№ 7 дәріс. Металдық қорытпалар туралы жалпы мәліметтер.

Ө неркә сіпте, оның ішінде машина, ұ шақ, кеме, ракета, қ ұ рал-аспаптар жасау жә не т. б., таза металдар кең інен қ олданыла бермейді, ө йткені кө п жағ дайларда олар талап етілетін механикалық жә не технологиялық қ асиеттер комплексін қ амтамасыз ете алмайды. Кө бінесе металдық қ орытпалар қ олданылады — олар екі жә не одан кө п элементтерден тұ ратын зат. Қ орытпа қ ұ рамына кіретін элементтерді, оның компоненттері деп атайды.

Олардың тү рлену процесі кезінде металдар мен қ орытпаларда ө тетін қ ұ былыстарды зерттеу кезінде «жү йе», «фаза», «компонент» деген ұ ғ ымдарды қ олданады.

Жү йе деп белгілі бір сыртқ ы жағ дайларда (температура, қ ысым) тепе-тең дікте болатын фазалар жиынтығ ын атайды. Жү йе, егер ол бір элементтен тұ ратын болса, қ арапайым, ал бірнеше элементтен тұ ратын болса кү рделі болады.

Фаза деп химиялық қ ұ рамы мен ішкі қ ұ рылымы бойынша жү йенің біртекті бө лігін атайды, ол басқ а бө ліктерден бө ліну беттігі бойынша оқ шауланады. Металдар мен металл еместер, сұ йық жә не қ атты ерітінділер, химиялық қ осылыстар фазалар бола алады. Бір фазалы жү йе болып, мысалы, біртекті сұ йық, ал екі фазалы болып – екі металдың механикалық қ оспасы табылады.

Компоненттер деп жү йені қ ұ райтын заттар аталады. Химиялық элементтер (металдар жә не металл еместер) немесе тұ рақ ты химиялық қ осылыстар компоненттер бола алады.

Қ орытпаның компоненттері сұ йық кү йде, кө п жағ дайларда, бір-бірінде ериді жә не сұ йық ерітіндіге айналады(9, а сурет), онда ә ртү рлі элементтердің атомдары бір бірімен бірқ алыпты араласқ ан. Кристалдану кезінде қ орытпа компоненттері ө зара ә рекеттеседі, оның қ ұ рылымы ә рекеттесу сипатына тә уелді болады. Кө бінесе қ атты ерітінділер, химиялық қ осылыстар жә не механикалық қ оспалар кездеседі.

Қ атты ерітінді деп екі немесе оданда кө п компонеттерден тұ ратын, оның біреуі кристалдық торын сақ тай отырып, еріткіш болатын, ал екіншісі (немесе басқ алары) еріткіштің кристалдық торында оның тиін ө згертпестен таралатын затты атайды. Тепе-тең дік жағ дайларында, қ атты ерітіндінің микроқ ұ рылымы жеткілікті біртекті жә не қ ұ рамы бойынша бірдей тү йірлерді кө рсетеді жә не таза металл қ ұ рылымына ұ қ сас болады. Еріткіштің кристалдық торында еріген заттың атомдарының таралу сипатына тә уелді, қ атты ерітінділерді орын басушы (9, б сурет) жә не ендірілетін (9, в болып) бө лінеді. Қ атты кү йдегі ерігіштік шектеусіз жә не шектелген бола алады. Шектеусіз ерігіштік кезінде еріген заттың кез-келген концентрациясы мү мкіндікті (0-ден бастап 100 % дейін) (еріген заттың концентрациясы 50 % асқ анда еріткіш бола алады).

а — сұ йық ерітінді L; б — қ атты ерітінді α -орын басу; в — қ атты ерітінді

α -ену; г — химиялық қ осылыс А_nВ_т; д — механикалық қ оспа А жә не В

9 сурет – Металдық қ орытпалардағ ы фазалар

Ендірілетін қ атты ерітіндінің тү зілуі кезінде (10, б сурет) еріген компоненттің атомдары еріткіштің кристалдық торының торабтары арасында (қ уыстарда, бос жерлерде) жайғ асады. Бұ л кезде атомдар кез-келген қ уыста емес, ал олар ү шін барынша еркін кең істік болатын бос жерлерде орналасады. Енуші қ атты ерітінді жағ дайында еріткіш торының кезең і барлық уақ ытта артады.

10 сурет – Орын басушы (а) жә не ендірілетін (б) қ атты

ерітіндінің кристалдық торы

Орын басушы қ атты ерітіндінің тү зілуі кезінде тордың кезең і, еріткіш пен еріген компоненттің атомдық радиустарының қ атынасына байланысты артуыда немесе кемуіде мү мкін. Мысалы, тығ ыз орналасқ ан ГЦК торғ а октаэдрлік кеуектер ең оң тайлы бола алады (алты атом-шарлардың орталығ ы, олардың арасында кеуектер пайда болады жә не олар октаэдрдің шың дарына орналасқ ан) (10, а сурет).

Шектеусіз ерігішті орын басушы қ атты ерітіндінің тү зілуі ү шін келесі талаптардың сақ талуы қ ажет:

1. компоненттер типтері бойынша (изоморфты) бірдей кристалдық торғ а ие болуы керек. Тек осы жағ дайда ғ ана, қ атты ерітіндінің концентрациясы ө згергенде, бір компоненттің кристалдық торынан екінші компоненттің торына ү здіксіз ө ту мү мкіндікті болады.

2. Δ R компоненттердің атомдық мө лшерлеріндегі айырмашылық аз болуы қ ажет жә не 8-15 % аспауы керек.

3. компоненттер элементтердің периодтық жү йесінің бір тобына немесе аралас жақ ын топтарғ а жатуы керек жә не осығ ан байланысты атомдардағ ы электрондардың валенттік қ абық тары қ ұ рылымы бойынша жақ ын болуы қ ажет.

Егер қ орытпаның екі компоненті жоғ арыдағ ы талаптарғ а сә йкес келмесе, онда олар бір бірінде тек қ ана шектеулі ериді. Нақ ты қ орытпаларда, кө п жағ дайларда, шектеулі ерігішті қ атты ерітінділер байқ алады.

Барлық металдар бір бірінде қ андайда бір дә режеде қ атты кү йде ери алады, мысалы, алюминийде 5, 5 % дейін мыс ери алады, ал мыста 39 % Zn олардың кристалдық торларының типтерінің ө згерісінсіз ериді. Компоненттер кристалдық торда кез келген мө лшерлік қ атынастарда бір-бірінің орынын баса алғ ан жағ дайларда, қ атты ерітінділердің ү здіксіз қ атарлары тү зіледі.

Мысалы, қ атты кү йде ГЦК-торлы келесі металдар шектеусіз ери алады: Ag жә не Аu (Δ R = 0, 2 %), Ni жә не Сu (Δ R = 2, 7 %), Ni жә не Rd (Δ R = 10, 5 %) жә не басқ., сонымен қ атар ОЦК-торлы металдар: Мо жә не W (Δ R = 9, 9 %), V - Ti (Δ R = 2 %). Ү лкен атомдық диаметрге ие болатын Na, Ca, Rb, Pb, Sr жә не басқ алары сияқ ты металдар, Fe_v, Cu, Ni ерімейді. Дегенмен, тіпті аталғ ан шарттар сақ талғ ан кездеде қ атты ерітінділердің ү здіксіз қ атары пайда болмауы мү мкін.

Салыстырмалы тө менгі температураларғ а тұ рақ ты қ атты ерітінділер ретті қ атты ерітінділер немесе жоғ ары қ ұ рылымды деп аталады. Толығ ымен реттелген ерітінділер, қ орытпадағ ы компонеттердің қ атынасы тұ тас санғ а тең болғ анда тү зіледі: 1: 1, 1: 2, 1: 3 жә не т. б. Бұ л жағ дайда ретті қ ұ рылымды қ орытпағ а химиялық қ осылыстар тең деуін жазуғ а болады, мысалы, СuАu немесе Сu₈Аu.

Реттелген қ атты ерітінділерді қ атты ерітінділер мен химиялық қ осылыстар арасындағ ы аралық фазалар ретінде қ арастыруғ а болады. Екі компоненттің де атомдарының торда дұ рыс орналасуы жә не қ асиеттерінің кү рт ө згеруі химиялық қ осылыстарғ а сипатты. Дегенмен, реттелген қ атты ерітінділерде, химиялық қ осылыстарғ а қ арағ анда, еріткіштің торы сақ талады, жә не белгілі бір температурағ а дейін қ ыздырылғ анда (Курнаков нү ктелері) реттелу дә режесі біртіндеп тө мендейді, ал бұ л температурадан жоғ ары жағ дайда қ атты ерітінді ретсіздікке кө шеді. Реттелген қ атты ерітінділердің пайда болуы физикалық (магниттік қ асиеттері, электркедергісі жә не басқ. ) жә не механикалық қ асиеттерінің ө згеруімен қ атар жү реді. Беріктігі артады, ал илемділігі нашарлайды.

Химиялық қ осылыс деп (9, г сурет) ндұ рыс валенттік заң ы бойынша тү зілген затты атайды, оның сипатты ерекшеліктері келесідей:

1. кристалдық тор қ осылыс тү зейтін компонеттер торынан ерекшеленеді;

2. қ осылыста барлық уақ ытта компонеттердің қ арапайым еселі қ атынасы сақ талады. Бұ л олардың қ ұ рамын А_nВ_m тең деуімен кө рсетуге мү мкіндік береді, мұ ндағ ы А мен В — сә йкес элементтер; n мен т — жай сандар;

3. қ осылыстың қ асиеттері оны тү зейтін компоненттердің қ асиеттерінен кү рт ө згерісті болады;

4. балқ у температурасы (диссоциация) тұ рақ ты;

5. химиялық қ осылыстардың тү зілуі біршама жылулық эффектімен жү реді.

Металдық қ орытпалардағ ы химиялық қ осылыстар жә не оларғ а табиғ аты бойынша жақ ын фазалар ә ртү рлі болады. Қ атты ерітінділерден ерекше, химиялық қ осылыстар атомдары мен кристалдық торларының электрондық қ ұ рылымында ү лкен айырмашылық болатын компоненттер арасында тү зіледі. Дұ рыс валенттікті типтік химиялық қ осылыстарының мысалы ретінде, магнийдің периодтық жү йенің IV-VI тобының элементтерімен қ осылыстарын кө рсетуге болады: Mg₂Sn, Mg₂Pb, Mg₂P, Mg₃Sb, Mg₃Bi₂₎ MgS жә не басқ.

Бір металдың басқ а металдармен қ осылысы интерметаллидтер, немесе интерметалдық қ осылыстар деген атқ а ие болады.

Металдық байланысқ а ие бола алатын, металдың металл емеспен (нитридтер, карбидтер, гидридтер жә не т. б. ) қ осылысында жиі металдық қ осылыстар деп атайды. Металдық қ орытпаларда тү зілетін химиялық қ осылыстардың кө п бө лігі типтік химиялық қ осылыстардан кейбір ерекшеліктері бойынша айрық шаланады, ө йткені валенттік заң ына бағ ынбайды жә не тұ рақ ты қ ұ рамда болмайды. Тө менде қ орытпаларда тү зілетін ең маң ызды химиялық қ осылыстар қ арастырылады. Қ атты ерітінділермен салыстырғ анда химиялық қ осылыстар атомдарының электрондық қ ұ рылымы ерекше болатын компоненттер арасында пайда болады.

Ендіру фазалары. Ө тпелі металдар (Fe, Mn, Сг, Мо жә не басқ. ) кө міртегімен, азотпен, бормен жә не сутегімен, яғ ни аз атомдық радиусты элементтермен қ осылыстар тү зейді: карбидтер, нитридтер, боридтер жә не гидридтер. Олардың қ ұ рылымы мен қ асиеттері жақ ын болады жә не кө бінесе ендіру фазалары деп аталады. Ендіру фазаларының тең деуі М₄Х (Fe₄N, Mn₄N жә не басқ. ), М₂Х (W₂C, Mo₂C, Fe₂N жә не басқ. ), MX (WC, VС, TiC, NbC, TiN, VN жә не басқ. ) тү рде болады.

Ендіру фазаларының кристалдық қ ұ рылымы метал емес (R_x) пен металдың (R_м) атомдық радиустарының қ атынасымен анық талады. Егер r_x/r_m < 59, онда металл атомдары бұ л фазаларда қ арапайым кристалдық торлардың бірінің типі бойынша орналасады: кубтық (К8, К12) немесе гексагональдық (Г 12), оғ ан металл еместің атомы енеді жә не онда белгілі бір кеуектерге жайғ асады. Егер R_X/R_M < 0, 59 шарты орындасмаса, темір, марганец жә не хром карбидтерінен байқ алатындай, онда кү рделі торлы қ осылыстар тү зіледі, жә не мұ ндаә қ ослыстарды ендіру фазасы деп атауғ а болмайды.

Ендіру фазалары ауыспалы қ ұ рам фазалары болып табылады. Ендіру фазаларына жататын карбидтер мен нитридтер, жоғ ары қ аттылық ты болады.

Ендірудің қ атты ерітінділері мен ендіру фазаларының негізгі айырмашылық тары: ендірудің қ атты ерітінділері екінші компоненттің {С, N, Н) тө менгі концентрациясында тү зіле алады жә не еріткіш металының торына ие болады, ал ендіру фазалары металл торынан ерекшеленетін кристалдық торды алады.

Енгізу фазалары базасында алып тасталатын қ атты ерітінділер жең іл тү зіледі, оларды кейде ақ аулы торлы қ атты ерітінділер депте атайды. Алып тасталатын қ атты ерітінділерде компоненттердің бірінің атомдары болатын тор торабының бір бө лігі бос қ алады. M_nX_m стехиометриялық қ атынасымен салыстыру бойынша басқ а компонет болады. Алып тастау ерітінділері, мысалы, карбидтерде VС, TiC, ZrC, NbC жә не басқ. тү зіледі.

Электрондық қ осылыстар. Бұ л қ осылыстар, бір жағ ынан, кө бінесе бірвалентті металдар (Сu, Ag, Аи, Li, Na) немесе ө тпелі топтың металдары (Fe, Mn, Co, жә не басқ ) арасында пайда болады, ал екінші жағ ынан валенттігі 2-ден 5 дейінгі қ арапайым металдармен (Be, Mg, Zn, Cd, Al жә не басқ. ) арасында жү реді. Бұ л типтегі қ осылыстар валентті электрондар санының атомдар санына анық талғ ан қ атынасында болады, яғ ни белгілі бір электрондық концентрацияда. Мысалы, бұ л қ атынастың бір жағ дайларда 3/2 (1, 5); екіншіде — 21/13 (1, 62), ү шінші жағ дайда — 7/4 (1, 75) тең болатыны белгілі. Ә рбір кө рсетілген қ атынасқ а кристалдық тордың белгілі бір типі сә йкес келеді.

Электрондық концентрациясы 3/2 (1, 48) тең барлық қ осылыстар, кубтық кө лемді орталық тандырылғ ан, кү рделі кубтық немесе гексагоналдық торғ а ие болады жә не β -қ осылыс ретінде белгіленеді. Осы типтегі қ осылыстарғ а жататындар: CuBe, CuZn, Cu₃Al, Cu₅Sn, CoAl, FeAl жә не басқ алары.

21/13 (1, 62) электрондық концентрациялы қ осылыстар кү рделі торғ а ие болады жә не γ -фазамен белгіленеді, оларғ а жататын қ осылыстар Gu₅Zn₈, Gu₅Cd₈, Fe₅Zn₂₁, Co₅Zn₂₁ жә не басқ алары.

Электрондық концентрациясы 7/4 (1, 75) қ осылыстар тығ ыз орналасқ ан гексагоналды торғ а ие болады, ε -фазамен белгіленеді. Осы типтегі қ осылыстарғ а жататындар: CuZn₃, CuCd₃, Cu₃Si, Cu₃Sn, Au₈Sn жә не басқ.

Электрондық қ осылыстар, кә дімгі химиялық қ осылыстарғ а ұ қ сас, оларды қ ұ раушы компоненттер торынан ерекшеленетін кристалдық торлы болады. Бірақ, дұ рыс валентті химиялық қ осылыстармен салыстырғ анда, электрондық қ осылыстар ө здері қ ұ ралатын компоненттермен концентрацияның кең интервалында қ атты ерітінділер тү зеді.

Лавес фазалары. Бұ л фазалардың тең деуі АВ₂ жә не атомдық диаметрлердің D_A/D_B ≈ 1, 2 (кө бінесе 1, 1-1, 6) қ атынасы кезінде, А жә не В типті компоненттер арасында тү зіледі. Лавес фазалары тығ ыз орналасқ ан гексагоналды кристалдық торда (MgZn₂жә не MgNi₂) немесе бү йірлі орталық тандырылғ ан кубтық торлы (MgCu₂) болады. Лавес фазасына жататындар AgBe₂, СаА1₂, TiBe_a, TiCr₂ жә не басқ. (тип MgCu₂) немесе BaMg₂, MoBe₂, TiMn₂ жә не басқ. (тип MgZn₂).

Қ арастырылғ ан металдық қ осылыстардан ө зге, бірқ атар басқ а қ осылыстарда болады, мысалы никельарсенидті қ ұ рылымды фазалар NiAs, сонымен қ атар арнайы белгілері бар фазалар.

Механикалық қ оспа (9, д сурет) қ орытпаның компоненттері қ атты кү йде ө зара еруге қ абілетсіз болғ ан кезде пайда болады жә не химиялық қ осылыс тү зей отырып, химиялық реакцияғ а тү спейді. Бұ л кезде, А жә не В таза компоненттерінің тү йірлерімен кезектескен қ орытпаның екі фазалы қ ұ рылымы пайда болады.

Ә дебиет: 5 нег. [5-16].

Бақ ылау сұ рақ тары:

1. Қ орытпаларды зерттеу кезінде қ андай ұ ғ ымдар қ олданылады?

2. Сұ йық жә не қ атты ерітінділер деп қ андай заттарды атайды?

3. Ендірілуші қ атты ерітінділерге сипаттама берің із.

4. Қ орытпаларда тү зілетін химиялық қ осылыстардың анық тамалары мен тү рлері.

5. Электрондық қ осылыстарғ а сипаттама берің із.

6. Компонеттердің механикалық қ оспасы нені кө рсетеді?

12 Следующая ⇒