МАТЕРИАЛТАНУ

Әл-Фараби атындағы Қазақ үлттық Университеті

 

 

Оңғарбаев Е.Қ., Төрешева Г.О.

 

 

МАТЕРИАЛТАНУ

 

Оқу құралы

 

Алматы

«Қазақ университеті»

КІРІСПЕ

Материалтану. Пәнді оқыту мақсаты

Материалтанудың ғылыми және техникалық маңызы. Қазіргі таңда жоғары температураларда жұмыс жасайтын… 1. Құрылымы реттелген интерметалдық құймалар алу.

Бөлім. ХИМИЯ, ФИЗИКА ЖӘНЕ ФИЗИКАЛЫҚ ХИМИЯДАН КЕЙБІР МӘЛІМЕТТЕР

Негізгі химиялық түсініктер

Мысал ретінде бір ғана компонент суды алайық. Оның бір күйден екінші күйге ауысуы химиялық құрамын… Бір ғана фазадан тұратын жүйе толық біртекті болады… Сонымен фаза дегеніміз – жүйедегі басқа бөліктерден бөліну беті арқылы бөлінген…

Атты денелердің жіктелуі

Тұрмыстық жіктеуге сәйкес қатты денелерге моно- және поликристалдармен қатар аморфты және…   1.2-сурет. Қатты денелердің түрлері. Жақшаның ішінде – байланыс энергиясы.

Статистикалық физика және химиялық термодинамика негіздері

Электрондар термодинамикалық тепе-теңдік жағдайындағы кез келген бөлшектер сияқты статистикалық… Олардың энергияларының мәндері кез келген емес, тек… Бөлшектердің x,y,z,px,py,pz алты өлшемді кеңістіктегі қозғалысын…

Физика-химиялық талдау негіздері

     

Молекулалық процестердің кинетикасының заңдылықтары

Сандық түрде реакция жылдамдығы V=k NА ma NBmb..., мұндағы NА NB- реакцияға қатысатын А, В заттардың… m= mA + mB +….. k- реакцияның жылдамдық константасы, ол тек температураға тәуелді.

Табиғаттағы және қатты денелердегі симметрия

Қазіргі уақытта атомдар мен ядролар әлемінен атом ішіндегі әлем құбылыстарына көшкенде айналық… Айналық симметриядан басқа жиі бұрылыстық немесе… Енді қатты денелердің симметриясына назар аударайық. Ең жоғары симметриялы – кристалл…

Атты денелердің кристаллографиялық және кристаллохимиялық сипаттамасы

Тізбекті торларда атомаралық байланыстың сипаты әртүрлі: шексіз тізбек бойында ол берік, мысалы, ковалентті, ал… 1.17 сурет. Көмірсутектердің ирек 1.18 сурет. Селеннің…  

Кесте. Әртүрлі сингониялар үшін қабырғалар мен жақтар арасындағы қатынас

  Кристалдағы бағыттар мен оның жақтарын көрсету… 1. Н.Стенсеннің жақтар арасындағы бұрыштардың тұрақтылық заңы…

Бөлім. ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕРДІҢ ЭЛЕКТРОНДЫҚ ҚҰРЫЛЫСЫ

 

Атты денелердегі электрондардың энергетикалық спектрінің зоналық (аумақтық) сипаты

Егер атомдарды жақындастырғанда, яғни оларды қатты фазаға конденсациялағанда атомдардағы… Осы қосымша күштердің әсерінен кристалдағы… Сондықтан берілген электрон қандай да бір атомға тиесілі деп айтуға болмайды, керісінше…

Кристалдағы электронның спектрі туралы есептің сандық шешімін қарастырайық.

(2.1) Мұндағы ∆= ∂2\∂x2 +∂2\y2+… Қатты дене көптеген электрондар мен атом ядроларынан тұратын жүйе. Мұндай…

Кристалдық зат күйлерінің басқа түрлерінен периодты потенциалдық өріс болуымен өзгешеленеді.

U(х) функциясы бірдей кезектескен тік бұрышты потенциалды тосқауылдар ретінде жуықталады (2.4-сурет).    

Шөлшемді кристалдағы электрондардың энергетикалық спектрі

Бұл есептің нақты шешімі мұнда келтірілмейді. Бір өлшемдегі кристалдағы сияқты үшөлшемді…    

Зоналарды электрондармен толтыру

Оқшау атомда энергетикалық деңгейлердің толтырылуын еске түсіріп, бұл сұраққа жауап беруге… Бейтарап оқшау атомда ішкі энергетикалық деңгейлер… Валенттік деңгейлерден түзілген зона ғана кей жағдайларда толық толтырылмаған бола…

Атты денелердің зоналық құрылымы болуын эксперименттік дәлелдеулер

     

Электрондардың энергетикалық спектрі қалыптастыратын қатты денелердің қасиеттері

Бірінші мысалға металл қоспаларын дайындауда Юм- Розери ережесін қолдану жатады. Cu-Zn жүйесінде Cu 1-х Znz қоспасының түзілуін… Сондықтан екі валентті мырыш атомдарының азғантай қоспасы Бриллюэн зонасын электрондармен…

Бөлім. КРИСТАЛЛ ТОР ДИНАМИКАСЫ

Динамиканың екі түрі

Деформация қайтымды және қайтымсыз болады. Қайтымды деформацияда сыртқы жүктемені алғанда кристалл… Жеткілікті үлкен сыртқы жүктемелерде ішкі… Морт сыну басқаша жүзеге асады. Сыртқы жүктемені көбейткенде дене өлшемдерін де,…

Кристалл тор атомдарының тербелістерін сипаттаудың дуализмі

Бірақ, абсолют нөлден өзгеше температураларда кристалдағы атомдар тұрақты тепе-теңдік орнының… Кристалдағы атомдар тербелістерін басқаша тәсілмен,… Бір кванттық күйдегі фонондардың орташа саны: n =E / , мұндағы Е -…

Фонондық спектр қалыптастыратын қатты денелердің қасиеттері

Көптеген қатты денелер үшін Дюлонг және Пти тәжірибе жүзінде жылу сыйымдылығының… 3.1-суреттегі 2-ші нүкте жылу сыйымдылықтың төмен… 3.1-суреттегі 1- және 2-нүктелерді салыстыра отырып, біз барлық атомдарға бір тербеліс жиілігі…

С және С байланысын табамыз.

Егер бұл кезде дене қызып, бірақ оның көлемі өзгермесе, онда U=f(T,V) функциясының толық… dU=( ) dT+( ) dV  

Электр өткізгіштігі

Сыртқы электр өрісімен идеал кристалға, яғни ішкі периодтық өрісі еш бұзылмаған кристалға… Периодтылықтың бұзылуының бір түрі – тор…  

Бөлім. ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕРДЕГІ АҚАУЛАР

Кристалдардағы ақаулар туралы жалпы түсініктер

Бірақ реал кристалдарда әрқашан кристалл торда ақаулар болады. Алдымен макро- және микроақауларды ажырату керек.… Микроақауларға немесе ақауларға үш… Кристалл өрістің ақаулығын кристалл атомын бөгде қосымша атоммен орын басу…

Металдар мен металл құймаларындағы вакансиялар

     

Ковалентті кристалдардағы вакансиялар

Ковалентті кристалдардың типтік өкілдері – алмаз, германий, кремний. Мұндай қатты денелердің кристалдық құрылымы – бос (рыхлый), тетраэдрлік түйін аралықтары өте үлкен. Сондықтан оларда Френкель ақаулары басым болады.

Шоттки және Френкельдің нүктелік ақаулары қатты денелердің кейбір физикалық қасиеттеріне (электрөткізгіштік, магниттік қасиеттер және т.б.) және фазалық ауысуларға әсер етеді.

 

Оспалық нүктелік ақаулар

Геометриялық факторды Юм-Розери тұжырымдаған. Ол орын басу ерітінділерін радиустары матрицалық атомдар радиустарының…    

Кристалл тор түйіндерінде қоспалардың еруінің микроскопиялық моделі

     

Кристалл тор түйіндерінің аралықтарында қоспалардың еруінің микроскопиялық моделі

Қоспа атом стандарт күйден (қоспаның өз кристалынан) буланып, қатты дене бетіне ауысады да, түйін… Қатты дене бетінде қоспа атом иондануы мүмкін. Бұл…  

Атты денелердегі сызықты және жазық ақаулар.

Кристалдардағы ақаулардың өлшемдерін жіктеуде өлшемдері екі бағытта тор периодынан кіші және…   4.8-сурет. Сызбанұсқалар: а – атомдардың ақаусыз кристалда орналасуы, б –…

Дислокациялар энергетикасы

Серпімді энергия . Тор типі мен химиялық байланыстың табиғаты…  

Дислокациялардың ақаулармен әрекеттесуі

Дислокациялардың бір ерекшелігі - өзара және кристалдың басқа ақауларымен әрекеттесу қабілеті.

 

 

 

 

4.15-сурет. Таңбасы әртүрлі дислокациялар бір-біріне қарай орын ауыстырғанда вакансияның түзілуі.

4.17-сурет.Фазаішілік шекаралары.

4.16-сурет. Вакансиялар біріккенде дислокациялық сақинаның түзілуі.

Жазық ақаулар

Дәндердің шекаралары. Жалпы шекаралар фазааралық және фазаішілік болып бөлінеді. 1-сы әртүрлі… 4.18-сурет. Ұқсастық шекарасы …  

Көлемдік ақаулар

Көлемдік ақауларға серпімді кернеулер, жарықшақтар, кеуектер, қатты дене бетіндегі сызаттар және… Жарықшақтар материалда дислокациялардың орын ауысуы кезінде…  

Бөлім. ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕР БЕТІНДЕГІ ҚҰБЫЛЫСТАР

Атты денелердің беті туралы жалпы түсініктер

Нақты жағдайларда қатты дене бетінде әрқашан оксид қабықшасы немесе адсорбцияланған атомдар мен… Бұл құрылым жазық емес. Дене беті механикалық… Көп жағдайда «тон» жартылай өткізгіштік (диэлектрик) сипатта, ол күшті электр өрісіне…

Беттің құрылымы

  5.1 сурет. Қатты дене бетінің …  

Бет энергетикасы

   

Жұғу және ағу құбылыстары.

     

Газдардың қатты денелер бетіндегі физикалық адсорбциясы

Физикалық адсорбцияда адсорбцияланған атомдар немесе молекулалардың қабаты қатты дене бетінің атомдарымен… Физикалық адсорбцияның ерекшелігі – оның…  

Хемосорбция

Хемосорбцияның физикалық адсорбциядан өзгешелігін 5.6-суреттен көруге болады, онда жүйе энергиясының … 5.6-сурет. Жүйе энергиясының адсорбент беті мен… қисығын ығыстыратын немесе өзгертетін кез келген фактор хемосорбцияға жағдай…

Сұйық фазадан адсорбция

Ерітіндіден адсорбцияланатын заттар – беттік белсенді заттар (ББЗ). Олардың ерекшелігі – жоғары адсорбцияланғыштығы:… Иондардың ерітіндіден адсорбентке ауысуының микроскопиялық… Иондардың металға келу тура процесінің жылдамдығы тепе-теңдік жағдайында…

Беттік (Фольмер) диффузия

Беттік диффузия коэффициенті D көлемдік диффузия коэффициенті сияқты орын ауыстыратын ақау (вакансия, адсорбцияланған… D , мұндағы p– секірістер саны, -ақаудың бетке… Беттік диффузияның және энергетикалық сипаттамаларын қарастырайық.…

Атты денелер қасиеттерінің адсорциялық өзгерістері.

Адсорбцияланған қабаттар үйкеліс коэффициентін төмендетіп, қатты денелердің өзара қозғалуына… Адсорбция қатты денелердің беріктік қасиеттеріне де… Адсорбцияланатын сұйықтық жарықшақ ішіне енгенде, беттік қысым пайда болады. Ол…

Бөлім. КӨЛЕМДІК АЙНАЛУЛАР

Көлемдік айналулардың түрлері

   

Аллотропиялық айналулар

Элементтердің аллотроптары несімен өзгешеленеді? Ең маңызды критерий – кристалдағы атомдардың таралуы… Осыған дейін аллотропиялық айналу физикалық қасиеттердің (көлемі,…

Мартенситті айналулар

Мартенситті айналуларды диффузиясыз деп те атайды, себебі мұндай айналуларда бір немесе бірнеше атомдық жазықтықтар… Мартенсит құрылымдары металдар мен құймалар…  

Аса қаныққан қатты ерітіндінің ыдырауы.

Қатты ерітіндінің ыдырау құбылысын түсіну үшін 6.6-суретке назар аударамыз, онда В компоненттерінің А еріткішіндегі ерітіндісінің күй диаграммасының солидус қисығының бөлігі бейнеленген.

Жоғары температурада, мысалы, Т , ерітіндіде В жоғары тепе-теңдік концентрациясы бар. Температураны Т -ге дейін төмендеткенде жүйе В тепе-теңдік концентрациясы аз күйге ауысады.Артық компонент (В -В ) ерітіндіден тұнбаға бөлініп шығу керек. Осы бөліну процесі аса қаныққан қатты ерітіндінің ыдырау нәтижесі болып табылады.

6.6 сурет.В компоненттерінің А еріткішіндегі ерітіндісінің күй диаграммасының солидусы

Атты денелердегі фазалық айналулардың температуралық емес себептері

Импульстік лазерлі техникасы бүгінде оптикалық квант генераторлары шығаратын жарық квантымен сәулелендіру кезінде… Осындай тепе-тендікте емес айналулар денеге басқа да энергия… Сәуле беру кезіндегі айналулар. Кристалға сәуле бергенде түзілетін нүктелік…

Атты денелердегі көлемдік айналуларды іс жүзінде пайдалану

Мартенситті айналу көміртекті болат-темірдің көміртекпен ( 2 масс.%) құймасын термиялық өңдеуде… Болатта көміртек екі түрлі кристалл формада болады: графит… Металл құймаларының дисперсиялық қаттылануы. Бұл құбылыс қатты…

Бөлім. ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕРДІҢ РЕАКЦИЯЛАРЫ

Атты денелердегі реакциялардың типтері

Қатты фазаның қатысуымен өтетін реакциялардың бірнеше ерекшеліктері бар. Оларды түсіну үшін химиялық… Әдеттегі «ылғал» химияда анықтайтын ең баяу процесс… 2-ерекшелік қатты дененің бетінің болуынан. Беттегі атомдар энергиясы көлемдегі энергиясынан…

Атты дене – сұйықтық реакциялары

Желінудің активтену энергиясы кристалл бетіндегі атомдардың потенциалдық энергиясына, яғни берілген атомның оны… Монокристалл қатты денелердің желінуіне сызықты… Тегістеуші желінудің ерекшелігі – кристалл құрылымына толық тәуелсіздік. Мұндай…

Атты дене – газ реакциялары

7.2-сурет. Тоттану реакцияларының кинетикалық қисықтары Тәжірибеден құрылымы… өскен сайын ары қарай оксидтенуге жол бермейтін берік кеуексіз… Кеуексіз тығыз оксид қабатының ары қарай өсуі 2 сатымен анықталады:

Атты дене – қатты дене реакциялары

Көп уақытқа дейін қатты денелер арасында реакциялар жүрмейді деген ұғым қалыптасып келді. Химиктерде… 7.4-сурет. Қатты фазада қосылу реакциясының… Ең типті қатты денелер реакцияларын қарастырамыз. қосылу реакциялары, мұнда…

Атты денелерді активтендіру

Әртүрлі физикалық және химиялық активтендіру әдістерін қарастырамыз. Механикалық өндеу. Егер механикалық өндеу… Суықта концентриленген ерітіндіден қиын еритін затты тұндыру – белсенді заттарды химиялық…

Атты дене ішіндегі реакциялар

Тотығу бірнеше сатыдан тұрады: 1)оттек молекуласын металл бетіне жеткізу; 2) оттек молекулаларының металл бетіне адсорбциялануы;

Бөлім. ХИМИЯЛЫҚ БАЙЛАНЫСЫ МЕТАЛДЫҚ СИПАТТАҒЫ МАТЕРИАЛДАР МЕН ҚЫШ

Металдық байланысы бар қатты денелер қандай талаптарға сай болу керек?

Металдық қатты денелер іс жүзінде қолданылу облысына байланысты жіктеледі: 1. Конструкциялық материалдар. 2. Өткізгіш металл материалдар.

Ймалардағы интерметалдық қосылыстар

  8.1-сурет. Ni-Sb (a) және Fe-Sb (б) жүйелеріндегі…  

Металдық моно-және поликристалдардың пластикалық қасиеттері

Қатты денелердің механикалық қасиеттерін қарастырғанда тек серпімді қасиеттері айтылды, бұл кезде дененің сығылуы мен созылуы Гук заңына бағынады. Механикалық жүктемемен әсер етіп, оны алған кезде дене деформацияға ұшырамайды.

Егер механикалық жүктеме ауырырақ болса, онда оны алған соң кристалл деформацияланады. Бұл жағдайда дене пластикалық деформацияланады деп айтады, механикалық кернеу мен деформация арасындағы қатынас Гук заңына бағынбайды.

 

8.2-сурет. Деформацияның жүктемеге тәуелділік қисығы.

Металдар мен құймалардағы жылжығыштық және болдыру құбылыстары

Бірақ мұндай жуықтау дөрекі, іс жүзінде деформацияның тұрақты мәні болмайды. Егер денеге… Жылжығыштықтың әрбір түрі температура мен…  

Металдық қатты денелердің беріктілігі мен қызуға төзімділігі

1) теориялық – монокристалдың идеал кристалл торында серпімді облыста деформация шарттарымен анықталады. 2) техникалық – нақты үлгілердің серпімді және… Беріктілікті (шын мәнінде қаттылықты) анықтау аспаптарының 2 типі бар:

Жаңа металл материалдардың даму перспективалары

8.5 сурет. Әртүрлі кезеңдердегі ұшу аппараттарының бетінің температурасы: 1 – 1930-жылдардағы оқыту…   материалдар жасаушылардың басты мақсаты – олардың термиялық төзімділігін…

Металдар мен құймалардың электр өткізгіштігі

Күміс пен алтын жоғары химиялық тұрақты, электронды аспаптарда қолданылады, ал мыс пен алюминий және… Электрөткізгіштігі маңызды екінші металл – алюминий. Ол…  

Асқын өткізгіш металдар мен құймалар

Материал Al V In Nb Sn Pb , K 1.19 5.4 3.4 9.46 3.72 7.18 Асқын өткізгіштерді (АӨ) кәдімгі өткізгіштерден ажырататын екі маңызда эффектісі…

Металл қатты денелердің магнетизмі

Сыртқы магнит өрісінде орналасқан дененің ішінде қосынды магнит өрісі болады. векторы – магниттік индукция… шамасы магнетик – дене бірлік көлемінің магниттік моментіне…  

Бөлім. ҚЫШ ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕР

Ыш материалдар туралы жалпы мәліметтер

9.1-сурет. Заттардың әртүрлі құрылымы: а) алмаз ж.о.к. торда ковалентті байланысқан…    

Конструкциялық қыш

  ҚМ-дағы ақаулардың негізгі түрі –… 9.2 сурет. Қыш (1, 2, 3) және металда (4, 5, 6) жарықшақтардың…

Радиоактивті материал мен қалдықтарды сақтау контейнерлері үшін қыш материалдар

1) қалдықтарды ерімейтін химиялық тұрақты затқа енгізеді; 2) бұл затты герметикалық контейнерге салады; 3) контейнерлерді құрғақ және стабильді геологиялық құрылымда…

Ыш фериттер

Табиғи ферримагнетикке типтік мысал – магнетит . Мұндағы темір иондарын Mg, Ni, Co, Mn, Cu … иондары ауыстыра алады, сонда… Фериттердің ферромагнетиктерден екі айырмашылығы бар: 1) жоғары магниттік қасиеттерінің жоғары изоляциялық қасиеттермен бірігуі;…

Сегнето- және пироэлектрлік қыш

Көптеген диэлектриктер үшін , бірақ мәндері өте жоғары диэлектриктер бар. Онда - сызықты емес… 1945 ж. совет ғалымы Б.М.Вул сегнетоэлектрик - ашты, сосын …

Асқын өткізгіш қыш

Жоғары температуралық асқынөткізгіштікті (ЖТАӨ) электронды техникада қолдану тез пайда алып келеді. Нөлдік… Студенттердің өз білімдерін тексеруге арналған… 1.Қыш материалдар. Конструкциялық қыш.

Бөлім. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕР ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ МӘЛІМЕТТЕР

ЖӨ-де электр өрісінің әсерінен электрондардың орын ауыстыруы электрондарды валенттік аумақтан өткізгіштік… ЖӨ-тердегі маңызды құбылыс – заряд тасушылардың… ЖӨ техникада қолданылуы п және р – типті кристалдардан тұратын құрылымды…

Бөлім. КОМПОЗИЦИЯЛЫҚ МАТЕРИАЛДАР АЛУ НЕГІЗДЕРІ

Композициялық материалдардың жіктелуі

Беріктігі және қатаңдығы (беріктік – бұзылуға қарсылық, қатаңдық –… Құралымдық (конструкциялық) композит алудың…

Матрица және талшық материалдарын талдау

1. Шыныпластик – полиэфир шайырынан жасалған матрицадағы қысқа шыны талшықтар. Ол автомобиль, қайық,… 2. Термореактивті пластиктер – тізбектерінің арасындағы… Жоғары температуралар үшін металл матрицаларды қолданады. Бірақ олар ауыр. Жылуға…

Композит құрылымын және оны дайындау тәсілін таңдау қағидалары

  11.2-сурет. Композициялық материалды дайындау сызбанұсқасы

ДЕБИЕТТЕР

 

1. Фистуль В.И. Физика и химия твердого тела . Т. 1,2. Металлургия, 1995.

МАЗМҰНЫ

КІРІСПЕ

Материалтану. Пәнді оқыту мақсаты

1.1 Негізгі химиялық тұсініктер 6 1.2. Қатты денелердің жіктелуі 8 1.3. Статистикалық физика және химиялық термодинамика негіздері 12

АТТЫ ДЕНЕЛЕРДЕГІ АҚАУЛАР

4.1. Кристалдардағы ақаулар туралы жалпы тұсініктер 50

4.2.Қатты денелердегі сызықты және жазық ақаулар. 58

4.3. Көлемдік ақаулар. 64

АТТЫ ДЕНЕЛЕР БЕТІНДЕГІ ҚҰБЫЛЫСТАР

5.2. Беттің құрылымы. 66 5.3. Жұғу және ағу құбылыстары. 68 5.4. Газдардың қатты денелер бетіндегі физикалық адсорбциясы. 68

ХИМИЯЛЫҚ БАЙЛАНЫСЫ МЕТАЛДЫҚ СИПАТТАҒЫ МАТЕРИАЛДАР МЕН ҚЫШ.

8.1. Металдық байланысы бар қатты денелер қандай талаптарға

сай болу керек? 92

8.2. Металдар мен құймалардағы жылжығыштық және

болдыру құбылыстары 93 8.3. Жаңа металл материалдардың даму перспективалары 96

8.4. Металдар мен құймалардың электрөткізгіштігі 98

8.5. Металл қатты денелердің магнетизмі 99

ЫШ ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕР

9.1 Қыш материалдар туралы жалпы мәліметтер 103

9.2 Конструкциялық қыш 105

9.3 Радиоактивті материал мен қалдықтарды сақтау

контейнерлер үшін қыш материалдар. 108

9.4 Қыш фериттер 109

9.5 Сегнето- және пироэлектрлік қыш 111

9.6 Асқын өткізгіш қыш 112

ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕР ТУРАЛЫ

ЖАЛПЫ МӘЛІМЕТТЕР112

КОМПОЗИЦИЯЛЫқ МАТЕРИАЛДАР АЛУ НЕГІЗДЕРІ

11.1. Композициялық материалдардың жіктелуі 117

11.2. Матрица және талшық материалдарын талдау 118

11.3. Композит құрылымын және оны дайындау

тәсілін таңдау қағидалары 119

 

 

ДЕБИЕТТЕР