады. Элементтердің бір бірінде ерігіштіктің үлкен айырмашылығы салдарынан құрауыштардың концентрациялары логарифмдік шәкілде келтірілген. Осындай жүйге тәжірибелік жолмен алынған нүктелерді сәйкес диаграммаларға көрсетіп, интерполяция әдісімен орындары әлі анықталмаған жетіспейтін нүктелерді анықтауға болады. Күй диаграммаларын құру келесі жағдайлармен жеңілдетіледі. Біріншіден, инертты газдарда әр периодтың соңында айқын бейнеленген минимумдарға ие. Екіншіден, түрлі периодтар арасында тірек нүктелердің орындарында нақты көрсетілген ұқсастықтар бар.
Мысал ретінде 7.1және 7.2 суреттерінде атомдық нөмірге байланысты бастапқы участкілер үшін Периодты жүйе элементтерінің алюминийдің қатты және сұйық фазасындағы шекті ерігіштік тәуелділіктері келтірілген. Диаграммалар түрлі периодтардың мәліметтері бір бірімен салыстырыла алатындай құрылған. Тәжірибелік мәліметтер заманауи анықтамалық әдебиеттерден алынған. Интерполяция жетіспейтін мәліметтерді дәл анықтауға және бүкіл метажүйе үшін бастапқы участкілерді анықтауға мүмкіндік береді.
Тура осы мәліметтерді элементтердің толық реттілігі үшін ашық түрде құруға болады. Мұндай диаграмма өздігінен алюминий метажүйесінің қосы диаграммасының бастапқы участкілерінің ретінің, былайша айтқанда, үстінен қойылады. Эвтектикалық күй диаграммаларын құратын элементтер үшін қатты күйдегі шекті ерігіштік сұйық күйдегіге қарағанда төмендеу. Перитектикалық типті диаграммаларды құратын элементтер үшін, керісінше, сұйық фазадағы ерігіштік қатты фазаға қарағанда жоғарырақ.

7.2. сурет атом нөмірлерінің әр түрлі элементтерге (эвтектиялық және перитектикалық нүктелерге) сұйық алюминиде шекті ерігіштіктер шоғырландырулардың тәуелділігі.
Күй диаграммаларының бастапқы участкілерін қалпына келтіру үшін концентрациялардың тірек нүктелерінен басқа температура шектеріндегі платформалардың орындарын білу қажет [3-7]. Олардың мәндері де әр метажүйенің ішінде периодты заңға бағынады және олар үшін тірек нүктелердің концентрацияларына сияқты құрылымдарды құруға болады (7.3 сурет - 26). Қорытпа негізін балқыту температурасынан айырмашылығы аз платформаларды анықтау кезінде қиындықтар туындайды. Көптеген тәжірибелік мәліметтерді өңдеу кезінде қорытпа негізін балқыту температурасы мен сұйық фазадағы эвтетикалық немесе перитектикалық платформаның ерігіштігі арасындағы айырымның жақын сызықты тәуелділігі бар екендігі анықталды. 7.4 суретте – 27 алюминий үшін осындай тәуелділік көрсетілген. Бұл тәуелділік қорытпа негізінің түріне тәуелсіз болады. Ол келесі қарапайым теңдікпен өрнектеле алады:
|T0-Tтүр.| = |10Cтүр.|,
мұндағы Т0 және Ттүр. – қорытпа негізігің кристалдану және эвтетикалық немесе перитектикалық түрлену температуралары (в °С); Стүр – эвтетикалық немесе перитектикалық нүктелердің концентрациясы (ат. %). Бұл теңдікті ондаған немесе жүздеген пайыз үлесінен аспайтын ерігіштік кезінде қолдану керек, осы кезде бұл қатынас қорытпа негіздерінің және олардың ерігіштігі аз элементтермен құрылатын эвтетикалық немесе перитектикалық платформалары температураларының айырым шамаларының ретін дәл анықтауға мүмкіндік береді. 7.5 суретте – 28 алюминий күй диаграммаларының бастапқы участкілерінің толық метажүйесі келтірілген. Жақшаның ішіндегі сандар болжау (интерполяция) арқылы алынған.

7.3. Сурет Эвтектика мен перектектиканың айналу температурасының айырмашылығы және балқу температурасының эвтектика мен пертектика құрамындағы элементтері

7.4. сурет Алюминий балқымалары үшін олардың атом нөмірлері балқуға температураға қатынас бойынша эвтектиялық және перитектикалық айналулардың температуралар өзгеріс тәуелділігі.


7.5сурет Алюминий күйінің бастапқы уческелік метажүйе диаграммасы.
Алюминийдің метажүйесінде үздіксіз ерітіндлер қалыптаспайды, ал перитектиктер 11 элементті құрайды. Осы құрылымдар кезінде эвтектиктер мен монотектиктер бір бірінен ерекшеленбейді. Барлық монотектикалық нүктелер өте төмен концентрацияларда жатады. 8.5 суретте – 28 тек қана олардың арасындағы айырым көрсетіледі. Алюминий метажүйелері үшін келтірілген құрылымдар заманауи мәліметтер негізінде жасалған. Алғаш рет мұндай құрылымдар мен сәйкес болжамдар сол уақытта қолда бар мәліметтер бойынша 1965 жылы [1] авторымен жасалды [Молчанов Е.К. Титан қорытпалары күй диаграммаларының атласы. М.: Металлургия, 1964. 15-213 б.]. Сол кезден бастап өткен уақыттың ішінде болжамдардың дұрыстығын тексеруге мүмкіндік берген тәжірибелік зерттеулердің бірнеше қатары жарияланған болатын.
7.1 – 21 кестеде Алюминий метажүйелері үшін іс жүзіндегі және болжанған мәліметтердің салыстырылуы көрсетілген. Көріп тұрғанымыздай, сәйкестіктер қанағаттанарлық; қалай болғанда да, болжамдардың дәлдігі қорытпалар синтезінің мақсаттары үшін жеткілікті. Элементтердің ерігіштік шамаларының түрлі авторлармен кезекті анықтамаларының әртүрлілі ескі анықтамалардан болжам нәтижелерінің тәжірибеден аз еместігімен ерекшеленеді.
7.1-21 кесте
Алиюминийдің күй диаграммаларының бастапқы участкілерінің метажүйелері параметрлерінің болжанған және тәжірибелік мәліметтерін салыстыру
Элемент Атомның пайыздық құрамы Эвтектикалық және перитектикалық айналу температурасы, °С
лиотектика эвтектика және перитектика болжам Тәжірибе болжам Тәжірибе болжам Тәжірибе
C 0,002 0,0045 0,025 0,017 - -
Sc - - 0,64 1,0 655 655
Ga - - 97,0 97,5 - -
Ru - - 0,3 0,5 - -
Rh - 0,20 0,29 - -
La 0,03 0,049 - - - -
Pr 0,03 0,01 - - - -
Sm - - 3,0 4,5 545 630
Gd - - 3,0 2,0 645 643
Tl 0,3 0,4 - - 635 650
U 0,03 0,07 - - - -
Pu - - 2,0 1,6 635 651
Берілген әдістеме бойынша күй диаграммаларының құрылымдарын болжау қандай да бір жүйедегі Периодты жүйе элементтерінің ерігіштігі үшін ғана емес, қалған барлық жүйедегі бір элемент үшін де мүмкін. Осылайша, ұсынылған қорытпалардың қос күй диаграммаларының бастапқы участкілері параметрлерін болжаудың әдістемесі қолда бар анықтамалық мәліметтерді жеткілікті дәрежеде растайды. Қарастырылған диаграммалар белгілі дәрежеде Д.И.Менделеевтің Периодты элементтер жүйесінің ары қарайғы кеңеюі болып табылады, себебі бір нөмірден екіншісіне өту кезіндегі тек элементтер қасиеттерінің өзгерісі ғана емес, сонымен қатар олардың бір бірімен өзара байланыстарының өзгеру жағдайлары талқыланады.
7.4 Жұмысты орындау тәртібі
7.4.1 Алюминийдің Li, Be, B, C, Ca, Sc, Ti, V, Cr, V, Fe, Co, Cu, Zn, Ga топшаларын құрайтын элементтермен күй диаграммаларын келтіру.
7.4.2 Күй диаграммаларының лиотектикалық, эвтектикалық, перитектикалық және монотектикалық нүктелерінің орындарын анықтау.
7.4.3 Эвтектикалық, перитектикалық, монотектикалық платформалардың орындарын анықтау және алюминийді балқыту температурасы мен сәйкес платформалары арасындағы айырмашылықты есептеу.
7.4.5 Алынған нәтижелерді талдау және негізделген қорытындылар жасау.
7.5 Есептің мазмұны
7.5.1 Жұмыстық мақсаты
7.5.2 Жалпы мәліметтер
7.5.3 Күй диаграммасының әр түрін сипаттау.
7.5.4 Таңдалып алынған топшаның шеңберінде олардың ұқсастықтары мен айырмашылықтарын анықтау.
7.5.5 Жұмыс бойынша талдау мен қорытынды.
7.6 Бақылау сұрақтары
7.6.1 Күй диаграммаларының қандай түрлері үшін олардың құрылымын болжауға болады?
7.6.2 Түрлі элементтердің эвтектик пен перитектик температурасы және олардың концентрациясынан балқу температурасы арасындағы айырым қандай функционалды тәуелділікпен сипатталады?
7.6.3 Қандай элементтер мен қандай нүктелер үшін болжанатын және шынайы нәтижелер арасындағы айырмашылық минималды?
7.6.4 Қазіргі уақытта қанша қос жүйелердің толық және сенімді күй диаграммалары құрылған?
7.6.5 Метажүйелердің қандай түрлері бар?
7.7 Қосымша әдебиеттер тізімі
7.1 Гуляев Б.Б. Физико-химические основы синтеза сплавов. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1980. 192 с.
7.2 Andersson J.O., Helander T., Hoglund T. Thermo-Calc&Dictra, Computaitional Tools For Materials Sience //CALPHAD. 2002. Vol. 26, №2. P. 273-312.
7.3 Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. М.: Металлургия, 1962. 1488 с.

Приложенные файлы

  • docx 5962581
    Размер файла: 7 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий