Эксплуатациялық қасиеттердің критерилері

ДƏРІС. Әр түрлі күй диаграмаларының критерилері, жалпы сипаттамасы. Критерилердің пайдалану қасиеті.

Физика − химиялық талдаудың негізгі мақсаты құрам – қасиет тәуелділігін құрастыру болып табылады, ол жалпы графикалық түрде Н.С. Курнаков заңдарында көрсетілген. Бұл тәуелділіктер тек шамамен сұлба түрінде берілген, сондықтан тәжірибеде дәлелдене бермейді. Өйткені, кейбір факторлар қатары ескерілмейді. Мысалы, түйіршік пішіні мен өлшемі, фазалардың өзара орланасуы, күйі және т.б. Дегенмен, физика−химиялық талдау және Н.С. Курнаковтың заңдары жаңа қорытпалар алуда, фазалық айналуларды зерттеуде кең қолданылады.

Қорытпалар теориясының синтезінде Б.Б. Гуляевтың құрастырған күй диаграммаларын қолданып «Негізгі металл - легірленген элемент», қорытпалардың қасиеттерін болжау арқылы қажетті қасиеттерді қамтамасыз етеді.

 

а) эвтетикалық күй диаграммасы;

б) төмен бағытталған перитектикалық күй диаграммасы (кемімелі);

в) Жоғары бағытталған перитектикалық күй диаграммасы (өспелі).

5.1 –сурет. Әр түрлі күй диаграммаларының критикалық нүктелері

 

Бұл есептiң шешiмi өлшемсiз параметрлер мен критерийлердің арасындағы тәуелдiлiкке негiзделедi, олар құрылымдары күрт өзгеруі кезінде күй диаграммаларымен және қорытпалардың шекті қасиеттерімен анықталады. Өтеплі параметрлерге күй диаграммаларының нүктелері мен сызықтары жатады:

- шекті ерігіштік сызығы;

- эвтектика, перитектика және монотектиканың концетрациялары;

- негізгі металдың балқу температурасы;

- эвтектикалық перитектикалық, монотектикалық (нонвариантты горизонталь) айналулардың температурасы;

- эвтектикалық горизонтальдың тереңдігі (негізгі компоненттің және эвтектиканың балқу температураларының айырмашылығы);

- перитектикалық айналудың түрлері - жоғарғы бағытталған (өспелісі) және төмен бағытталған (кемімелі) перитектикалар.

Легірлеуші элементтердің ерекше концетрациялары (сұйық және қатты күйінде ең жоғарғы ерігіштік, эвтектиканың, перитектиканың және монотектиканың концентрациялары) қорытпалардың негізгі эпайдалану және технологиялық қасиеттерін анықтайды.

Оларға келесі қасиеттер жатады:

- беріктік (деформацияға және қирауға қарсыласуы);

- илемділік (илемді деформацияға қабілеттілігі);

- термиялық өңдеумен беріктенуге икемділігі;

- ыстыққа сынғыштық (кристаллдану кезіндегі сызаттар);

- құю және кристалдану кезіндегі кеуектілікке икемділігі;

- сұйық аққыштық – балқыған металдың құйма пішінінің ішкі қуыстарын толығымен толтырып, құймалардың нобайларын келтіру.

Эксплуатациялық қасиеттердің критерилері

(5.1-суретте) күй диаграммаларының бинарлы түрлері сұлба ретінде көрсетілген. Олар қорытпалар синтезі теориясында критерилерді есептеу үшін қолданалады. Алынған қорытпалардың технологиялық және пайдалану қаситерін болжауға болады.

1) Ерігіштік немесе беріктену критерийі α = cd перитектика, монотектика немесе эвтектика температураларында негізгі фазада легірлеуші элементердің (ЛЭ) шекті ерігіштігін көрсетеді (5.2-сурет). Аталған қорытпаның беріктік қасиеттерінің критеринің физикалық мағынасы легірлеуші элементтердің құрамына байланысты болуында. Қорытпалардың беріктігінің өсуі легірлеуші элементтер құрамының қатты ерітінділер аймағында нақты байқалады. Ол легірлеуші компоненттің өзбетінше бөлінген морт фазаның бөлінуіне дейін байқалады. Эвтектикадан кейінгі силуминдерде кремний күйінде – өздігінше морт фаза легірлеуші компонент ретінде, Al-Fe қорытпаларында FeAl₃ эвтектикадан кейінгі болаттарда цементит күйінде, содан кейін беріктік күрт төмендейді.

Шекті ерігіштік – атомдық пайызбен өлшенетін қорытпаның негізгі компоненті жаңа фаза түзбей легірлеуші элементтердің қай мөлшерін өз торында ұстай алатынын көрсетеді. Басқаша айтқанда, α критерийі қатты ерітіндінің максимальді легірленуін және таңдалған қоспанының қатты ерітіндіні беріктендіру мүмкіндігін көрсетеді. Жуықтап айтқанда қатты ерітінділерүшін легірлеу мен беріктендіру арасында келесі тәуелділіктер байқалады:

σ_в = А×С –орын басу қатты ерітінділері;

σ_в = В×C^0,5 - ену қатты ерітінділері;

А және В – негізгі компоненттердің табиғатына тәуелді коэффициенттер.

С - атомдық пайызбен көрсетілген легірлеуші қоспаның концентрациясы.

5.2-сурет. α критерийін анықтау сұлбасы

 

ҚОРЫТЫНДЫ: α критерийінің шамасы көп болған сайын, онда легірлеуші қоспаның қатты ерітініндімен беріктену мүмкіндігіде көп болады. Сонымен қатар қатты ерітінділер үшін беріктендіру шамасы келесі факторларға тәуелді:

- қатты ерітінді түріне – орын басу, ену;

- негізгі және легірлеуші элементтердің атомдарының өлшемі;

- кристалдық тор түріде;

- валенттілктерінің айырмашылығы;

- серпімділік модулінің шамалары және т.б.

Қорытпаның негізі мен легірлеуші элементтердің сипаттамаларының айырмашылығы көп болуы керек.

2) γ = cf:hg термиялық өңдеу критерийі, шынықтыру, босату ескіру нәтижесінде қорытпаның беріктенуін және эвтектикалық пен бөлме температураларында, легірлеуші элементтердің ерігіштік айырмашылығын сипаттау мүмкіндігін көрсетеді (5.3 -сурет).

5.3. -сурет. Термиялық өңдеу критерийлерінің сұлбасы:

 

 

а–ескірген; б – шынықтырылған

5.4- сурет.Түрлі күйдегі Al-Cu қорытпаларының микроқұрылымы

 

Қатты күйде ерігіштік байқалмаған кезде (қисық сызық 1) cf және gh кесінділер өзара тең (қатты ерітінді аймағы жоқ күй диаграммасы), критерийдің шамасы γ = 1 б. Бұл жағдайда термиялық өңдеумен беріктендіру мүмкін емес, себебі қаныққан қатты ерітінді алуға болмайды.Сонымен қатар, қисық сызық 3 шекті ерігіштіктің шын мәнінде вертикаль сызықта тиімді емес, өйткені қанығудың жоғарғы деңгейін сақтау (салқындату температуралық аралығында ол жеткілікті деңгейде тұрақты) қиынға соғады. Мұндай күй диаграммасының қарапайым мысалы: Al-Si және Al-Mn жүйелері.

Егер γ 1-ден әлде қайда кіші болса, онда шынықтырудан кейін қатты ерітіндінің аса қанығу деңгейі жылдам өседі (h_c1 кесіндісі), сондай–ақ ескірудің нәтижесінде дисперсті түрде беріктендіруші фазалар бөліну мүмкіндігі артады. Сонымен, эвтектикалық алаңның енінің концентрация аралығына қатынасы арқылы беріктендірудің тиімділігі анықталды және бөлме температурасында артық фазаның бөлінуі мүмкін. 5.3 суретте термиялық өңдеумен беріктендіру мысалы ретінде Al-4 қорытпаның шағын құрылымы шынықтырылған қорытпаны ескірту нәтижесінде көрсетілген.

ҚОРЫТЫНДЫ: γ критерийінің шамасы термиялық өңдеу жоғарғы беріктікті алу үшін аз болуы керек.

3) температура критерийі (немесе ыстыққа сынғыштық) τ = od:оа біріншілік айналу (эвтектикалық, перитектикалық немесе басқалары) температурасының қорытпаның негізінің (Кельвин градусымен) балқу температурасынаберілген қатынасымен түсіндіріледі. (5.5 -сурет).

 

5.5.-сурет. Температура критерийлерін анықтау сұлбасы

 

 

5.6.- сурет. Эвтектикаға жақын қорытпалардың ыстыққа сынғыштығы

 

Температура критерийі эвтектикалық тереңдікті, яғни эвтектикалық кристаллдану температурасымен және қорытпаның негізгі компонентінің ерігіштік температурасының айырмашылығын, сондай – ақ перитектиканының түрлерін (өспелі немесе кемімелі) сипаттайды. Нақты мысал ретінде ретінде кемімелі перитектика – мыс–мырыш жүйесін келтіруге болады. Сонымен қатар, критерийдің анықтамасына сай берілген эвтектикалық және перитектикалық фазалардың (түйіршіктердің айналасында және қорытпалардың негізінде орналасқан) балқу температураларының айырмашылығын көрсетеді. Сол себептен ыстыққасынғыштықты және қызуғасынғыштықты оның көмегімен болжауға болады.

Ыстыққа сынғыштық – қатты күйдегі материалдың шөгу кезінде түзілетін ыстық немесе суық сызаттардың әсерінен құйма қасиеттерінің бұзылуы (5.6 -сурет).

Жалпы түрде қорытпалардың ыстық сызаттарды түзуге бейімділігі 5.6 суретте келтірілгендей қорытпаның күй диаграммасындағы орнына байланысты болады (сызбаланған аймақ – тиімді кристалдану аймағы). Оның максимумы қорытпа негізінің легірлеуші қоспасының ерігіштік шегінің нүктесіне жақын орналасады. Эвтектикаға жақын шоғырлану аймақтарында ыстық сызаттарға бейімділік күрт төмендейді. Эвтектикалық құраушының болуы құймалы қорытпалардың ыстық сызаттардың түзілуіне бейімділігіне қарсы көрсеткішінің белгісі. Өйкені біріншіден, қатты фазаға қарағанда сұйық фазаның мөлшері көп, екіншіден, қорытпа мен эвтектиканың кристалдану температураларының айырмашылығы шамалы ғана. Осыдан олардың термиялық кедергімен анықталатын меншікті көлемдерінің айырмашылығы мен ыстыққа сынғыштығы аса байқалмайтынын көреміз.Деформацияланатын қорытпаларда эвтектиканың көп мөлшерде болуы талап етілмейді, өйткені қызуғасынғыштық құбылысын дамытады. Сол себептен оның ең көп мөлшері 15%-дан аспауы керек.

Түйіршіктердің шекараларында орналасқан балқыған кірмелермен жеңіл балқитын фазалардың әсерінен жоғарғы температураларда қорытпалардың морт болуы қызуғасынғыштық деп аталады. Қорытпаларды ыстықтай қысыммен өңдеген кезде жоғары бағытталған эвтектикаларда жоғары эвтектикалық және перитектикалық айналуларда қызуғасынғыштық бейімділігі дами түседі.

Қысыммен өңдеу нәтижесінде дайындамалар мен құймалардың сызаттарды түзуге бейімділігі бақылауы қиынға түсетін көп факторларға байланысты өте маңызды технологиялық қасиет болып саналады. Сызаттардың дамуына келесідей факторлар әсер етеді: қатты күйдегі отыру коэффициенті, серпімділік модулі, солидус аймағындағы беріктілік пен илемділік, ал құймалар үшін қосымша – пішіннің бейімділігі, баспалау материалына, құйма конструкциясына. Барлық факторлардың жинағы легірлеуші элементтердің әсерін күрделендіре түседі, бірақ τ критерийінің көмегімен бұл әсердің жалпы заңдылығын анықтауға болады

Анықтама бойынша эвтектикалар мен кемімелі перитектиканың τ мәні 1-ден төмен, өспелі перитектиканыкі 1-ден жоғары. Эвтектиканың температурасы төмен болған сайын, τ критерийі және ыстықтай өңдеу температурасы мен қорытпаның жұмыс температурасы да аз болады. Сонымен қатар, терең эвтектикалар түзілген кезде ыстыққаберіктік қасиеттер және олардың пайдалану сипаттамалары нашарлайды. Өспелі перитектикалар үшін перитектикалық горизонтальдың жоғары болуы қорытпа негізінің балқу температурасына қатынасы жоғары температуралар аймағында ликвидус сызығының жылжуына (5.1- сурет), ыстықтай өңдеу және қорытпаларды пайдалану температурларының жоғарылауына, демек, олардың ыстыққаберіктік қаситетерінің жоғарылауына әкеледі.

ҚОРЫТЫНДЫ: эвтектика мен төменгі перитектикасы бар ыстыққаберік қорытпалардың синтезі үшін τ критерийінің мәні 1 – ге мейлінше жақын болу керек. Өспелі перитектикалар үшін τ критерийінің мәні 1 – ден едәуір жоғары болу керек.