Кристалдану кезінде түзілген түйіршіктердің формасы олардың өсу шарттарына, әсіресе, жылудың бөлініп шығу жылдамдығы мен бағытына және сұйық металдың, сондай-ақ қоспаның температурасына тәуелді.
Түйіршіктердің өсуі дендриттік (ағашқа ұқсас) схема бойынша жүреді. Кристалдардың өсу жылдамдығы тор атомдарының орналасу тығыздығы көп болатын жазықтықтар мен бағыттар бойында өте үлкен болады. Мұның нәтижесінде бірінші реттік ось деп аталатын ұзын бұтақ өсіп шығады. Мұнан әрі осы осьтерде екінші реттік бұтақтар т. б. пайда болады. Мұнымен қоса қабат дендрит осьтерінің арасындағы учаскелерде кристалдану процесі жүріп жатады.
Дендриттер бір-бірімен түйіскенше өсе береді. Осыдан кейін осьтерсындағы кеңістік біржолата толады да, дендриттер сыртқы қырлары дұрыс емес толық кристалдарға айналады. Мұндай кристалдар түйіршіктер немесе кристалиттер деп аталады.
Түйіршіктер арасындағы шекараларда, дендрит осьтері арасындағы учаскелерде қоспалар жиналады, кішіреюдің салдарынан және сұйық металдың кристалдану фронтына жақындаудың қиындығынан кеуектер пайда болады.
Кристалдану кезінде жылудың бөлініп шығу шарты едәуір дәрежеде түйіршіктедің формасына әсер етеді. Бұл жағдайда сом болаттың кристалдану мысалынан көрінеді.
Сом болаттың кристалдануы үш сатыда жүреді. Құйма бетінде әуелі ұсақ кристалдар зонасы 1-зона түзіледі, бұл салқын металл формасының әсерінің нәтижесі. Ал салқын металл формасы құйманың алғашқы қатаю кезеңінде металдың сууын шапшаңдатады. Одан әрі жылудың бөлініп шыққан бағытымен созылып жататын үлкен кристалдар (2-зона) өсіп шығады.Оларды бағаналы кристалдар деп атайды. Ақырында салқындату дәрежесі аз байқалатын құйманың орта тұсында үлкен мөлшердегі тепе-тең кристалдар түзіледі (3-зона).
Белгілі бір жағдайларда (сұйық металдың аса қызуы, қоспалардың аз болуы т. б.) ірі тепе-тең кристалдар зонасы толығымен жойылады. Құйманың құрылымы іс жүзінде тек қана бағаналы кристалдардан ғана тұрады және ол транскристалл құрылымды деп аталады. Бағаналы кристалдар зонасы тығыздығының өте жоғары болуымен сипатталады. Бірақ бағаналы кристалдардың түйіскен жерінде ерімейтін қоспалар жиналады және транскристалл құрылымды құймалар қысыммен өңдеу кезінде жиі жарылып кетеді. Транскристалдану пісірілген жапсарларда жиі байқалады, әрі ло жоспарлардың беріктігін кемітеді.
Ең соңғы кезекте қатаятын құйманың жоғары бөлігінде кішірейген қуыстар жиналады. Кішірейгенқуыстары бар металдар кеуек болып келеді және оларда кішірейген қуыстар өте көпболады. Металдың кішірейгшен қуыстары мен кеуектері бар бөлігін кесіп тастайды. Құйманың құрамы біртекті болып келмейді. Мысалы, болатта беткі жағынан ортасына және төменнен жоғарыға қарай көміртегінің және зиянды қоспалардың (күкірт және фосфор) концентрациясы артады. Құйманың зоналар бойынша біртекті еместігі зоналық ликвация деп аталады. Ол құйманың механикалық қасиеттеріне теріс әсер етеді.
Монокристаллды алу.
Монокристалдар үлкен ғылыми және тәжірибелік мағынасы бар.Монокристалды жағдайдағы металдар жоғары деңгейлі тазалығы мен минимальді құрылымды жетілмегендігімен ерекшеленеді. Монокристалдарды алу металдардың шынайы қасиеттерін зерттеуге,түйіршіктердің шекара әсерін шығаруға мүмкіндік береді.Жоғары таза монокристалды жағдайдағы германий мен кремнийді қолдану жартылай өткізгіш қасиетін қолдануға және реттелмейтін электр қасиеттер өзгерістерін минимумге әкелуге мүмкіндік береді.
Монокристалдарды кристализацияның бір центрінен кристалл өсу үшін жағдайлар жасаса алуға болады.осы принцип қолданатын бірнеше әдіс бар. Маңыздысы болып Бриджмен мен Чохральск әдістері болып табылады.
Бриджмен әдісі келесіден тұралы:конус түбі бар тигельге салынған металл оның балқу температурасынан 50-100ºС жоғары температурада тік құбырлы пеште қыздырылады.
Кейін балқыған металмен тигель пештен шығарылады. Кристализацияның алғашқы орталықтары пайда болатын конус төбесінде салқындау бірінші болады.Тигельдің жылжу бағытымен сәйкес келетін басым өсу бағыты бар ұрықтан монокристал өсіп шығады. Бұл кезде басқа ұрықтардың өсуі тежеледі. Монокристалдың үздіксіз өсуі үшін осы металдың кристализация жылдамдығынан аспайтын жылдамдықпен тигельді пештен шығару керек.
Бақылау сұрақтары:
1.Құйманың құрылу процесін түсіндіріңіз
2.Дендрит дегеніміз не?
3.Кристалл түзілу жылдамдығы салқындау деңгейне қалай тәуелді?
4.Кристалдардың центр саны салқындау деңгейіне қалай байланысты?
5.Бос энергияның температураға тәуелділік графигі
Глоссарий:
- Модификациялау – Сұйық құймаларды шамалы мөлшерде қоспамен өңдеу.
- Металдың кристалл құрылым түзілуімен сұйық немесе бу тәрізді күйден қатты күйге ауысуын алғашқы кристалдану деп атайды.
- Тепе тең (Тs) и реальді (Тп) кристаллизация температуралары арасындағы айырмашылық аса салқындау деңгейі деп аталады
- Заттың қатты және сұйық күйдегі термодинамикалық потенциалы тең болатын температура тепетен кристализация температурасы деп аталады.
-Ұрықтың критикалық өлшемі термодинамикалық параметрлермен байланысты: rкр = 
мұндағы σ –сұйық кристалл шекарасындағы меншікті беттік керілу (на 1 см2); ∆f – удельное (на 1 см3) сұйықтың кристалл күйге ауысқанда бос энергияның өзгеруі.
-Тепе тең кездегі заттың энергетикалық күйі кіші мағынамен сипатталады. Z = Н – ТS.
Блиц-тест
1. Кристалдану процесі бір мезгілде жүретін екі процестерден қиыстырылады:
- Кристалдардың түзілуі мен диффузиясынан
- Кристалдардың түзілуі мен адсорбциясынан
- Кристалдардың ұрықтануы мен өсуінен
- Кристалдардың ұрықтануы мен қайта түзілуінен
2. тепе‑теңдік (Тs) және реалды (Тп) температуралық кристалдану арасындағы айырмашылық:
- Қызу дәрежесі
- Суу дәрежесі
- Күю дәрежесі
- Кристалдану дәрежесі
3.Қатты кристалл затта жаңа кристалдардың түзілуі – ол:
- Бірінші кристалдану
- Екінші кристалдану
- Аса кристалдану
- Қайта кристалдану
4.Ұрықтың өсуге қабілетті ең минималды өлшемі қалай аталады:
- Ұрықтың жаңа өлшемі
- Ұрықтың критикалық өлшемі
- Ұрықтың қабілетті өлшемі
- Ұрықтың пайдалы өлшемі
5. Металдың сұйық не бутәріздес күйден қатты күйге көшу:
- Бірінші кристалдану
- Екінші кристалдану
- Аса кристалдану
- Қайта кристалдану
Негізгі әдебиеттер:
1.Лившиц Б.Г. Металлография М, Металлургия, 1990.
2.Вегман Е.Ф., Руфанов Ю.Т., Федорченко И.Н., «Кристаллография, минералогия и рентгенография» М, Металлургия, 1990г.
3.Миловский А.В. «Минералогия и петрография» М, Москва 1979г.
4.Торопов Н.А., Булак Л.Н. «Кристаллография и минералогия» М, Москва 1972г.
5.Захаров А.М.Диаграммы состояний двойных и тройных систем.М, Металлургия,1978г.
6.Ермолов В.А. Геология: Учебник.Часть 1.М.МГТУ.2004г
7.ЕрмоловВ.А.Геология,Учебное пособие.Часть5 «Кристаллография, минералогия и геология камнесамоцветного сырья».М.МГТУ.2007г.
8.ЕрмоловВ.А, ПоповаГ.В, МосейкинВ.В.и др.Учебник. «Месторождения полезных ископаемых»М.МГТУ.2007г.
9.ЕрмоловА,ПоповГ.Б,МосейкинВ.В. и др.; Под ред.В.А.Ермолова. Месторождения полезных ископаемых.М.:Изд.МГГУ, 2004год (электр.библ.)
Қосымша әдебиеттер:
10.Емельянов Н.А. «Практика руководства по минералогии» М, Москва 1972г.
11.Юшко С.А. Руководство для лабораторного исследования руд. Методы лабор. исследования руд.
| 12.Смагулов Д.У. Металлография: Окулык/ Д.У. Смагулов. - Алматы: КазУТУ, 2007 |
Дәріс 11
