Andijon davlat universiteti

2.Metallarni kristallik tuzilishidagi nuqsonlar.

Tabiatda uchraydigan 92 elementdan 80 taga yaqini metallar hisoblanadi. Bu metallarni esa 2 guruhga bo’lish qabul qilingan. Temir va uning qotishmalari (cho’yan, po’lat)-qora metallar, qolgan barcha metallar (Be,Mg, AI,Ti,V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb va boshqalar) va ularning qotishmalari esa rangli metallar deyiladi.

Eng ko’p qora metallar ishlatiladi. Temir asosida barcha konstruktsion va asbobsozlik materiallarining 90 % ga yaqini tayyorlanadi.

Rangli metallar esa o’zlarining fizikaviy-ximiyaviy xossalariga ko’ra quyidagilarga bo’linadi:

-yengil metallar (Be,Mg,AI va boshqalar), zichligi 3 T/m³ dan kichik bo’lgan metallar;

-og’ir metallar (Si.va boshq.), zichligi 7,9 T/m³ dan yuqori bo’lgan metallar;

-oson eriydigan metallar (Zn,Sd,Sn,Sb,Hg,Pb,Bi);

-qiyin eriydigan metallar (Ti,Cr,Zr,Nb,Mo,W,V va boshqa), suyuqlanish temperaturalari temir (1539⁰ C) dan yuqori bo’lgan metallar;

-asl metallar (Ph,Pd,Ag,Os,Pt,Au) ximiyaviy jihatdan inert bo’lgan metallar;

-radioaktiv (uranli) metallar (U,Th,Pa va boshq), asosan atom texnikasida ishlatiladigan aktinoidlar guruhidagi metallar;

-nodir metallar, yer yuzida kam uchraydigan metallar (EKM), Se,Pr,Nd,Sm, ya‘ni lantanoidlar guruhidagi metallar va shunga o’xshash itriy va skandiy;

-ishqoriy-yer metallari (Li,Na,K), bular asosan atom reaktorlarida «teplonositel»-«issiqlik tashuvchi» sifatida ishlatiladi.

Metallar va ularning qotishmalari qattiq, qisman suyuq holatida ham qator xarakterli xossalariga ega hisoblanadi, ya‘ni:

-yuqori issiqlik va elektr o’tkazuvchanlikka;

-yuqori temperaturalarda toza metallarning elektr qarshiligi ortadi. Ko’pgina metallar (30 ga yaqin) yuqori o’tkazuvchanlik xossasiga ega, bu metallarda, absolyut nolga yaqin temperaturada elektr qarshiligi keskin tushib ketib, nolga teng bo’lib qoladi.

-termoelektron emissiya, bu metallarning qizdirilganda elektronlar chiqarish qobiliyati;

-yaxshi qaytaruvchanlik qobiliyati, bu metallarning shaffof emasligi va yaltiroqligi;

-plastik deformatsiyalanish xususiyati, bu metallarning bolg’alanish mumkinligidir.

Ana shu xossalarning mavjudligi moddalarning metall holati bilan xarakterlanadi.

Shuni ta‘kidlash lozimki, XVIII asrda M.V.Lomonosov metallarni xarakterlab bergan ta‘rifiga ko’ra bolg’alash mumkin bo’lgan, yaltiroq jismlar faqat 6 ta bo’lib, Au,Ag,Cu,Sn,Fe,Pb shular jumlasidandir. M.V.Lomonosovning bu ta‘rifi o’sha zamonning bilim o’lchovi hisoblanadi. Chunki bu vaqtda elektr tokining oqishi, metallarda elektronlarning roli haqida hech qanday tasavvur yo’q edi. Bundan tashqari metallarni bir-biriga yaqinlashtiradigan va barcha anorganik olamdan ajratadigan metallarning asosiy xossalari sifatida «xarakterli yaltiroqlik» va tashqi nagruzka ta‘sirida plastik ravishda shaklini o’zgarishi deb qarar edilar.

Shunday qilib, simob-metallar hisobidan chiqib, «begunoh» qurbon bo’ldi. Chunki, uni xona teperaturasida suyuq holatda bo’lgani uchun hech qanday bolg’alash mumkin emas edi. Bu xato Lomonosovning o’zi tomonidan tuzatildi.1759 yili V.M.Lomonosov akademik I.A.Braun bilan birgalikda azotli kislota va qor aralashmasida simobni qattiq holatga o’tguncha sovutdilar. Qattiq simob xuddi qo’rg’oshinday bolg’alanuvchan bo’lib qoldi. Lomonosovning ro’yxatidagi metallar qatoridan o’rin oldi.

Shunday qilib, hozirgi vaqtda metallarning yuqorida aytib o’tilgan beshta xossasi e‘tiborga olinadi.

Qattiq jismlarning ichki tuzilishini rentgen nurlari bilan yoritib o’rganilganda metall va qotishmalar kristall jismlar bo’lib, ularning atomlari fazoda ma‘lum qonuniyatga bo’ysunadigan tartibda joylashishi aniqlandi. Atomlari fazoda betartib joylashgan qattiq jismlar amorf jismlar deyiladi. Bunday jismlarga shisha, smola, kanifol, parafin, mum, chinni kabilar kiradi.

Atomlari (ionlari, molekulalari) fazoda qat‘iy bir tartibda joylashib, atom-kristall panjara hosil qiluvchi qattiq jismlar kristal jismlar hisoblanadi. Metallardan tashqari tog’ billuri ham kristallik tuzilishiga ega. Mashinasozlikda ishlatiladigan metallarda asosan quyidagi kristall panjaralar ko’p uchraydi: hajmi markazlashgan kub, tomonlari markazlashgan kub va geksagonal panjara (1-rasm).

1-rasm. Fazoviy kristall panjaralar

Bu kristallik panjaralardan tashqari tetragonal, romboedrik panjaralar ham bo’ladi. Kristall panjarada atomlar bir-biridan ma‘lum masofada joylashadi, bu masofalar kristall panjaraning parametrlari (o’lchamlari) deyiladi. Bu masofalar juda kichik bo’lib, nanometrlarda (1nm(10-9m) o’lchanadi. Kristall panjaraning o’lchamlari 0,2. . . 0,6 nm oralig’ida bo’ladi. Ana shu masofalarga ko’ra panjaralar turlicha zichlangan bo’ladi. Tomonlari markazlashgan kub, geksagonal kabi zich panjaralarning hosil bo’lishi metall atomlarining bir-biriga imkoni boricha yaqin joylashishga intilishi bilan tushuntiriladi. Hajmi markazlashgan kub panjaradagi atomlar hajmning 68 % ini, tomonlari markazlashgan kub va geksagonal panjaralarada esa hajmning 74 % ini egallaydi. Metallarda atomlar orasidagi masofa metalmaslardagiga qaraganada ancha kichik, shuning uchun ham metallarning zichligi katta bo’ladi. Atomlarning panjarada joylashishining o’ziga xosligi metallarning issiqlik va elektr o’tkazuvchanlik, suyuqlanish hamda ishlanuvchanlik kabi xossalari bilan metalmaslardan ajralib turadi. Temperatura ko’tarilishi bilan elektr o’tkazuvchanlikning keskin kamayishi va temperatura pasayishi bilan bu xossasining keskin oshishi barcha metallarga xos tipik xususiyatdir.

Hozirgi vaqtda metallarning absolyut nulga yaqin temperaturalardagi o’ta o’tkazuvchanlik xususiyatlarini o’rganishga va bu xususiyatdan texnikada foydalanishga katta e‘tibor berilmoqda.

Metallarningo’zigaxosxususiyatlaridanbirikristallpanjaratekisliklarningturliyo’nalishlaridagimexanikxossalarinibirxilemasligianizotropiyahisoblanadi. Anizotropiyapanjaraningturlitekisliklaridaatomlarningturlizichlikdajoylashganligivaatomlarorasidagimasofalarningbirxilemasligibilantushuntiriladi.

Masalan, misningasta-sekinsovutishyo’libilanolinganmonokristalli (yolg’izkristall) danturlikristallografiktekisliklaryo’nalishidakesibolingannamunasisinabko’rilganda, uningcho’zilishidagimustahkamligi 140...330 MPagacha, plastikligi 10 % dan 55 % gachao’zgarishianiqlangan.

Oddiysharoitdaolinganmetallturliyo’nalishlardajoylashganjudako’p (1 sm³hajmdao’nminglarcha) kristallardantashkiltopgan, bundaypolikristallmetallningxossalariturlikristallografiktekisliklarbo’yichataxminanbirxilbo’ladideyishmumkin. Shunga ko’ra misning cho’zilishidagi mustahkamlik chegarasi 200...240 MPa, plastikligi 40(50% ga tengdir. Sababi shuki, polikristallardan iborat metall bir-biriga nisbatan turli tarzda joylashgan ko’pdan-ko’p monokristallardan iborat bo’lib, monokristalga xos anizotropiya boshqa monokristall ta‘sirida yo’qoladi. Metallarning bunday xossasiga izotropiya deyiladi.

Amorf jismlar (shisha, chinni, mum va boshqalar)ning atomlari fazoda tartibsiz joylashganligi sababli ular ham izotrop xossali jismlar hisoblanadi. Oddiy sharoitda real kristallning tuzilishini o’rganish shuni ko’rsatdiki, ular ideal kristallarning tuzilishidan birmuncha farq qiladi.

Metallarga ishlov berish yo’li bilan panjaraning barcha tekisliklarida bir xil xossalarga erishish mumkin, mexanik ta‘sir ko’rsatish yo’li bilan esa, masalan, listni prokatlab bo’ylama va ko’ndalang yo’nalishlarda turli xossalarga ega bo’lish mumkin. Anizotroplik-metallning magnit va elektr xossalarini, polimor-fizmallotropiya barcha xossalarini o’zgartirishi mumkin.

Real kristallarning tuzilishida ko’pgina nuqsonlar (takomillashmagan sturukturalar) mavjud bo’ladiki, bu nuqsonlar metallarning ko’pgina xossalariga sezilarli ta‘sir ko’rsatadi.

Nazariy hisoblashlar shuni ko’rsatadiki, ideal kristallarda mustahkamlik juda yuqori, real kristallarning mustahkamligi nazariy mustahkamlikka nisbatan 10-1000 marta pastdir.

2-rasm. Metall Kristall

Panjarasidagi nuqsonlar vadislokatsiyalar zichligin imustahkamlikka bog’liqligi

1 –nazariy mustahkamlik;

24-texnik mustahkamlik;

(2-juda ingichka tolaning mustahkamligi; 3-toza, mustahkamlanmagan metallar;

4-legirlash, termik vatermomexanik ishlov bilan mustahkamlangan qotishmalar).

Agar materiallarning kristallarida nuqsonlar mavjud bo’lsa, u holda ularning kristall panjaralarida atomlarning o’zaro joylashish tartibi buziladi, tegishli kristall panjaralar nuqsonli bo’ladi va ular mustahkamlikka salbiy ta‘sir ko’rsatadi.

Kristalldagi nuqsonlar geometrik belgilarga ko’ra nuqtaviy, chiziqli va sirt bo’yicha va boshqa nuqsonlar bo’lib, ular bir-biridan o’zaro farq qiladi.

Nuqtaviy nuqsonlar barcha uch o’lchovi bo’yicha juda kichik, uning razmerlari bir qancha atom diametrlaridan oshmaydi. Nuqtaviy nuqsonlarga vakansiya, ya‘ni Shottki defekti mansub bo’lib, bunda panjara uzellarida atomlar bo’lmaydi. Suyuqlanish teperaturasiga yaqin temperaturalarda vakansiya soni kristalldagi atomlar sonini 1 % ini tashkil etadi.

Kristall panjara uzelidagi atomning uzellar orasiga o’tishi Frenkel defekti deyilib, uzeldan chiqib ketgan joyda vakansiya paydo bo’ladi.

Shottki va Frenkel nuqtaviy nuqsonlari metallning ba‘zi bir fizikaviy xossa (elektr o’tkazuvchanligi, magnit xossasi va boshqa) lariga ta‘sir ko’rsatadi hamda metall va qotishmalardagi diffuziya jarayonlari bilan bog’liq.

3-rasm. Kristall panjaralardagi nuqtaviy defektlar
Chiziqli nuqsonlar ikki o’lchovida kichik va bir o’lchovida ancha katta bo’lib, bunday takomillashmagan strukturalar ko’pincha dislokatsiya ham deyiladi. Chegaraviy dislokatsiya-kristall panjarani lokal (mahalliy) buzilishi hisoblanib, u kristall panjarada «ortiqcha atom» yarim tekisligi yoki ekstratekislik paydo bo’lishi natijasida vujudga keladi. Kristallda dislokatsiya hosil bo’lishining eng oddiy va ko’rgazmali usuli-siljishdir. Chegaraviy dis-lokatsiyali kristallik panjaralari 4-rasmda ko’rsatilgan.


4- rasm. Chegaraviy dislokatsiyalar

5- rasm. Vintli dislokatsiya

Vintli dislokatsiya xuddi chegaraviy dislokatsiyaga o’xshab, tekislik bo’yicha kristallarni to’liqsiz siljishi natijasida hosil bo’ladi. Chegaraviy dislokatsiyadan farqli ravishda vintli dislokatsiya siljish yo’nalishiga parallel joylashgan bo’ladi. Vintli dislokatsiyada kristallni vint sirti bo’yicha buralgan bitta atom tekisligidan tashkil topgan deb qaraladi.

Dislokatsiya metallni kristallanish jarayoni (donlar va bloklar o’sishi) da hamda plastik deformatsiya va fazaviy o’zgarishlar jarayonida hosil bo’ladi. Dislokatsiyaning muhim xarakteristikalaridan biri-zichligidir. Dislokatsiya zichligi esa, dislokatsiya uzunligi l yig’indisini kristallning V-hajm birligiga nisbati bilan o’lchanadi:

.

Sirt bo’yicha nuqsonlar faqat bir o’lchamida uning o’lchamlari juda kichik hisoblanadi. U polikristall metallning ayrim donlari va ularning blok (subdona) larini bo’linish yuzalari ko’rinishida bo’ladi. Metallning har bir doni alohida subdon (blok) dan tashkil topib, substrukturani hosil qiladi (6- rasm).

6-rasm. Metallarning blok (mozaika)li strukturasi

3.Metall va qotishmadagi diffuziya xodisasi.
Metall va qotishmalarda sodir bo’ladigan ko’pgina jarayonlar (kristallanish, fazaviy o’zgarishlar, rekristallizatsiya, sirtini boshqa komponentlar bilan to’yintirish jarayonlari) diffuziya xarakteriga ega.

Moddaning biror muhitda kontsentratsiyasi kamayish yo’nalishida tarqalishi diffuziya deyiladi. Diffuziya deyilganda kristall jismdagi atomning atomlar orasidagi o’rtacha masofadan katta masofalarga siljishi tushuniladi. Agar atomlarning siljishi ayrim hajmlarda kontsentratsiyaning o’zgarishi bilan bog’liq bo’lmasa, u holda bunday jarayonlar o’z-o’zini diffuziyalash deb ataladi. Kristallardagi diffuziya jarayonlari asosida atom mexanizmi bo’lib ana shu tufayli har bir atom panjaraning turli muvozanat vaziyatlari orasida daydib yuradi.

Shunday qilib, diffuziyaning istalgan atom nazariyasi diffuziya mexanizmini ko’rib chiqishdan boshlanadi. Eng avvalo, ma‘lum atom qanday qilib bir pozitsiyadan boshqasiga o’tadi?- degan savolga javob berish lozim.

Qattiq kristall jism (metall) da diffuziya jarayonini bayon qilish uchun davriy, almashuvchan, vakansiya va uzellar aro kabi mumkin bo’lgan diffuziya mexanizmi mavjud (7-rasm).

7-rasm. Metall kristall panjarasida atomlarning siljish mexanizmi

Agar sistemada temperatura bir tekis taqsimlanmagan bo’lsa yoki sistemaga tashqi kuchlar,masalan, elektr ta‘sir qilsa, u holda tegishlicha termodiffuziya yoki elektrodiffuziya sodir bo’ladi, kontsentratsiya esa notekis taqsimlanadi.

Bir o’lchamli diffuziya uchun Fikning birinchi qonuni o’rinli bo’lib,

(1)

bu yerda dm-diffuziya paytida dt vaqtda x o’qi bo’ylab, shu o’qqa perpendikulyar joylashgan S yuza orqali o’tgan element massasi, dc/dx- kontsentratsiya gradienti, D-diffuziya koeffitsienti, «-»-diffuziya kontsentratsiyasi katta bo’lgan hajmdan kontsentratsiyasi kichik bo’lgan hajmga qarab yo’nalishini bildiradi.

Agar kontsentratsiya gradienti dt vaqt ichida o’zgarsa, u holda diffuziya Fikning ikkinchi qonuniga bo’ysunadi.

(2)

Bu qonunni chiqarishda, biz diffuziya koeffitsenti kontsentratsiyaga bog’liq emas, u faqat o’z-o’zini diffuziyalash uchun o’rinli deb hisobladik, shuning uchun bu tenglama diffuziyaning ma‘lum chegara shartlari asosida yechiladi.

Diffuziyaning birinchi va ikkinchi qonunlari o’tgan asrning o’rtalarida shveytsariyalik fizik A.Fik tomonidan o’rnatilgan. Faraz qilaylik, diffuziyalanadigan moddaning kontsentratsiyasi X1 nuqtada S1, X2 nuqtada S2 bo’lib, S2>S1 bo’lsin. Fik qonunidan shu narsa aniqki, moddaning diffuziya oqimi X2 nuqtadan X1 nuqtaga yo’nalgan bo’lib, uning kattaligi kontsentratsiyaning keskin darajada o’zgarishiga to’g’ri proportsional va u ga tengdir.

Odatda, moddaning migratsiyasi uning oqim zichligi bilan xarakterlanadi va j bilan belgilanadi hamda ma‘lum vaqt davomida berilgan ko’ndalang kesim yuzasidan o’tgan modda miqdori ana shunday nomlanadi. Oqim zichligi ma‘lum bo’lsa, diffuziyalanadigan modda miqdorini aniqlash uncha qiyinchilik tug’dirmaydi (8-rasm).

8- rasm. Metalda diffuziyalanadigan modda migratsiyasining sxematik ko’rinishi

Bu yerda bo’lib, proportsionallik koeffitsienti D- diffuziya koeffitsienti hisoblanadi va u vaqt birligi (1s) ichida yuza birlikdan (1 sm²) diffuziyalangan modda miqdori bo’lib, [uzunlik]2 / [vaqt] bilan o’lchanadi: sm²/c, m²/s.

Diffuziya tajribalari shuni ko’rsatadiki, Fik qonunlari ko’pincha gazsimon, suyuq va qattiq jismlarda yaxshi bajarilar ekan. Bunda diffuziyalangan moddaning o’lchangan miqdorini Fik formulasi bilan taqqoslash asosida, odatda, diffuziya koeffitsenti D topiladi.

Diffuziya koeffitsientini bilish esa, ko’pgina hayotiy amaliy masalalarini hal etish imkonini beradi. Masalan, 9-rasmda tasvirlanganidek, A elementga V element diffuziya orqali to’yintirilmoqda, agar D ma‘lum bo’lsa, t vaqtdan so’ng, V element A elementning qancha chuqurligigacha kirib borishi mumkin?

9-rasm. Metallarning diffuziyalanish sxemasi

Qancha chuqurlikka kirib borishi asosan diffuziya tezligining birdan-bir ko’rsatgichi-koeffitsient Dvat vaqtga bog’liq. Ana shuning uchun ham D vat vaqtni shunday kombinatsiyada joylashtirish kerakki, bundan uzunlik o’lcham birligi kelib chiqsin, u holda

Demak, . Umuman olganda, diffuziya koeffitsienti D (sm²/s), ya‘ni kontsentratsiyaning keskin darajada o’zgarishida, 1s vaqt davomida 1sm² yuzadan diffuziyalanadigan modda miqdori qotishma tabiatiga, donlar o’lchamiga, ayniqsa temperaturaga bog’liq. Diffuziya koeffitsientining temperaturaga bog’liqligi eksponentsial qonunga buysunadi va u quyidagicha ifodalanadi: . Bu yerda A-kristall panjaraga bog’liq koeffitsient, Q- aktivlash energiyasi, kkal/(G. atom); R- gaz doimiysi, 1,987 kal/(mol.S0); T- temperatura, K.