Дәріс 1. «Материалтану» пәніне кіріспе. Пәннің мәні мен мақсаты, негізгі анықтамалар және түсініктемелер.

Дәріс сабақтарының конспектісі

Материалтанудың даму жолын 15 – 25 жылға болашақта, ғылыми тұрғыдан толық дәрежеде болжау өте қиын мәселе, себебі ғылым мен техника күннен – күнге қарқынды дамуда, материалдарға қойылатын жаңа талаптар жоғарлауда және күшеюде. Атақты ғалым – металлург А.А. Байковтың айтуы бойынша: «Барлық маңызды және ірі физика – техникалық және инженерлік зерттеулердің оптималды мүмкіндіктерін материал анықтайды».Физика, химия, металлургия, металлтану және технология салаларының алдыңғы қатарлы жетістіктері, ерекше қасиеттері бар жаңа заман талаптарына сай жаңа заман материалдарын жасаумен қатар ғылымның, техниканың және өндірістің қарқынды дамуына мүмкіндік береді.

Материалтану ғылымының металтану ғылымынан айырмашылығы, металдар мен қорытпалар ғана емес, металл емес заттар (пластмассалар, керамикалар, композиттер, ұнтақтар және т.с.с.) материалдардың кең зерттеледі.

Қазіргі замандағы материалтану – материалдардың электронды құрылымының, құрамының, құрылысының және химиялық, физикалық, технологиялық, қызметтік қасиеттерінің байланысын және олардың өзгеруін пайдалану кезінде әр түрлі термо – динамикалық және кинетикалық жағдайларда температуралық, механикалық, механика – термиялық және химия – термиялық тәуелділіктің өзгеру заңдылығына байланысты тағайындайтын ғылым.

Теориялық материалтанудың мақсаты – материалдар қасиеттерінің өзгеруін зерттеу, олардың құрамына, құрылымына, құрылысына, күй – жайына тәуелділікті анықтау, сонымен қатар олардың қасиеттеріне әсер ететін барлық факторларды зерттеу заңдылықтарын тағайындау. Ғылым ретінде материалтанудың негізгі мақсаты, материалдардың элементтік құрамы есептелетіннегізгі теория жасалады, ол үшін материалдардың пайдалану жағдайларында талап етілетін қасиеттерді алу, ол төтенше жағдайларда да тұрақты болуы керек.

Техникалық материалтанудың негізгі мәні – оптималды жоғары үнемді материалдарды және технологияларды жасаудан тұрады, олар металлургиялық және машина жасау өнімдерінің талап етілетін сапасы мен қасиеттерін қамтамасыз етеді. Техникалық материалтанудың мақсатына машина жасау өндірісінің бұйымдары мен шалафабрикаттарының қызметтік және пайдалану қасиеттерін жақсартумен байланысқан мәселелер, дәлдікті жоғарлату, механизмдер мен аспаптардың сенімділігі мен жұмысқа қабілеттілігін жоғарлату, олардың массасын төмендету, қымбат металдарды арзан металдар немесе қасиеттері жағынан тура келетін синтетикалық материалдармен алмастыру сияқты маңызды техникалық мәселелерді шешу болып табылады.

Қойылған мәселелерді нәтижелі шешу үшін болашақта жасалатын материалдардың өзекті мәселелерін анықтау қажет. Оның негізгі көрсеткіштері:

1. Қымбат тұратын және орны толмайтынметалдар қорын жаңа органикалық немесе бейорганикалық материалдармен алмастыру. Қазіргі кезде жаңа материалдар металдардың шамамен 6% – ғана ауыстыра алды.

2. Ерекше қасиеттері бар металдарды қолдану ауқымын кеңейту, бірінше кезекте атомдық, реактивті, электронды және ғарыш ғылымдары және техникасының қажеттіліктеріне арналған сирек және сирек жер металдарын қолдану.

3. Титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, рений сияқты қиын балқитын ауыспалы металдарды оптималды мөлшерде қолдану және алу, жұмыс температурасы интервалын кеңейту, ыстыққа беріктік және ыстыққа төзімділік шегін жоғарлату.

4. Таза және өте таза заттарды және вакуумды металлургияны алу технологиясын жасау. Тазартудың жаңа әдістерін қолдану – ион – алмастырғыш хроматография, иодидті әдіс, электролиз, дистилляция, газды фазада кристалдау. Атомдық реакторларға арналған уранды бор, литий, кадмий сынаптың жүз мыңдық пайыздық үлесінің қоспасы жарамсыздыққа алып келеді. Термоядролық реакторлардың материалдары үшін қоспалар үлесі 10^-8 – 10^-10% дәрежесінен аспауы керек. Ал жартылай өткізгіштер үшін, ол одан да аз 10^-14% болуы керек.

5. Асқын өткізгіштерді зерттеу және жасау. Сұйық гелий атмосферасында (4,2 К) жұмыс істеуге қабілетті жоғары температуралы асқын өткізгішті металдарды және материалдарды алу.

6. Асқын өткізгішті материалдарды жасау және асқын өткізгіштік режиміндегі энергия үнемдейтін технологиялар арқылы бұйымдарды алу.

7. Эвтектикалық және эвтектоидтық қорытпалар негізінде табиғи композиттерді жасау.

8. Жылулық морттылық аймағы жоқ, қиын балқытын және сирек кездесетін металдарда жоғары созымды және аса таза монокристалдарын өсіру. Аққыштық құбылысын төмендету және өткізгіш – диэлектрик шекарасында жоғары вольтты беріктіктті жоғарлату үшін, берілген кристаллографиялық бағыттаушысы бар монокристалдарды өндіру технологиясын игеру.

9. Темір, алюминий, мыс, титан, никель негізіндегі дәстүрлі материалдарды алу және өндіру технологиясын жетілдіру. Өндірістік металдардың тізімін кеңейту. 104 химиялық элементтің 76 – сы металл болып табылады, соның 10 – нан астамы ғана қолданылады.

10. Экстремалды жағдайларда қолдану кезіндегі материалдар құрылымы мен қасиеттерін басқару: жоғары және төмен температуралар, абсолютті вакуум, аса жоғары қысым, жоғары толқындар, жоғары жылдамдықтар және зымырау, әр түрлі сәулеленулер және жоғары энергия бөлшектері, күшті электрлік, магниттік және ультрадыбысты аймақтар, сәйкестіктің болмауы, ашық ғарыш және т.с.с. Пәннің теориялық негіздеріне физика және химияның сәйкес бөлімдері болып табылады, бірақ материалдар туралы ғылым қолданбалы болып табылады және тәжірибелік жолмен дамуда.

Сондықтан құрылымды (құрылысты) зерттеудің жаңа әдістері және физика – механикалық қасиеттерін жасау материалдар туралы ғылымның одан әрі дамуына көмектеседі. Машина жасау материалдары туралы ғылымның дамуына үлкен үлес қосқан Д.К. Чернов, 1868 жылы қатты күйіндегі болаттың құрамына байланысты белгілі бір температураға дейін қыздырғанда, олардың қасиеттерінің өзгеруіне алып келетін ішкі түрленулер өтетіні анықталған. Соның нәтижесінде материалдардың құрылымы, қасиеттері және құрамы арасындағы байланыс көрсетілген болатын. Д.К. Черновтың жаңалығын бүкіл әлем мойындады. Критикалық нүктелер деп аталатын, металдардың ішкі түрленулері өтетін температуралар туралы Д.К. Черновтың көзқарасы металдар мен қорытпалардың қасиеттерін өзгертудің кеңінен таралған әдісі – термиялық өңдеу туралы ғылымның негізі болды. Д.К. Черновтың жаңалығына П.П. Аносовтың жұмыстары да негіз болды, ол өз зерттеулерінде болаттың сапасы оның химиялық құрамына ғана емес, оның құрылымына да тәуелді болатынына көңіл аударды; бірінші рет уландырылған болатты зерттеу үшін микроскоп қолданды, сонысымен макро – және микроскопиялық талдаудың бастамасына жол салды. Физика – химиялық зерттеулердің және күрделі фазаларды сыныптаудың әдістерін дамытуда Н.С. Курнаковтың жұмыстары маңызды орын алады; ол өз зерттеулерінде қорытпа қасиеттері олардың құрамына тәуелді болатыны туралы тұжырым жасады. Орыстың ұлы ғалымы А.М. Бутлеровтың жұмыстарына, органикалық қосылыстардың химиялық құрылымының теориясы еңбегі, синтетикалық материалдарды (полимерлер, пластмассалар) алудың ғылыми негізіне жол ашты. С.В. Лебедев әлемде бірінші рет синтетикалық каучуктың өнеркәсіптік өндірісін жасады. Металдарды өркениеттің іргетасы деп атады. Егер өнеркісіптің дамуын бақылайтын болсақ, онда өркениетті адамзат қоғамы жағдайының өсуімен қатар, олардың металға деген қажеттілігінің өсуін байқауға болады. Металдар конструкциялық материалдарды жасау үшін кеңінен қолданылатын құралғыштар болып табылады. Олар қорытпаның негізі немесе легірлеуші қоспалар және өте сирек таза күйінде қолданылады. М.В. Ломоносов металдарға келесі анықтама берді: «Металдар мағынасы – жылтыр денелер, оларды соғумен өңдеуге болады». Уақыт өте келе бұл анықтама қатты өзгеріске ұшырады.

Металдар деп – кристалдық торы бар, металдық жылтырлығымен ерекшеленетін, жақсы жылу және электр өткізгіштікке, жоғары созымдылық пен пісірілгіштікке ие болатын химиялық элементтерді атаймыз. Металдар қара және түсті деп бөлінеді. Қара металдарға темір және оның қорытпалары, кобальт, марганец, никель (қара – сұр түске ие, үлкен меншікті салмағы бар, жоғары балқу температурасымен, салыстырмалы жоғары қаттылыққа ие болады) жатады. Өз кезегінде қара металдар төмендегідей топтарға бөлінеді:

– темір металдары (ферромагнетиктер деп аталатын темір, кобальт, никель, және оларға жақын марганец);

– қиын балқитын – балқу температуралары темірдің балқу температурасынан (1539 єС) жоғары болатын;

– уранды металдар – актинидтер, атомдық энергетикаға арналған;

– сирек жер металдары (СЖМ) – басқа металл қорытпаларына қосым ретінде қолданылады;

– сілтілік жер металдары.

Түсті металдардың бөлінуі:

– жеңіл – меншікті салмағы аз болатын (алюминий, магний, бериллий);

– ауыр – мыс, висмут, мышьяк және т.б.;

– асыл – күміс, алтын, палладий, иридий, осмий, платина, рутений;

– жеңіл балқитын – мырыш, қалайы, қорғасын және т.с.с.

Сонымен қатар, әр түрлі температуралар кезінде екі және одан да көп тұрақты түрдегі кристалдық торы бар металдар кездеседі. Бір металдың әр түрлі температуралар кезінде түрлі кристалдық тор түрлерінің (түрөзгертуге) болуы полиморфизм немесе аллотропия деп аталады. Кристалдық тор құрылымының өзгеруі, міндетті түрде қасиеттерінің өзгеруін тудырады. Полиморфты металдарға темір, кобальт, қалайы, марганец, титан, цирконий, уран жатады. Бір ғана кристалдық торға ие болатын металдар изоморфты деп аталады.

Материалтанудаң даму келешегі және оны жаңа даму деңгейіне жеткізу үшін құрылым, физикалық және химиялық қасиеттер туралы тәжірибелік ақпараттарды алу, оларды мыңдаған жаңа қорытпалар және қосылыстармен байланысын зерттеу, материалдарды теориялық жинақтау, жалпы заңдалақтарды белгілеу және берілген оптималды үйлестірілген құрылымымен механикалық, электрофизикалық, технологиялық және эксплуатациялық қасиеттерімен металдық материалдарды жасау жолдарының ұсыныстарын беру керек. Басқа сөзбен айтқанда, металл және металл емес материалдар негізінде «ескі» металтануды қарқынды дамыту және «жаңа» материалтануды жасау керек. Ғылыми – техникалық прогресс және ғылым мен техниканың жаңа бағыттары қатарының дамуы, тек қана жаңа конструкциялық материалдарды жасауды ғана талап етпейді, сонымен қатара техниканың әр түрлі салаларында қолданылатын конструкциялық және аспаптық материалдарды жасаудағы өңдеу әдістерін де жасауды талап етеді. Қатты денелердің нақты құрылымын зерттеу, теориялық зерттеулерге жақын, атом аралық байланысы анықталған беріктігімен берік материалдарды алу, пішінін есте сақтайтын композициялық материалдарды жасау және т.б. принциптік мүмкіндігін көрсетеді.

Нег. 3 [8 – 12]

Бақылау сұрақтары:

1 Материалтану дегеніміз не?

2 Материалтанудың мәні неде?

3 Материалтанудың мақсаты неде?

4 Материалтанудың қандай өзекті мәселелерін білесіз?

5 Материалтану қандай негізгі бөлімдерге бөлінеді?

6. Металдар дегеніміз не?

7. Металдар қандай топтарға бөлінеді?

8. Қара металдарға қандай металдар жатады?

9. Түсті металдарға қандай металдар жатады?

10. Қандай металдар қиын балқитын металдар деп аталады?

Дата добавления: 2015-11-14