Металдар туралы жалпы мағлұмат
Кіріспе
Тұрмыста қолданылатын кез–келген денелер, механизмдер мен машиналардың ұзақ мерзімді жұмыс атқаруы - олардың қандай материалдардан жасалғандығында.
Машиналар мен механизмдердің жұмысқа қабілеттілігі, сынбай, сенімді қызмет атқаруы - олардың бөлшектері жасалатын құрылымдық материалдардың қасиеттерін пайдалану жағдайында (жүктеме күштер, жұмыс орталығы т.б.) қажетті жұмыс сипаттамаларына сәйкес келуімен байланысты. Машина немесе механизмдердің бөлшектерін жасағанда олардың күрделі пішіндерін, мөлшерлерінің дәлдігін, жұмыс беттерінің кедір-бұдырлығын және экономикалық тиімділігін қамтамасыздандыратын өңдеу технологиясын дұрыс белгілеу қажет. Міндетті қызметіне орай машина бөлшектерінің құрылымдық беріктігін қамтамасыздандырумен қатар, олардың арнайы қасиеттерін ескеру қажет. Кейбір кезде, атқаратын қызметіне байланысты машиналар мен механизмдердің бөлшектері жасалған материалдар жоғары немесе төмен (теріс) температуралардың, ылғалдың немесе әртүрлі агрессивті газдар мен сұйықтардың әсерінен өздерінің жұмыс сипаттамаларын жоғалтпауы және оған бейімделуі керек. Қазіргі уақытта тұтыну көлеміне қарай өндірістің машина жасау саласында пайдаланылатын құрылымдық материалдардың түрлері өте көп, әрі саны үздіксіз өсуде. Машина жасауда бөлшектердің дайындамаларын өндіру елеулі орын алады. Мысалы, машина жасау үшін қажетті жалпы еңбектің 40-45% дайындамалар өндіру үшін жұмсалады. Демек, дайындамаларды өндіру машина жасау технологиясының маңызды бөлімі. Бұйымдарға машинаны немесе аспапты пайдалану барысында статикалық, циклдік, және төтенше жүктемелер әсерін тигізеді, әрі бұйымдар әртүрлі жоғары немесе төмен температураларда жұмыс істейді. Осы жағдайларды ескере отырып, материалдарға пайдаланымдық, технологиялық және экономикалық талаптар қойылады.
Пайдаланымдық талаптардың маңызы зор. Нақты машина немесе аспап дұрыс жұмыс атқаруы үшін құрастырушы материалдың беріктігі аса жоғары болуы қажет. Материалдың құрастырушы беріктігі деп оны пайдаланғанда сенімді және ұзақ жұмыс істеуге мүмкіндік беретін механикалық қасиеттерінің жиынтығын айтады. Материал жұмыс жасайтын орта, оның механикалық қасиеттеріне ықпалын тигізіп, бұйымның жұмыс өнімділігін төмендетуі мүмкін. Қоршаған орта газдық, иондалған немесе радиациялық күйде болады. Ортаның әсерінен материал коррозиялық сынуға, тотықтануға және күйуге дейін барады. Сонымен қоршаған ортаның жағымсыз әсеріне төтеп беру үшін материалдың белгілі механикалық қасиеттерімен қоса келесідей арнайы физика-химиялық қасиеттері де болуы қажет: электр химиялық коррозияға, ыстыққа, ылғалға төзімділігі, вакуум жағдайында жұмыс істеу қабілеті және басқалары. Қазіргі уақытта қолданылатын материалдардың жұмыстық температурасының диапазоны – 2690С÷10000С, кейбір жағдайда 25000С. Сондықтан жоғары температурада ыстыққа, төмен температурада суыққа төзімді болуы керек.
Технологиялық талаптар - материалдан бұйымдар мен құрылғылар жасауды жеңілдетуді көздейді. Материалдың технологиялығы деп оның кесуге, сығуға, пісіруге, құюға бейімділігін айтады. Технологиялық талаптың сапалы және жұмыс өнімділігі жоғары бұйым жасау үшін маңызы зор.
Экономикалық талаптар - материалдың құнының төмендігін және жеткіліктілігін көздейді. Осы талапқа сәйкес қорытпалар мен болаттарда легірлеуші элементтердің мөлшері тым аз болып, легірлеуші элементтері бар материалды қолдану оның пайдаланымдық қасиеттерінің жоғарылығымен түсіндірілуі қажет.
Материалдардың ішкі түзілуіне байланысты олардың қаситтері әртүрлі болады. Материалдардың қасиеттерінің әртүрлілігі олдарды техникада кеңінен қолданудың негізгі факторы болып табылады. Осыған байланысты материалтану ғылымы материалдардың қалыптасуын, құрылымы мен қасиеттерін қарастырады. Материалдардың негізгі қасиеттерін физикалық, механикалық, технологиялық және эксплуатациялық деп бірнеше түрге бөледі.
Материалдардың физикалық және механикалық қасиеттеріне материалдың технологиялық және эксплуатациялық қасиеттері тәуелді.
Механикалық қасиеттердің ішінде беріктіктің алатын орыны зор, өйткені эксплуатациялық жүктеменің әсерінен бұйымның бүлінбеуі беріктікке байланысты. Беріктік пен бүлінуді оқу материалтанудың негізгі бөлігі болып табылады. Энергетикада қолданылытын негізгі материалдарға металдар мен олардың қортпалары жатады. Сондықтан материалтанудың басты бөлігі металтану.
Адам б.э. бұрын VII-VI мың жылдарында бірінші рет алтын, күміс, мыс сияқты табиғи таза металдарды қолданған. Б.э. бұрын V-IV мың жылдары олар рудадан мыс, қорғасын, қалайы қорытып ала бастаған. Мыс ғасыры басталған соң тастан жасалған қару құралдарын бірте-бірте шеттетті. Шамамен б.э. бұрын ІІІ мың жылдары сол уақыттағы басқа белгілі металдарға қарағанда қаттырақ және берік қола-мыс пен қалайы қорытпасы қолдана бастады. Бұл қола (заманы) ғасыры. Б.э. дейінгі ІІ мың жылдары темір қолданыла бастады, былай айтқанда темір ғасыры басталды. Біздің эрамыздың басталғанына дейін алтын, күміс, мыс, қола, темір, қорғасын, сынап белгілі болды. ХVІІІ ғасырға дейін мырыш, висмут, сурьма, платина, мышьяк табылып ашылды. Кейбір металдар бұрын ашылса да қолданылуы кейінге қалды. Мысалы, титан 1791 жылы элемент ретінде ашылғанымен 1948 жылы ғана бірнеше тонна таза титан алынды.
Жылу энергиясын және электр энергиясын өндіру үшін жоғары температурада және үлкен қысымда, агресивти ортада жұмыс істейтін қондырғылар қолданылады.
Жылулық энергия заманауй өндірістерде және тұрмыста будың, ыстық судың және отынның жану өнімдерінің энергиясы түрінде жиі қолданылады. Елімізде жылу және электр энергиясының басым бөлігі жылуэлектр станцияларында (ЖЭС), жылуэлектр орталықтарында (ЖЭО), су электр станцияларында (СЭС) өндіріледі. Және бұндай кәсіпорындар органикалық отынмен жұмыс істейді. Органикалық отынға қатты, сұйық және газ тәрізді отын жатады.
Қатты отынмен жұмыс істейтін ЖЭС-да электр энергиясын өндіру сұлбасын қарастырайық (1 суретті қара).
Заманауй жылу электр станциялары блоктық құрылымдардан тұрады. Блоктық құрылымды ЖЭС жекелеген энергиялық блоктардан тұрады. Әрбір энергиялық блоктардың құрамына негізгі қондырғылар – турбина және қазандық, әрі олармен байланысқан қажетті қосалқы қондырғылар кіреді. Қазандық пен турбина моноблокты құрайды.
Бу қазаны отынның жылулық энергиясы арқылы будың потенциалдық энергиясын өндіруге арналған қондырғы. Ал турбина будың потенциалдық энергиясы арқылы электр энергиясын алуға арналған қондырғы.
Көмір қоймадан отын дайындау жүйесіне жіберіледі. Бұнда көмір ұсақталады, кептіріледі, ұнтақталады да көмір тозаңына айналады. Көмір тозаңы оттықтарға жіберіледі. Бұнда ол атмосферадан сорылып, қыздырылып келген ауамен араласады. Егер сұйық отын (мазут) қолданылса, онда ол 100-140оС дейін қыздырылады да форсункамен шашыратылады. Ауаны бастапқы 70-80оС дейін қыздыруға арналған қондырғылар калориферлер деп аталады. Жану процесіне қажетті ауа отын түріне жану режиміне байланысты 250-400оС дейін отын жанғанда бөлінген түтін газдарының жылуының әсерімен ауақыздырғыштарда қыздырылады.
Бу қазанының ошағында отын жылу бөле отырып жанады. Осы жылу жұмыстық денеге, яғни суға беріледі. Су қаныққан (температурасы қайнаған судың температурасына тең бу) буға, содан кейін аса қызған буға (берілген қысымда температурасы қайнаған судың температурасынан аса жоғары бу) айналады. Аса қызған будың энергиясы да жоғары болады.
Бу қазаны жылуалмастырғыштар жүйесінен (беттік қыздырғыштар) тұрады. Бұнда үздіксіз келіп тұрған су органикалық отынды жаққанда бөлінген жылудың әсерінен буға айналады. Қазанға берілген су қоректік су деп аталады. Қоректік суды қанығу (қайнау) температурасына дейін қыздыру экономайзерде, ал бу түзілу процесі - беттік қыздырғыштарда, буды аса қыздыру – бу қыздырғыштарда өтеді.
Отын түріне және жану режиміне байланысты ошақтағы температура 1500-1800оС дейін жетуі мүмкін. Ошақтағы жану өнімдерінің орташа температурасы 1300-1400оС құрайды. Ошақтан шыққан газдардың температурасы шамамен 900-1200оС. Қыздырғыштар арқылы өткен газдар 800-900оС дейін (ширмалық бу қыздырғыштан кейін) салқындайды, содан кейін түтін газдарының температурасы конвективті және аралық бу қыздырғыштардан өткеннен кейін 500-600оС дейін азаяды.
1 – сурет. Қатты отынмен жұмыс істейтін ЖЭС-да электр энергиясын өндірудің қарапайым сұлбасы
Заманауй жоғары қысымды энергетикалық қазандар қысымы 10 және 14 МПа, температурасы 540оС және 560оС болатын бу өндіреді, ал аса жоғары қысымды қазандарда будың қысымы 25,5 МПа, температурасы 545-565оС болады.
Бу энергиясы бу турбинасының роторын айналдырады. Турбина қалақтар жиынтығынан құралған жылулық қозғалтқыш. Жұмыстық дене ағыны бағыттаушы саптамалар арқылы қалақтарға беріледі де, оларды айналысқа келтіре отырып, сол қалақтан шығып, келесі қалаққа беріледі. Ағын бұрылысының нәтижесінде айналу моментін тудыратын айналу күші пайда болады, салдарынан білікке жалғанған жұмыстық дөңгелектер айналады. Саптамада жұмыстық дене (бу) ұлғаяды, потенциалдық энергия кинетикалық энергияға түрленеді, яғни ағын жылдамдығы артады. Турбина білігінің айналуының нәтижесінде туған механикалық энергия электрлік қозғалтқышқа беріледі.
Отынның жану өнімдері қазанның газ жолынан өтіп (экономайзерге кірердегі газдардың температурасы 500-600оС, ауақыздырғышқа кірердегі газдардың температурасы 300-450оС құрайды), өзінің жылуын қазанның қыздыру беттеріне беріп (ауақыздырғыштан кейінгі газдардың температурасы 110-160оС), түтін газдарын тазарту жүйесіне барады (күлұстағыштар), содан кейін түтін сорғыш арқылы мұржаға жөнелтіледі де, одан әрі атмосфераға таралып кетеді. Тазарту жүйесінде түтін газдарынан сүзіліп алынған күл ошақта пайда болған қожбен бірге күл жинағышқа жөнелтіледі. Күлдің бір бөлігі ошақтың төменгі жағына қож түрінде түседі. Алынған күл немесе қож күл әкеткіш немесе қож әкеткіш жүйесінің қондырғылары арқылы аракідік немесе үздіксіз шығарылып отырады.
Турбинада жұмыс істеген бу шықтағышқа беріледі, онда бу шықтанады. Яғни, салқындатқыштардан айналымдық сорғы арқылы сорылған суға өзінің жылуын береді. Салқындатқыштарға градирнялар, өзендер, көлдер, су қоры жатады.
Шықтағыш - турбинада жұмыс істеген буды сұйық күйге, яғни шыққа айналдыруға арналған жылуалмастырғыш қондырғы. Шықтағыштағы қысымға сәйкес келетін қысымда будың қанығу температурасынан төмен температуралы дене бетіне жанасқан бу шыққа айналады. Пайда болған бу шықтағыштың төменгі жағына қарай ағады. Будың меншікті көлемінің бірден азаюынан қысымы төмендейді (вакуум). Салқындатылатын судың температурасы төмен және оның шығыны жоғары болған сайын шықтағыштағы вакуум жоғары болады. Әдетте шықтағыштағы қысым 0,004 МПа.
Түзілген шық шықтық сорғы арқылы төмен қысымды қыздырғыштарға беріледі. Бұнда бу турбинаның төменгі алымдарынан алынған бу арқылы қыздырылады. Содан кейін деаэраторға барады, бұнда су құрамындағы газдардан, яғни оттегі, көміртегі және т.б. ажыратылады. Сонымен қатар деаэраторда су турбинаның алымдарынан алынған бу арқылы қосымша қыздырылады. Деаэрирленген су қоректік сорғы арқылы жоғары қысымды қыздырғыштарға беріледі. Бұнда су турбинаның алымынан алынған жоғары қысымды бумен қыздырылады да қазанға беріледі.
Нәтижесінде цикл тұйықталады. Циклдағы жұмыстық дененің (судың) шығыны су дайындау жүйесінде дайындалған тазартылған қосымша су арқылы толықтырылады.
Сонымен жоғарыда келтірілген сұлбадағы қондырғылардың басым бөлігі жоғары қысымды немесе жоғары температуралы ортада жұмыс істейді. Кейде жұмыстық дененің үлкен жылдамдығының нәтижесінде құбырлар немесе қондырғылар иілуге, созылуға ұшырайды. Кейбір жағдайда коррозияға ұшырап жатады. Сондықтан бұндай қондырғылардың материалдарына қойылатын талаптар жоғары. Яғни олардың материалы осындай ортаға төзімді болуы шарт. Жылу электр станцияның кейбір қондырғыларының қандай типті металдан жасалатындығы 1-кестеде келтірілген.
1– к е с т е. ЖЭС кейбір қондырғыларының металл типтері
| Металл түрі мен типі, маркасы | Қолданылу ортасы | Жұмыстық температурасы, 0С |
| Мартенситті-ферритті класты болат 15Х6СЮ | Қазандық қондырғының бөлшектері, құбырлар | - |
| Темір-никельді болат қорытпасы ХН45Ю | Оттықтың бөлшектері, термопаралардың сыртқы қаптаулары | 1250-1300 |
| Аустенитті класты болат 36Х18Н25С2 | Форсункалардың бастары | |
| Аустенитті класты болат12Х25Н16Г7АР | Жану камерасы | |
| Никель негізді болат қорытпасы ХН75МБТЮ | Жану камерасының бөлшектері | |
| Ферритті класты болат 15Х28 | Құбырлар | |
| Аустенитті-ферритті класты болат 08Х20Н14С2 | Ошақтың жоғарғы бөлігінің құбырлары | |
| Аустенитті класты болат12Х18Н25СТ | Ошақтың жоғарғы бөлігінің құбырлары | |
| Никель негізді болат қорытпасы ХН78Т | Жану камерасының бөлшектері | |
| Аустенитті класты болат09Х14Н16Б | Жоғары қысымды қондырғылардың құбырлары |
1– кестенің жалғасы
| Перлитті класты болат 12Х1МФ | Буды аса қыздырғыштың құбырлары, | 570-585 |
| Мартенситті-ферритті класты болат 18Х12ВМБФР | Қазандық қондырғының құбырлары | |
| Мартенситті класты болат 15Х5, 20Х13, 18Х11МНФБ, 20Х12ВНМФ | Турбинаның қалақтары, роторы, құбырлар | |
| Мартенситті класты болат 15Х11МФ | Турбинаның жұмыстық және бағыттаушы қалақтары | 560-600 |
| Аустенитті класты болат 12Х18Н9 | Жылуалмастырғыштар | |
| ферритті класты болат 12Х17, 08Х17Т, 08Х17Т1 | Жылуалмастырғыштар, термопаралар | |
| Мартенситті класты болат 40Х9С2 | Жылуалмастырғыштар | |
| Мартенситті класты болат 15Х5 | Сорғы бөлшектері | |
| Хромды шойын ЧХ28 | Газды ортада жұмыс істейтін бөлшектер | 1100-1150 |
| Алюминийлі шойын ЧЮ22Ш | Газды ортада жұмыс істейтін бөлшектер | 1100-1150 |
| Кремнийлі шойын ЧС5 | Түтін жолының бөлшектері | |
| Кремнийлі шойын ЧС5Ш | Түтін жолының бөлшектері |
Бұл оқу құралында металдардың түрлері, сипаттамалары, металдың кристалдық құрылымы, олардың құрылымы мен қасиеттеріне кристалдану процесінің әсері, серпімді деформация мен қайта кристалдану процесі қарастырылған. Құрылымдық материалдардың қасиеттері мен негізгі физикалық құрылысы келтірілген. Әртүрлі жүктеме кезінде материалдың механикалық қасиеттерін анықтаудың әдісі келтірілген. Қорытпада түзілетін фазалар сипатталған. Материалдар, оларға қойылатын талаптар, материалдың механикалық қасиеттері және осы қасиеттерді әртүрлі деформациялар кезінде анықтау әдістері баяндалған. Металдың беріктігі, қаттылығы, соққыға төтеп беруі сияқты қасиеттерін сынаулар нәтижесінде анықтау тәсілдері қарастырылған.
Қорытпалар теориясының негіздері талқыланған. Қорытпалардағы негізгі фазалар, фазалық өзгерістер және жиі қолданылатын қорытпалардың күй диаграммасын тұрғызу әдістері, күй диаграммасының талдануы көрсетілген.
Жылуэнергетика мен жылутехнологияда қолданылатын барлық дерлік қондырғылар, құрылғылар, құбырлар темір металдан, яғни болаттар мен шойындардан, ыстыққа төзімді қиын балқитын металдардан жасалатыны баршаға мәлім. Осыған сәйкесті оқу құралында қара металдар, соның ішінде болаттар мен шойындар, олардың құрылымы мен қасиеттері келтірілген.
Металдар туралы жалпы мағлұмат
Материалдардың негізгі түрлері металдар. Химиялық элементтердің барлығы металл және металл емес болып екіге бөлінеді. Табиғатта жүзден астам элементтер кездеседі, соның шамамен сексенге жуығы металдар. Барлық металдардың жалпы өзіне тән қасиеттері болады, яғни металдың жұмсақтығы, қаттылығы, созылғыштығы, электр өткізгіштігі, жылуөткізгіштігі, ерекше металдық жылтырлығы, және т.б. болады, мұндай қасиеттер металл қорытпаларында да кездеседі. Металл қасиеттерін өздерінің ерекше ішкі құрылысы қамтамасыз етеді. Металл атомын схема түрінде қарағанда оны оң зарядталған ядро мен оның жан-жағында әр түрлі қашықтықта айналып тұратын электроннан тұратын зат деуге болады. Бұл ядроның сыртқы қабаттағы (валенттілік) электрондарды тарту әсері ішкі қабаттағы электрондардың тарту әсерімен теңбе-тең. Сондықтан валенттілік электрондар оп-оңай ажырап, ешқандай кедергісіз барлық бағытта орын ауыстырып, қозғалып тұратын электрондық газдан тұрады. Егер металда потенциал айырмашылығын жасаса, онда электрондар бір бағытта қозғалып, электр тоғы пайда болады. Электрондық газ металға тән, бұл байланыс өзінің табиғатында металл еместерде де кездесетін иондық және коваленттік байланысқа ұқсамайды. Заттардың атом аралық байланысының негізгі типтеріне иондық коваленттік және металдық түрлері жатады.
Химияда металдар деп периодтық жүйенің сол жақ бөлігінде орналасқан элементтер тобын айтады.Бұл топтың элементтері, металл емес басқа элементтермен реакцияға түскенде өзінің сыртқы валенттік электрондарын береді. Мұның себебі металдың сыртқы электрондары ядромен нашар байланысқан, сонымен қатар олардың саны көп емес (барлығы 1-2), ал металл еместерде ол электрондар көп (5-8) болады. Сонымен Ga, In, Ti элементтерінің сол жағында орналасқан элементтер металдар, ал мышьяк, сурьма, висмуттың оң жағында орналасқан элементтер метал еместер. Ал III В, IVВ, VВ топтарда орналасқан In, Te, Sn, Pb, Sb, Bi – металдар және металл еместер C, N, P, As, O, S және орталық элементтер (Ga, Si, Ge, Se) болуы мүмкін.
Техникалық таза металдардың беріктік қасиеттері төмен болғандықтан, машина жасауда негізінен олардың қорытпаларын пайдаланады. Сонымен техникада металдар деп металдық жарқылы бар және электр, жылу өткізгіштік, пластикалық қасиеттері жоғары заттарды айтады. Осы белгілері арқылы металдарды металл емес денелерден оңай ажыратуға болады.
Кез келген металдың өзіне тән құрылысы және қасиеттері бар. Барлық металдар қара және түсті болып екі топқа бөлінеді (1.1 суретті қара).
1.1 сурет - Менделеев кестесінің «Металдық бөлігі»
Темір негізінде алынған қорытпаларды қара металл деп атайды, оларға шойын мен болат жатады. Қара металдарға тән қара-сұрғылт түс, аса жоғары тығыздық, өте жоғары балқу температурасы, өте жоғары салыстырмалы беріктіктігі және олар көп жағдайда полиморфтық күйде болуы мүмкін. Осы қасиеттердің бәрін бойына игерген қара металдың бірі – темір Fe. Қара металдарға сонымен Mn – реттік нөмірі z=25, кобальт Co - z=27, никель Ni – z=28 жатады. Қара металдар өз ішінде темір металдар, нашар балқитын, урандық, жерде сирек кездесуші, жер сілтілік болып бірнеше түрлерге бөлінеді.
Темір металдар - темір, кобальт, никель (кейде оларды ферромагнетиктер деп атайды) және қасиеті жағынан осы металдарға ұқсас марганец жатады. Кобальт, никель және марганецті көбінеки темір қорытпаларына қоспа ретінде қолданылады.
Нашар балқитын металдар, балқу температурасы темірден жоғары (яғни, 1539°С жоғары) металдар. Олар легірленген болаттарға қоспа ретінде қолданылады.
Урандық металдар – актинидтер, негізінде атом энергетикасында қолданылады.
Жерде сирек кездесуші металдар - лантан, церий, неодим, празеодим және т.б., лантаноидтарға жинақталған металдар және осы металдармен қасиеттері ұқсас иттрий мен скандий. Бұл металдардың химиялық қасиеттері ұқсас, бірақ физикалық қасиеттері (балқу температурасы және т.б.) әртүрлі болады.
Жер сілтілік металдар жеке металл күйінде аса ерекше жағдай (мысалы атом реакторларында жылутасымалдағыш ретінде жеке металл түрінде қолданылады) болмаса қолданылмайды.
Түсті металдарға өзіне тән белгілі түсі бар (қызыл, сары, ақ), пластикалық (иілгіш), қаттылығы аз, балқу температурасы төмен, полиморфтық қасиеттері жоқ металдар жатады. Бұл топтың ерекше мүшесі – мыс Cu. Ал түсті металдар жеңіл, асыл, жеңіл балқитын болып өз тобының ішінде тағы үш түрге бөлінеді.
Жеңіл металдар - бериллий, магний, алюминий, титан және тығыздығы төмен металдар.
Асыл металдар – алтын, күміс, платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений. Бұларға сонымен қатар «жартылай асыл» мыс жатады. Коррозияға төзімді металдар жатады.
Жеңіл балқитын металдар - цинк, кадмий, сынап, қалайы, қорғасын, висмут, таллий, сурьма. Галлий мен германий (металдық қасиеті төмен металдар).
Қорытпа деп екі немесе одан да көп элементтер қоспасын балқытып алынған қоспаны айтады. Металдардан алынған және бойына олардың қасиетін игерген қорытпалар метал қорытпалары деп аталынады.
Барлық металдар кристалдық құрылысы бар заттар. Металдардан басқа кристалдық құрылысы бар денелер қатарына тұз, қант, алмас т.б. заттар жатады.