Неорганическое стекло

Неорганическое стекло следует рассматривать как осо­бого вида затвердевший раствор — сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных оксидов.

Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного состояния вещества. При переходе стекла из расплавленного жидкого состояния в твердое аморфное в процессе быстрого охлаж­дения и нарастания вязкости беспорядочная структура, свой­ственная жидкому состоянию, как бы «замораживается». В связи с этим неорганические стекла характеризуются неупорядочен­ностью и неоднородностью внутреннего строения.

Стеклообразующий каркас стекла представляет собой непра­вильную пространственную сетку, образованную кремнекислородными тетраэдрами SiO4.

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную сетку и модифицирующие оксиды натрия, калия, лития, кальция, магния, бария, изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Кроме того, в состав стекла вводят оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др., которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могут частич­но замещать стеклообразующие оксиды и этим сообщать стеклу нужные технические характеристики. В связи с этим промышлен­ные стекла являются сложными многокомпонентными системами.

Стекла классифицируют по стеклообразующему веществу, по содержанию модификаторов и по назначению.

В зависимости от химической при­роды стеклообразующего вещества стекла подразделяют на силикатные (SiO2), алюмосиликатные (А12О3— SiO2), боросиликатные (В2О3—SiO2), алюмоборосиликатные (А12О3—В2О3—SiO2), алюмофосфатные (А12О3—Р2О5) и др. По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (содержащими оксиды Na2O, K2O), бесщелочными и кварцевыми. По назначению все стекла подразделяют на техниче­ские (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные); строительные (оконные, вит­ринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара; посудные, бытовые зеркала и т.
п.).

Технические стекла в большинстве относятся к алюмоборо-силикатной группе и отличаются разнообразием входящих окси­дов. Стекла выпускаются промышленностью в виде готовых изде­лий, заготовок или отдельных деталей.

При нагреве стекло плавится в некото­ ром температурном интервале, который зависит от состава. Свойства стекла, как и всех аморфных тел, изотропны. Плотность стекла колеблется от 2200 до 6500 кг/м8 (для стекла с оксидами свинца или бария она может достигать 8000 кг/м3).

Механические свойства стекла характеризуются высоким со­противлением сжатию (500—2000 МПа), низким пределом проч­ности при растяжении (30-90 МПа) и изгибе        (50-150 МПа). Модуль упругости высокий (45—100 МПа).

Важнейшими специфическими свойствами стекол являются их оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и преломление света. Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает до 90 %, отражает примерно 8 % и поглощает около 1 % видимого и частично инфракрасного света; ультрафио­летовое излучение поглощается почти полностью. Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетового излучения. Коэффициент преломления стекол составляет 1,47—1,96.

Термостойкость стекла характеризует его долговечность в усло­виях разных изменений температуры. Она определяется разностью температур, которую стекло может выдержать без разрушения при его резком охлаждении в воде. Для большинства видов стекол термостойкость колеблется от 90 до 170°С, а для кварцевого стекла она составляет            800-1000 °С. Химическая стойкость стекол зависит от образующих их компонентов: оксиды SiO2, ZrO2, TiO2, В2О6, А12Оа, CaO, MgO, ZnO обеспечивают высокую химическую стойкость, а оксиды Li2O, Na2O, K2O и BaO, наоборот, способствуют химической коррозии стекла. Механическая проч­ность и термостойкость стекла могут быть повышены путем закалки и термического упрочнения.

Закалка заключается в нагреве стекла и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в масле.


При этом сопротивление статическим нагруз­кам увеличивается в 3—6 раз, ударная вязкость в 5— 7 раз. При закалке повышается также термостойкость стекла.

Термохимическое упрочнение основано на глубоком изменении структуры стекла и свойств его поверхности. Стекло подвергается закалке в подогретых кремнийорганических жидкостях, в резуль­тате чего на поверхности материала образуются полимерные плен­ки; этим создается дополнительное, по сравнению с результатом обычной закалки, упрочнение. Повышение прочности и термостой­кости можно получить травлением закаленного стекла плавиковой кислотой, в результате чего удаляются поверхностные дефекты, снижающие его качество.

Силикатные триплексы представляют собой два листа закален­ного стекла (толщиной 2—3 мм), склеенные прозрачной эластичной полимерной пленкой. При разрушении триплекса образовавшиеся неострые осколки удерживаются на полимерной пленке. Триплексы бывают плоскими и гнутыми.

Термопан — трехслойное стекло, состоящее из двух стекол и воздушного промежутка между ними. Эта воздушная прослойка обеспечивает теплоизоляцию.

Применение технических стекол. Для остекления транспорт­ных средств используют преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла.

Оптические стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах, подразделяют на кроны, отличающиеся малым пре­ломлением, и флинты — с высоким содержанием оксида свинца и большими значениями коэффициента преломления.

Остекление кабин и помещений, где находятся пульты управле­ния мартеновских и дуговых печей, прокатных станов и подъемных кранов в литейных цехах, выполняется стеклами, содержащими оксиды железа и ванадия, которые поглощают около 70 % инфра­красного излучения в интервале длин волн 0,7—3 мкм.

Кварцевое стекло вследствие высокой термической и химиче­ской стойкости применяют для изготовления тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды. Близкое по свойствам к кварцевому стеклу, но более технологичное кварцоидное (кремне­земное) стекло используют для электроколб, форм для точного литья и т.д.

Неполярные и слабополярные термопласты

Неполярными или слабополярными являются полимеры с симметричной структурой молекул или со слабополярными связями, например С—Н.

Полиэтилен (продукт полимеризации этилена) стал одним из самых распространенных пластиков. Это объясняется тем, что в нем высокие электроизоляционные характеристики сочетаются с достаточной механической прочностью, стойкостью к нагреву и низким температурам, действию влаги, кислот и щелочей, хо­рошей перерабатываемостью и сравнительно низкой стоимостью ввиду доступности сырья.

Основными недостатками полиэтилена является склонность к старению (окислению), особенно при нагреве, и горючесть. Первый недостаток устраняется присадками антистарителей (ароматические амины, сажа и др.). Для уменьшения горюче­сти вводят в состав массы трехокись сурьмы или совмещают полимер с хлорированными углеводородами.

Полипропилен. Его недостатком является более высокая чувствитель­ность к действию кислорода в атмосферных условиях. Он быст­рее стареет. Во избежание старения его стабилизируют амина­ми и газовой сажей.

Полистирол. Являясь продуктом полимеризации стирола, представляет собой бесцветную прозрачную смолу с малым удельным весом и высокими электроизоляционными свойствами. При нормальной температуре полистирол прочнее полиэтилена ?в=50-60 МН/м2, но отличается малой нагревостойкостью (~75-80°С) и склонен к растрескиванию. Это основные недо­статки полистирола.

Полистирол стоек к дей­ствию кислот (кроме азотной), щелочей и озона. Он мало изменяет свои характеристики под действием влаги, но на открытом воздухе (особенно под влиянием света) постепенно желтеет и легко растрескивается. Полистирол обладает высокой про­зрачностью (до 95%) и высоким коэффициентом преломления (n=1,60), что позволяет использовать его в качестве оптиче­ских стекол. Он, в частности, применяется для остекления строевых огней.

Полистирол широко применяют для изготовления высокоча­стотных пластмасс, пленок, лаков и т. д. Разнообразно приме­нение сополимеров, содержащих полистирол.

Политетрафторэтилен (фторопластом-4)  представляет собой молочно-белый, жирный на ощупь продукт. Многие отличительные свойства фторопластов связаны с высокой энергией связи С—F, равной 450 кДж/моль.

Ввиду высокой энергии этой связи фторопласт имеет нераз­ветвленные линейные молекулы. Необлученный фторопласт является одним из самых стойких веществ. На него практически не действуют ни кислоты, ни ще­лочи, ни органические вещества. Он не горюч, не смачивается водой и отличается исключительно высокой влагостойкостью. Он разрушается только под действием жидких щелочных метал­лов и растворяется при высокой температуре (~270°С) в перфторированных керосинах. Электроизоляционные качества фторопласта-4 очень высоки и мало изменяются при изменении тем­пературы и рабочей частоты.

Недостатками фторопласта-4 являются холодная текучесть, увеличивающаяся при механических нагрузках, и низкая короностойкость. При высокой температуре, начиная с 250°С, про­исходит термическая деструкция фторопласта-4, которая проте­кает особенно интенсивно начиная с 400° С. Некоторые продукты деструкции весьма токсичны.

Непрерывное литье

Достоинства этого метода в том, что допустима неограниченная длина отливки, также осуществима высокая производительность.

Недостатки этого метода – форма изделий представляет собой деталь с однородным сечением.

Несамопроизвольная кристаллизация

В реальных условиях процессы кри­сталлизации и характер образующейся структуры в значительной мере зависят от имеющихся готовых центров кри­сталлизации. Такими центрами, как пра­вило, являются тугоплавкие частицы не­металлических включений, оксидов, ин­терметаллических соединений, обра­зуемых примесями. К началу кристалли­зации центры находятся в жидком ме­талле в виде твердых включений. При кристаллизации атомы металла от­кладываются на активированной по­верхности примеси, как на готовом за­родыше. Такая кристаллизация назы­вается несамопроизвольной или гетеро­генной. При несамопроизвольной кри­сталлизации роль зародышей могут играть и стенки формы.

Наличие готовых центров кристалли­зации приводит к уменьшению размера кристаллов при затвердевании. Эф­фект измельчения структуры значитель­но увеличивается при соблюдении структурного и размерного соответствия при­месной фазы с основным металлом, ко­торое способствует сопряжению их кри­сталлических решеток.

В жидком металле могут присутство­вать и растворенные примеси, которые также вызывают измельчение струк­туры. Адсорбируясь на поверхности за­рождающихся кристаллов, они умень­шают поверхностное натяжение на гра­нице раздела жидкость - твердая фаза и линейную скорость роста кристаллов. Это спо­собствует уменьшению Акр и появлению новых зародышей, способных к росту. Примеси, понижающие поверхностное натяжение, называют поверхностно-ак­тивными.

Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

Конструкционными называют мате­риалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инже­нерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Делали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при стати­ческих, циклических и ударных нагруз­ках, при низких и высоких температу­рах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, ос­новные из которых эксплуатационные, технологические и экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того, чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, кон­струкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью назы­вается комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длитель­ную работу материала в условиях экс­плуатации.

Механические свойства, определяю­щие конструкционную прочность и вы­бор конструкционного материала, рас­смотрены ниже. Требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия за­висят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.

Среда - жидкая, газообразная, ионизи­рованная, радиационная, в которой ра­ботает материал, оказывает существен­ное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойству, снижая работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вы­зывать повреждение поверхности вслед­ствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, из­менение химического состава поверх­ностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами. Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в ре­зультате ионизационного и радиацион­ного облучения. Для того чтобы проти­востоять рабочей среде, материал дол­жен обладать не только механическими, но и определенными физико-химически­ми свойствами: стойкостью к электро­химической коррозии, жаростойкостью, радиационной стойкостью, влагостойкостью, способ­ностью работать в условиях вакуума и др.

В некоторых случаях важно так­же требование определенных маг­нитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности разме­ров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характери­зуют возможные методы его обработки. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформа­ции и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысо­кую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможности должны со­держать минимальное количество леги­рующих элементов. Использование ма­териалов, содержащих легирующие эле­менты, должно быть обосновано повы­шением эксплуатационных свойств дета­лей. Экономические требования, так же как и технологические, приобретают особое значение при массовом масшта­бе производства.

Таким образом, качественный кон­струкционный материал должен удовле­творять комплексу требований.

Определения и классификация

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их струк­туры и свойств. Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, ин­струменты. Основные виды термической обработки - отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет не­сколько разновидностей.

Отжиг - термическая обработка, в ре­зультате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к рав­новесной: отжиг вызывает разупрочне­ние металлов и сплавов, сопровождаю­щееся повышением пластичности и сня­тием остаточных напряжений. Температура нагрева при отжиге за­висит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охла­ждения с температуры отжига обычно невелика, она лежит в пределах 30-200°С/ч.

Закалка - термическая обработка, в ре­зультате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравно­весные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, поли­морфные превращения твердых раство­ров, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной ре­акции и др. Для получения неравновес­ной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить рав­новесное превращение при охлажде­нии. Для охлаждения используют различные жидкости, отраженные в таблице:

Охлаждаю­щая среда	Температура охлаждающей среды, оС
Вода	20 - 80
10%-ный раствор   в воде:    NaCl,                  NaOH	20
Масло минеральное	20-200

Конструкционные и инструменталь­ные сплавы закаливают для упрочнения. Сильно упрочняются при закалке сплавы, претерпевающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящих к из­мельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь.
Если в результате закалки при температуре 20-25°С фиксируется состояние высокотемпера­турного твердого раствора, значитель­ного упрочнения сплава непосредствен­но после закалки не происходит; основ­ное упрочнение создается при повтор­ном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при температуре 20-25°С.

Отпуск и старение — термическая об­работка, в результате которой в предва­рительно закаленных сплавах происхо­дят фазовые превращения, приближаю­щие их структуру к равновесной.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предпола­гает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик про­чности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием.

В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый рас­твор. В этом случае основной процесс, проис­ходящий при отпуске или старении,— распад пересыщенного твердого раство­ра. Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное со­стояние сплава при обработке не дости­галось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким исклю­чением не влияет на структуру и свой­ства сплавов.

Термин “отпуск” используют обычно применительно к сталям и другим спла­вам, испытывающим при закалке поли­морфное превращение. Термин “старение”-применительно к сплавам, не претерпе­вающим при закалке полиморфного превращения.

Любой технологический процесс тер­мической обработки состоит из трех ос­новных этапов: нагрев, изотермическая выдержка и охлаждение. Нагрев, а иног­да и весь процесс термической обработ­ки (отжиг) проводят в термических пе­чах.

Термическую обработку применяют, например, для уменьшения остаточных напряжений в изделиях, ре­кристаллизации пластически деформи­рованных полуфабрикатов, уменьшения внутрикристаллической ликвации в слит­ках или отливках.Соответствующие опе­рации термической обработки являются разновидностями отжига: отжиг (нагрев) для уменьшения напряжений, рекристаллизационный отжиг, диффузионный от­жиг (гомогенизация). Состояние сплавов после теплового воздействия стано­вится более равновесным.

Органические полимеры

Органическими называют обширный класс веществ, содер­жащих в своей основе углерод. Кроме углерода в этих вещест­вах содержится обычно водород, кислород, азот, сера, фосфор. Соединения, в которых содержатся также и другие элементы, называют элементоорганическими. Органические вещества обладают молекулярной структу­рой, т. е. состоят из отдельных молекул, внутри которых атомы связаны преимущественно весьма прочными ковалентными свя­зями. Между собой моле­кулы связаны сравнительно слабыми поляризационными сила­ми.

Большинство органических веществ не содержит свободных электронов и ионов, поэтому они являются диэлектриками. Так как силы поляризационной связи между отдельными молекула­ми невелики, то органические вещества с малой молекулярной массой являются при обычной температуре газами или жидкостями. Вещества с более высокой молекулярной массой являются твердыми уже при обычной температуре.

Ввиду поляризационного характера связи, обусловливающего большие расстояния между молекулами, и малого атомного веса элементов, образующих органические соединения, они отличают­ся невысоким удельным весом. Поляризационный ха­рактер связи определяет также невысокую механическую прочность. Органические вещества сравнительно легкоплавки и за некото­рыми исключениями отличаются низкой нагревостойкостью. Подавляющее большинство из них горючи. Легкое горение органических веществ объясняется тем, что связи атомов углерода между собой и с водородом в молекулах органических веществ значительно менее прочным, чем связи углерода и водорода с кислородом. Поэтому при реакциях окисления выделяется большое коли­чество тепла, которое разлагает органические вещества перед горением, облегчая их реакцию с кислородом. Горению органи­ческих веществ благоприятствует и то, что конечные продукты их окисления — газы легко удаляются от очага горения и не препятствуют его развитию.

Легкая горючесть большинства органических материалов яв­ляется их существенным недостатком.
Однако в последнее время получен ряд плохо горючих или негорючих элементоорганических соединений. Так, замена водорода органических веществ фтором практически полностью препятствует их воспламенению или го­рению. Хлор, вводимый в больших количествах в органические веще­ства, также препятствует их горению и гасит пламя, обрывая развитие цепных реакций горения. Существенно затрудняется горючесть и при образовании кремнийорганических соединений. Различия в свойствах отдельных органических веществ объяс­няются различиями в их составе и строении.

Особенно широкое распространение в качестве электроизоля­ционных материалов получили полимеры.

По происхождению полимеры могут быть природными мате­риалами (целлюлоза, натуральный каучук, янтарь и др.) или синтетическими продуктами (бакелит, полистирол, полиэтилен и др.). Они приобретают все возрастающее значение в технике и быту благодаря удачному сочетанию многих важных качеств, особенно у новых синтетических высокополимеров. Часто они отличаются высокими электроизоляционными свойствами в ши­роком диапазоне рабочих напряжений и частот (вплоть до СВЧ), при высокой влажности окружающей среды и в широком интер­вале рабочих температур. Они обладают также хорошими теп­ло- и звукоизоляционными свойствами. Как правило, не подвер­жены коррозии, гниению и во многих случаях отличаются высо­кой химической стойкостью.

Ввиду малой плотности, сочетающейся с достаточной проч­ностью, на основе полимеров можно получить материалы (пласт­массы, ткани) с высокой удельной прочностью. Многие полиме­ры отличаются ценными специальными свойствами: прозрачно­стью, радиопрозрачностью, диамагнетизмом, антифрикционны­ми свойствами, высокой эластичностью и т. д.

Большинство полимеров легко поддаются различным видам технологической обработки (литье, прессование, вытяжка, обработка резанием, распыление и т. д.) и на их основе производят весьма разнообразные по свойствам продукты: пластмассы и ре­зины, электроизоляционные лаки и лакокрасочные материалы, клеи, компаунды, волокнистые и пленочные материалы.Они находят широкое применение в промышленности и в быту.

 Большинство полимеров может быть получено из дешевого сырья — природных и попутных газов нефтедобычи и переработ­ки нефти, угля в сочетании с водой и воздухом. Поэтому про­изводство полимерных материалов развивается быстрыми тем­пами.

По структуре полимеры делятся на линейные, линейно-раз­ветвленные и сетчатые: аморфные, кристаллитные и кристал­литно-ориентированные.

Основные виды полимерных молекул и структур полимерных материалов. Молекулы - линейные  (а), разветвленные  (б),  сетчатые  (в);    структуры - аморф­ные (г), кристаллитные  (3), кристаллитно-ориентированные (е).

 

Органоволокниты

Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной проч­ностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических воло­кон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям.

В органоволокнитах значения модуля упругости и температур­ных коэффициентов линейного расширения упрочнителя и свя­зующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористость не превышает 1-3 % (в дру­гих материалах 10-20 %). Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, дей­ствии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высо­кая (400-700 кДж/м2). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влаж­ном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнктов может длительно работать при температуре 100—150°С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон — при 200—300°С.

Пластичность и хрупкость. Твердость

Способность материала получать большие остаточные деформа­ции, не разрушаясь, носит название пластичности. Свойство пла­стичности имеет решающее значение для таких технологических опе­раций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др. Мерой пластичности является удлинение ? при разрыве. Чем больше ?, тем более пластичным считается материал. К числу весьма пластичных материалов относятся отожженная медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая сталь и др. Менее пластичными являются дюраль и бронза. К числу слабо пла­стичных материалов относятся многие легирован­ные стали.

Противоположным  свойству   пластичности  яв­ляется свойство хрупкости, т. е. способность ма­териала   разрушаться без   образования   заметных  остаточных деформаций.  Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов величина удлинения при разрыве не превышает 2—5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким мате­риалам относятся  чугун,   высокоуглеродистая   инструментальная сталь, стекло, кирпич, камни и др. Диаграмма растяжения хруп­ких материалов не имеет площадки текучести и зоны упрочнения.

Кривые растяжения материалов: а-хрупкого, б-пластичного

 

По-разному ведут себя пластичные и хрупкие материалы и при испытании на сжатие. Испытание на сжатие производится на коротких цилиндрических образцах, располагае­мых между параллельными плитами. Диаграмма сжатия образца имеет вид кривой, показанной на рисунке.

 Здесь, как и для растяжения, обнаруживается площадка текучести с последующим переходом к зоне упрочнения. В дальнейшем, од­нако, нагрузка не падает, как при растяжении, а резко возрастает. Происходит это в результате того, что площадь поперечного сечения сжатого образца увеличивается; сам образец вследствие трения на торцах принимает бочкообразную форму. Довести образец пластического материала до разрушения практически не удается. Испытуемый цилиндр сжимается в тонкий диск и дальнейшее испытание ограничивается возможностями машины. Поэтому предел прочности при сжатии для такого рода материалов найден быть не может.

Иначе ведут себя при испы­тании на сжатие хрупкие материалы. Диаграмма сжатия этих материалов сохраняет качественные особенности диаграммы растяжения. Предел прочности хрупкого материала при сжатии определяется так же, как и при растяжении. Разрушение образца происходит с образованием тре­щин по наклонным или продольным плоскостям.

Сопоставление предела прочности хрупких материалов при рас­тяжении с пределом прочности при сжатии показывает, что эти материалы обладают, как правило, более высокими прочност­ными показателями при сжатии, нежели при растяжении. Существуют материалы, способные воспринимать при растяже­нии большие нагрузки, чем при сжатии. Это обычно материалы, имеющие волокнистую структуру, — дерево и некоторые типы пластмасс. Этим свойством обладают и некоторые ме­таллы, например магний.

Полиморфизм

Ряду веществ свойственны не одна, а две и более структур, устойчивых при различных температурах и давлениях. Такие структуры называются полиморфными мо­дификациями, или полиморфными формами. Полиморфные модификации принято обозначать греческими буквами. Модификацию, устой­чивую при низких температурах, обозначают буквой ?, а при более высоких - ?. Полиморфизм  весьма распространенное явление.

Железо, титан, кобальт, олово, углерод, сегнетоэлектрики, кварц и многие другие материалы могут сущест­вовать в различных полиморфных модификациях.

Естественно, полиморфные, модификации отличаются между собой не только структурой, но и свойствами. Например, ?-олово, устойчивое ниже 13° С, является хрупким полупроводником, а ?-олово— весьма вязкий металл.

При полиморфизме особо резкие изменения свойств наблюда­ются при изменении не только структуры, но и типа химической.

Полиморфизм играет в материаловедении и технологии важ­ную практическую роль. Переводя материал из одной поли­морфной модификации в другую, можно управлять его свойст­вами. Например, практически освоено получение алмазов из графита нагревом его под давлением 100000 атм. до температур примерно 2000° С.

 

Полярные термопласты

Полярными являются полимеры с несимметричной структу­рой молекул, которым присущи собственные дипольные момен­ты. Одной из основных особенностей полярных диэлек­триков по сравнению с неполярными являются значительно бо­лее высокие. Поэтому, как пра­вило, они не пригодны для изоляции в цепях высоких и сверх­высоких частот. Их часто называют низкочастотными диэлек­триками.

Вследствие полярности они легче притягивают влагу и полярные примеси. Большинство из них смачиваются водой. Удель­ное электросопротивление у этих материалов обычно ниже, чем у неполярных. Многие из них обладают высокой химической стойкостью, высокой механической прочностью и эла­стичностью. После дополнительной пластификации их нередко применяют в виде гибких резинообразных продуктов.

Полихлорвинил (поливинилхлорид, винипласт) получается полимеризацией хлористого винила. Благодаря асимметричному распределению электроотрицательных атомов хлора он заметно полярен. При нормальной температуре полихлорвинил — твердая хрупкая слегка желтоватая смола, отличающаяся высокой хи­мической устойчивостью. Он стоек против действия воды, кис­лот и щелочей, озона, спирта, бензина и керосина, но растворим в дихлорэтане, хлорбензоле, частично в ацетоне, бензоле и др. Его нагревостойкость (60—70°) и морозостойкость (-25°) не­высоки. Он горит с большим трудом и при устранении внешнего источника пламени гаснет. Его электроизоляционные свойства вполне удовлетворительны, но под воздействием электрических искр полихлорвинил легко разлагается, образует проводящие мостики и выделяет хлористый водород. Полихлор­винил легко окрашивается в разные цвета.

Политрифтормонхлорэтилен (фторопласт-3) отличается от фторопласта-4 тем, что один атом фтора заменен на значительно больший по размеру атом хлора, вследствие чего появляется асимметрия в структуре

т. е. возрастает полярность, уменьшается степень кристаллич­ности, увеличивается диэлектрическая проницаемость и значи­тельно возрастают потери, но удельное электросопротивление, электрическая прочность, дугостойкость и влагостойкость у фторопласта-3 остаются высокими.
Температура плавления понижается примерно до 210° (ниже температуры разложения), чем значительно облегчается переработка мате­риала в изделия. Механическая прочность фторопласта-3 значительно выше, чем фторопласта-4. Применяет­ся фторопласт-3 как химически стойкая, и нагревостойкая изо­ляция.

Полиэфирные смолы представляют собой продук­ты конденсации многоосновных кислот и спиртов. Двухосновные кислоты при полимеризации с двухатомными спиртами дают линейные термопластичные полимеры. Напри­мер, при конденсации терефталевой кислоты с этиленгликолем образуется получивший в последнее время широкое применение продукт — полиэтилентерефталат, или лавсан.

Полимер содержит 65—75% кристаллической фазы, имеет температуру плавления около 240—260°С. Полиэтилентерефталат отличает­ся хорошими диэлектрическими свойствами. Он весьма влагостоек и отличается высоким поверхностным электросопротивлением во влажной атмосфере.

Важной особенностью полиэтилентерефталата является его высокая механическая прочность в ориентированных полимерах, достигающая 350-450 МН/м2. Полиэтилентерефталат применяется чаще всего в виде волокнистой и пленочной изоляции для электрических машин и конденсаторов. Из полиэтилентерефталатовой пленки готовят также аэростаты.

Получение монокристаллов

Большое научное и практическое значение имеют монокристаллы. Монокристаллы отличаются минимальными структурными не­совершенствами. Получение монокристаллов позволяет изучать свойства металлов, ис­ключив влияние границ зерен. Применение в монокристаллическом состоянии германия и кремния высокой чистоты дает возмож­ность использовать их полупроводниковые свойства и свести к минимуму неконтроли­руемые изменения электрических свойств.

Монокристаллы можно получить, если создать условия для роста кристалла только из одного центра кристаллизации. Суще­ствует несколько методов, в которых исполь­зован этот принцип. Важнейшими из них являются методы Бриджмена и Чохральского.

Метод Бриджмена (рис. а) состоит в следующем: металл, помещенный в тигель с коническим дном 3, нагревается в верти­кальной трубчатой печи 1 до температуры на          50-100 °С выше температуры его плавления. Затем тигель с расплавленным метал­лом 2 медленно удаляется из печи. Охлажде­ние наступает в первую очередь в вершине конуса, где и появляются первые центры кристаллизации. Монокристалл 4 вырастает из того зародыша, у которого направление преимущественного роста совпадает с напра­влением перемещения тигля. При этом рост других зародышей подавляется. Для не­прерывного роста монокристалла необходи­мо выдвигать тигель из печи со скоростью, не превышающей скорость кристаллизации данного металла.

Схемы установок для выращивания монокристаллов

Метод Чохральского (рис. б) состоит в вытягивании монокристалла из расплава. Для этого используется готовая затравка 2 - небольшой образец, вырезанный из моно­кристалла по возможности без структурных дефектов. Затравка вводится в поверх­ностный слой жидкого металла 4, имеющего температуру чуть выше температуры плавле­ния. Плоскость затравки, соприкасающаяся с поверхностью расплава, должна иметь кри­сталлографическую ориентацию, которую желательно получить в растущем монокри­сталле 3 для обеспечения наибольших значе­ний тех или иных свойств.
Затравку выдер­живают в жидком металле для оплавления и установления равновесия в системе жид­кость-кристалл. Затем затравку медленно, со скоростью, не превышающей скорости кристаллизации, удаляют из расплава. Тянущийся за затравкой жидкий металл в области более низких температур над поверхностью ванны кристаллизуется, наследуя структуру затравки. Для получения симметричной формы растущего монокри­сталла и равномерного распределения при­месей в нем ванна 5 с расплавом вращается со скоростью до 100 об/мин, а навстречу ей с меньшей скоростью вращается монокри­сталл.

Диаметр растущего монокристалла зави­сит от скорости выращивания и темпера­туры расплава. Увеличение скорости выра­щивания ведет к выделению большей те­плоты кристаллизации, перегреву расплава и уменьшению диаметра монокристалла, и, наоборот, уменьшение скорости выращива­ния приводит к уменьшению количества те­плоты кристаллизации, понижению темпера­туры расплава и увеличению диаметра моно­кристалла.

Полупроводниковые лазеры (КПД > 90%)

В последние годы интенсивно разви­ваются работы по созданию полупроводниковых источников когерент­ного излучения — полупроводниковых лазеров, которые открывают возможность непосредственного преобразования энергии электриче­ского тока в энергию когерентного излучения.

На рис. а сплошной линией показана кривая распределения электронов, отвечающая равновесному состоянию, пунктиром — неравновесному состоянию, при котором концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне выше равновесной. За­полнение зон электронами, соответствующее такому инверсионному состоянию, показано на рис. б. Особенность его заключена в том, что кванты света с энергией, равной ширине запрещенной зо­ны, поглощаться системой не могут. Поглощение та­кого кванта должно сопровождаться переводом электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости. Так как на верхнем уровне валентной зоны электронов практически нет, а на нижнем уровне зоны проводимости нет свободных мест, то вероят­ность подобного процесса весьма низка. Это создает благоприятные условия для протекания стимулированного излучения и нарастания фотонной лавины. Квант света стимулирует рекомби­нацию электрона и дырки (n-переход), сопровождающуюся рождением точно такого же кванта. Так как эти кванты практически не погло­щаются системой, то в дальнейшем они оба участвуют в возбуждении стимулированного излучения, порождая два новых кванта, и т. д. Для того чтобы заставить один и тот же фотон участвовать в возбуждении стимулированного излучения многократно, на противоположных стен­ках рабочего тела лазера помещают строго параллельные одно другому зеркала (рис. в), которые отражают падающие на них фото­ны и возвращают   их   в рабочий   объем лазера. Усилению подвергаются только те  фотоны,   ко­торые движутся практически строго вдоль  оси,  так   как   только эти фотоны испытывают многократные отражения   от зеркал. Все другие фотоны выбывают    из   рабочего объема либо сразу, либо после незначительного числа отражений.   В результате    возникает    остронаправленное излучение вдоль оси,   характеризующееся вы­сокой степенью монохроматичности.

Полупроводниковые лазеры обладают высоким к. п. д., который приближается к 100%. Другим  замечательным  свойством   полупроводниковых   лазеров является  возможность  прямой  модуляции   когерентного  излучения изменением тока, текущего через p-n-переход.   Это позволяет при­менять полупроводниковые лазеры для целей связи и телевидения.

Поверхностно-пластическая деформация

 

 

Дробеструйный наклёп

Упрочнение поверхности,

снятие поверхностных напряжений.

Центробежный шариковый наклёп

                                                                       

                                                                                                                                                                                                                                                           

Превращения в сплавах системы желе­зо-цементит

Диаграмма состояния Fe-Fe3C  характеризует фа­зовый состав и превращения в системе железо - цементит (6,69 % С). Особен­ность диаграммы - наличие на оси со­ставов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в таблице. Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а точка D - температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам поли­морфных превращений железа. Точки H и Р характеризуют предельную кон­центрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпе­ратурном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

 

Обозначение точки на диаграмме	Температура, °С	Концентрация углерода, %
А Н J В N D Е С F G Р S К	1539 1499 1499 1499 1392 1260 1147 1147 1147 911 727 727 727	0 0,1 0,16 0,51 0 6,69 2,14 4,3 6,69 0 0,02 0,8 6,69

	Характерные точки диаграммы                      состояния железо-цемен­тит

 

 

 

Превращения в сплавах системы Fe-Fe3C происходят как при затверде­вании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, опреде­ляемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кри­сталлизация вызвана превращением же­леза одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют измене­ние концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (двой­ная вертикальная линия DFKL). Цемен­тит, выделяющийся из жидкости, назы­вают первичным; цементит, выделяющийся из аустенита - вторичным; це­ментит, выделяющийся из феррита - третичным.
Соответственно линию CD на диаграмме состояния называют ли­нией первичного цементита, ES- линией вторичного цементита; PQ-линией тре­тичного цементита. В системе железо - цементит происходят три изотермиче­ских превращения:

перитектическое превращение на ли­нии HJB (1499°С)

ФН + ЖВ>AJ

эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °С)

ЖС> [АE + Ц]

эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С)

АS> [ФР + Ц]

Эвтектическая смесь аустенита и це­ментита называется ледебуритом, а эвтектоидная смесь феррита и цементи­та - перлитом.

Эвтектоид - перлит (содержит 0,8 %С) и эвтектику-ледебурит (4,3 %С) рассма­тривают как самостоятельные струк­турные составляющие, оказывающие за­метное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структур­ной составляющей. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при температуре 20-25°С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной соста­вляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердо­сти (> НВ 6000) и хрупкости. Присут­ствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обра­ботке давлением, затрудняет обработку резанием.

Железоуглеродистые сплавы подраз­деляют на две группы: стали, содержа­щие до  2,14%С, и чугуны.

Диаграмма  состояния   железо - легирующий  элемент  с  открытой  ?-областью

Влияние легирующих элементов на протяженность замкнутой ?-области

Примесные полупроводники

Полупроводники любой степени чистоты содержат всегда примес­ные атомы, создающие свои собственные энергетические уровни, полу­чившие название примесных уровней. Эти уровни могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах полупроводника на различных расстояниях от вершины валентной зоны и дна зоны про­водимости. В ряде случаев примеси вводят сознательно для придания полупроводнику необходимых свойств. Рассмотрим основные типы примесных  уровней.

Донорные уровни. Предположим, что в кристалле германия часть атомов германия замещена атомами пятивалентного мышьяка. Герма­ний имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными си­лами (рис. а). Для установления связи с этими соседями атом мышьяка расходует четыре валентных электрона; пятый электрон в образовании связи не участвует. Он продолжает двигаться в поле ато­ма мышьяка.

Вследствие ослабления поля радиус орбиты электрона увеличивается в 16 раз, а энергия связи его с ато­мом мышьяка уменьшается примерно в ?2 ? 256 раз, становясь равной Ед ? 0,01 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывает­ся от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решет­ке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости (рис. б).

На языке зонной теории этот процесс можно представить следую­щим образом. Между заполненной валентной зоной и свободной зо­ной проводимости располагаются энергетические уровни пятого элек­трона атомов мышьяка (рис. в). Эти уровни размещаются непо­средственно у дна зоны проводимости, отстоя от нее на расстоянии Eg ? 0,01 эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней энергии Eg они переходят в зону проводимости (рис. г). Обра­зующиеся при этом положительные заряды («дырки») локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют.

Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, на­зываются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями.
Полупроводники, содержащие донорную примесь, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа, часто их называют также донорными полупроводниками.

 Акцепторные уровни. Предположим теперь, что в решетке герма­ния часть атомов германия замещена атомами трехвалентного индия (рис. а). Для образования связей с четырьмя ближайшими со­седями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заим­ствовать» у атома германия. Для этого требует­ся энергия порядка Еа ? 0,01 эВ. Разорванная связь представляет собой дырку (рис. б), так как она отвечает образованию в валентной зоне германия вакантного состояния.

На рис. в показана зонная структура германия, содержащего примесь индия. Непосредственно у вершины валентной зоны на расстоянии Еа ? 0,01 эВ располагаются незаполненные уровни атомов индия. Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при относительно невысоких температурах электроны из валент­ной зоны переходят на примесные уровни (рис. г). Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решетке гер­мания и в проводимости не участвуют. Носителями заряда являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупро­водника, называют акцепторными, а энергетические уровни этих при­месей — акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие также примеси, называются дырочными полупроводниками, пли полупроводниками  p-типа; часто их называют акцепторными полупроводниками.

Прямое включение: Обратное включение:

У диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток Iобр, который измеряют при опре­деленном значении обратного напряжения.

	I = I (e - 1)

 

Закон изменения тока

Прочность конструкционных материалов и критерии ее оценки

Конструкционная прочность - ком­плексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надеж­ности и долговечности.

Критерии прочности материала выби­рают в зависимости от условий его ра­боты. Критериями прочности при стати­стических нагрузках являются времен­ное сопротивление или предел теку­чести, характеризующие сопро­тивление материала пластической деформации. Поскольку при работе большинства деталей пластическая деформация недопустима, то их несущую способность, как правило, определяют по пределу текучести. Для приближен­ной оценки статической прочности ис­пользуют твердость НВ.

Большинство деталей машин испыты­вает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности - предел вынос­ливости. По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем боль­ше допустимые рабочие напряжения и тем самым меньше размеры и масса детали. Однако повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих на­пряжений сопровождается увеличением упругих деформаций.

Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким мо­дулем упругости (или сдвига), являю­щимся критерием его жесткости. Имен­но критерии жесткости, а не прочности обусловливают размеры станин стан­ков, корпусов редукторов и других дета­лей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Возможно и противоположное требо­вание. Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов при­боров, наоборот, важно обеспечить большие упругие перемещения. Для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важ­ное значение имеет эффективность мате­риала по массе.

Таким образом, в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в условиях эксплуатации.

Надежность - свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает вне­запный отказ деталей в условиях эксплуатации.
Оно считается наиболее опасным из-за протекания с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, а также возможных аварийных последствий.

Для предупреждения хрупкого разру­шения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластич­ностью и ударной вязкостью. Однако эти параметры надежности, определенные на небольших лабо­раторных образцах без учета условий эксплуатации конкретной детали, доста­точно показательны лишь для мягких малопрочных материалов. Необходимо также учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения. К таким факторам отно­сятся концентраторы напряжений (над­резы), понижение температуры, динами­ческие нагрузки, увеличение размеров деталей.

Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необ­ходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость - группа параметров надежности, характеризую­щих способность материала тормозить развитие трещины.

Количественная оценка трещиностойкости основывается на линейной механике разрушения. В соответствии с ней очагами разру­шения высокопрочных материалов служат небольшие трещины эксплуатационного или технологического происхождения. Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (ло­кальные) напряжения, в вершине которых мо­гут во много раз превышать средние рас­четные напряжения.

Долговечность - свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени. Причины потери работоспособности разнообразны: развитие процессов усталости, изнаши­вания, ползучести, коррозии, радиацион­ного разбухания и пр. Эти процессы вызывают постепенное накопление не­обратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьше­ние до требуемых значений скорости его разрушения.

Для большинства деталей машин долговечность определяется сопротивлением материала усталост­ным разрушениям (циклической долго­вечностью) или сопротивлением изна­шиванию.


Поэтому эти причины потери работоспособности материала требуют подробного рассмо­трения.

Циклическая долговечность характе­ризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющих­ся циклов напряжений. Цикл напряже­ния - совокупность изменения напряже­ния между двумя его предельными значениями ?max и ?min в течение перио­да Т.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под дей­ствием циклических нагрузок, приводя­щие к изменению его свойств, образова­нию трещин, их развитию и разруше­нию, называют усталостью, а свойство противостоять усталостивыносли­востью.

Износостойкость - свойство материа­ла оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание - процесс постепенного разрушения поверхностных слоев мате­риала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изна­шивания называют износом. Его опре­деляют по изменению размеров, уменьшению объема или массы. Износостойкость материала оцени­вают величиной, обратной скорости изнашивания.

Рекристаллизационный отжиг

Нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры рекристаллизации называют рекристаллизационным отжигом; в процессе выдерж­ки происходит главным образом рекри­сталлизация. Скорость охлаждения при этой разновидности отжига не имеет ре­шающего значения; обычно охлаждение по окончании выдержки проводят на спокойном воздухе. Цель отжига - пони­жение прочности и восстановление пла­стичности деформированного металла, получение определенной кристаллогра­фической текстуры, создающей анизо­тропию свойств, и получение заданного размера зерна.

Рекристаллизационный отжиг часто используют в качестве межоперацион­ной смягчающей обработки при холод­ной прокатке, волочении и других опе­рациях холодного деформирования. Температуру отжига обычно выбирают на 100-200 °С выше температуры рекристаллизации. В некоторых металлах и твердых рас­творах рекристаллизация сопровождает­ся образованием текстуры (преимуще­ственной ориентации кристаллов в объеме детали), которая создает ани­зотропию свойств. Это позволяет улуч­шить те или иные свойства вдоль опре­деленных направлений в деталях.  В машиностроении и приборостроении широ­кое применение находят металлы и сплавы - твердые растворы, не имею­щие фазовых превращений в твердом состоянии. В таких материалах единственной возможностью регулирования размера зерен является сочетание холодной пла­стической деформации с последующим рекристаллизационным отжигом.

Самопроизвольная кристаллизация

Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, ха­рактеризуемое уменьшением термо­динамического потенциала G.  С повышением температуры термо­динамический потенциал вещества как в твердом, так и в жидком состоянии уменьшается, что показано на рисунке.

Изменение термодинамического по­тенциала в зависимости от температуры для металла в твердом и жидком состояниях

Температура, при которой термодина­мические потенциалы вещества в твер­дом и жидком состояниях равны, назы­вается равновесной температурой кри­сталлизации. Кристаллизация происхо­дит в том случае, если термодинамиче­ский потенциал вещества в твердом состоянии будет меньше термодинами­ческого потенциала вещества в жидком состоянии, т. е. при переохлаждении жидкого металла до температур ниже равновесной. Плавление - процесс, об­ратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т. е. при перегреве. Разница между реальны­ми температурами плавления и кристаллизации называется температурным ги­стерезисом.

Поскольку жидкий металл с прису­щим ему ближним порядком в располо­жении атомов обладает большей вну­тренней энергией, чем твердый со струк­турой дальнего порядка, при кристалли­зации выделяется теплота. Между те­плотой  и температурой кристаллиза­ции Тк существует определенная связь. Так как при равновесной температуре кристаллизации термодинамические по­тенциалы в жидком и твердом состоя­ниях равны, то

 

 =>    => 

Параметр ?S = Q/TK характеризует упорядоченность в расположении ато­мов при кристаллизации. В зависимости от сил межатомной связи теплота кри­сталлизации для различных металлов изменяется от 2500 Дж/моль (Na, К и др.) до 20000 Дж/моль (W и др.).

Ког­да кристаллизуется чистый элемент, от­вод теплоты, происходящий вследствие охлаждения, компенсируется теплотой кристаллизации.
В связи с этим на кри­вой охлаждения, изображаемой в коор­динатах температура-время, процессу кристаллизации соответствует горизон­тальный участок:

Кривые охлаждения металла

При боль­шом объеме жидкого металла выделяю­ щаяся при кристаллизации теплота повышает температуру практически до равновесной (кривая а); при малом объеме металла выделяющейся теплоты недостаточно, вследствие чего кристаллизация происходит с переохлаждением по сравнению с равновесной температурой (кривая б).

Разница между равновесной (Ts) и ре­альной (Тn) температурой кристаллиза­ции называется степенью переохлажде­ния ?T. Степень переохлаждения зави­сит от природы металла. Она увеличи­вается с повышением чистоты металла и с ростом скорости охлаждения. Обыч­ная степень переохлаждения металлов при кристаллизации в производственных условиях колеблется от 10 до 30 °С; при больших скоростях охлажде­ния она может достигать сотен граду­сов.

Степень перегрева при плавлении ме­таллов, как правило, не превышает не­скольких градусов.

В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения переме­щаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки ато­мов небольшого объема, в пределах ко­торых расположение атомов вещества во многом аналогично их расположе­нию в решетке кристалла. Эти группи­ровки неустойчивы, они рассасываются и вновь появляются в жидкости. При переохлаждении жидкости некоторые из них, наиболее крупные, становятся ус­тойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов называют центрами кристаллизации (заро­дышами). Образованию зародышей спо­собствуют флуктуации энергии, т. е. от­клонения энергии группировок атомов в отдельных зонах жидкого металла от не­которого среднего значения. Размер образовавшегося зародыша зависит от величины зоны флуктуации.

Появление центров изменяет термо­динамический потенциал системы ?Gобщ. С одной стороны, при переходе жидкости в кристаллическое состояние термодинамический потенциал уменьша­ется на V?G? (G1), с другой стороны, он увеличивается вследствие появления по­верхности раздела между жидкостью и кристаллическим зародышем на величину, равную S? (G2):

	?Gобщ. = - V?G? + S?

 


где V-объем зародыша; S-поверх­ность зародыша; ?- удельное поверхностное натяжение на границе кристалл-жидкость; ?G?-удельная разность термодинамиче­ских потенциалов при переходе жидко­сти в кристаллическое состояние.

Изменение термодинамического по­тенциала при образовании зародышей в за­висимости от их размера

Если принять, что зародыш имеет форму куба с ребром А, то общее изме­нение термодинамического потенциала

	?Gобщ. = A3?G? + 6A2 ?

 

Отсюда следует, что графи­ческая зависимость изменения термо­динамического потенциала от размера зародыша имеет максимум  при некотором значении А, названном кри­тическим. Зародыши с размером боль­ше критического вызывают уменьшение ?Gобщ. и поэтому являются устойчивы­ми, способными к росту. Зародыши, имеющие размер меньше критического, нестабильны и растворяются в жидко­сти, поскольку вызывают увеличение ?Gобщ.

                        





 

     =>     =>  

Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяются соотношением скоростей роста кристаллов и образования цен­тров кристаллизации. Скорость образо­вания зародышей измеряется числом зародышей, образующихся в единицу времени в единице объема; скорость роста - увеличе­нием линейного размера растущего кри­сталла в единицу времени. Оба процесса связаны с перемещениями ато­мов и зависят от температуры. Графи­ческая зависимость скорости образова­ния зародышей и скорости их роста от степени переохлаждения представлена на рисунке.



Изменение скорости образования зародышей (с. з.) и скорости роста кристаллов (с. р.) в зависимости от степени переохлаждения

Для металлов, которые в обычных ус­ловиях кристаллизации не склонны к большим переохлаждениям, как пра­вило, характерны восходящие ветви кривых.Это значит, что при равновес­ной температуре, когда степень переох­лаждения равна нулю, скорость образо­вания зародышей и скорость роста также равны нулю, т. е. кристаллизации не происходит. При небольших степенях переохлаждения, когда велик зародыш критического размера, а скорость обра­зования зародышей мала, при затверде­вании формируется крупнокристаллическая структура. Небольшие степени переохлаждения достигаются при залив­ке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью (земляная, шамото­вая) или в подогретую металлическую форму. Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого метал­ла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенок отливки. Поскольку при этом ско­рость образования зародышей увеличи­вается более интенсивно, чем скорость их роста, получаются более мелкие кристаллы.

Силицирование (Si)

Силицированием называется процесс насыще­ния поверхности стали кремнием. В результате силицирования сталь приобретает высокую коррозионную стой­кость в морской воде, в различных кислотах и повышен­ную износостойкость. Кроме того, силицирование резко повышает окалиностойкость молибдена и некоторых других металлов и сплавов.

Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в ?-железе. Силицированный слой не­смотря на низкую твердость и значитель­ную пористость после пропитки маслом при температуре 170—200° С имеет повышенную износостойкость.

Силицирование можно проводить в порошкообраз­ных смесях, состоящих из 60% ферросилиция, 39% оки­си алюминия и 1 % хлористого аммония, но наиболее часто применяют газовое силицирование. При газовом силицировании при температуре 1000°С в течение 2—4 ч образуется слой толщиной 0,5—1,0 мм.

Силицированию подвергают детали, применяемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной про­мышленности.

В последние годы разработаны и получают промыш­ленное внедрение новые процессы поверхностного насы­щения металлов — титанирование  и цинкование.

Ситаллы

Ситаллы получают на основе неорганических стекол пу­тем их полной или частичной управляемой кристаллизации. Тер­мин «ситаллы» образован от слов: стекло и кристаллы. За рубежом их называют стеклокерамикой, пирокерамами. По структуре и технологии получения ситаллы занимают промежуточное положе­ние между обычным стеклом и керамикой. От неорганических сте­кол они отличаются кристаллическим строением, а от керами­ческих материалов — более мелкозернистой и однородной микро­кристаллической структурой. Ситал­лы подразделяют на фотоситаллы, термоситаллы и шлакоситаллы.

Схема кристаллизации стекла  при образовании ситаллов с помощью катализаторов

Фотоситаллы получают из стекол литиевой системы с нуклеа-торами — коллоидными красителями. Фотохимический процесс протекает при облучении стекла ультрафиолетовыми или рентгенов­скими лучами, при этом внешний вид стекла не изменяется. Про­цесс кристаллизации происходит при повторном нагревании изде­лия.

Термоситаллы   получаются   из   стекол   систем  MgO—А12О3—CaO—A12O3—SiO2. Кристаллическая структура ситалла создается толь­ко в результате повторной термообработки предварительно отфор­мованных изделий.

Структура ситаллов многофазная, состоит из зерен одной или нескольких кристаллических фаз, скрепленных между собой стекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы колеблется от 30 до 95 % . Размер кристаллов обычно не превышает 1—2 мкм. По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными и прозрачными.

Шлакоситаллы получают на основе доменных шлаков и катали­заторов (сульфаты, порошки железа и др.); вводятся соединения фтора для усиления ситаллизации.

В отличие от обычного стекла, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для ситаллов решающее значение имеют структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернис­тости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свой­ства ситаллов изотропны.
В них совершенно отсутствует всякая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам.

Плотность ситаллов лежит в пределах 2400—2950 кг/м8. Прочность ситалла зависит от температуры: до тем­пературы 700—780°С прочность материала уменьшается незначи­тельно, при более высоких температурах быстро падает. Жаро­прочность ситаллов под нагрузкой составляет 800—1200 °С. Твердость их приближается к твердости закаленной стали (микро­твердость 7000—10500 МПа). Они весьма износостойки. По теплопроводности ситаллы в резуль­тате повышенной плотности превосходят стекла. Стеклокристаллические материалы обладают высокой химической устойчивостью к кислотам и щелочам, не окисляются даже при высоких температурах. Они газонепроницаемы и обладают нуле­вым водопоглощением. Хорошие диэлектрики.

Применение ситаллов определяется их свойствами. Из ситаллов изготовляют подшипники, детали для двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности, оболочки вакуумных электронных приборов, детали радиоэлектроники. Ситаллы используют в качестве жаростойких покрытий для защиты металлов от действия высоких температур. Их применяют в произ­водстве текстильных машин, абразивов для шлифования, фильер для вытягивания синтетических волокон. Из ситаллов могут быть изготовлены лопасти воздушных компрессоров, сопла реактивных двигателей, они используются для изготовления точных калибров и оснований металлорежущих станков.

Слоистые пластмассы

Они состоят из пропитанных смолой и скле­енных между собой листов наполнителя (древесного шпона, бу­маги, ткани, стеклоткани и т. п.) и отличаются наибольшей прочностью. Однако из них наиболее трудно прессовать детали сложной конфигурации. Они отличаются максимальной анизо­тропией свойств. В электро- и радиотехнике, а также в приборо­строении из материалов этой группы чаще всего применяют гетинакс (бумолит), текстолит и стеклопласты.

Гетинакс состоит из слоев бумаги, пропитанных смолой и спрессованных под давлением при нагреве в листы и плиты толщиной 0,2—40 мм или трубы. Гетинакс применяют в основном для различных панелей, изо­ляционных шайб и прокладок, колодок зажимов, каркасов кату­шек, проходных изоляторов, изоляции обмоток и т. д.

Текстолит состоит из слоев хлопчатобумаж­ной ткани, пропитанных бакелитовой смолой и спрессованных под давлением при нагреве до 150—160° С. По сравнению с гетинаксом текстолит отличается повышенной твер­достью и прочностью при ударных нагрузках и более высоким сопротивлением скалыванию вдоль слоев. Он характеризуется лучшей способностью обрабатываться механически без растре­скивания и сколов. Текстолит дороже гетинакса. Тем не менее, благодаря высокой вибростойкости и хорошим технологическим качествам текстолит применяют не только как конструкционный, но и как электроизоляционный материал.

Текстолит применяют для изготовления щитков и панелей, изолирующих и тросовых роликов, бесшумных скоростных ше­стерен, вкладышей подшипников, амортизационных прокладок для поглощения вибраций.

Стеклопласт - пластик с наполнителем из стекловолокна. Применение стеклянных волокон вместо органических позволяет резко улучшить механические и электриче­ские свойства, повысить нагревостойкость, снизить влагопоглощение. Если применяют наполнитель из стеклянной ткани, то пла­стик называется стеклотекстолитом.

В современных стеклопластах, применяя прочное бесщелоч­ное стекловолокно и новые полимеры, удается реализовать очень высокую удельную прочность, значительно большую, чем у известных металлических материалов.

Поэтому в последние годы развивается тенденция по изго­товлению основных силовых конструкций летательных аппара­тов и авиационных двигателей из прочных стеклопластов. Из них готовят также обтекатели антенн и т. п. В конструкционных целях применяют аналогичные стеклопластам по структуре дру­гие композиционные материалы: хаифилл — полимер, напол­ненный графитовым волокном, полимеры, наполненные борным, сапфировым волокном и т. п.

Пенопласт (вспененные полимеры) — важная разновидность современных пластмасс. Пенистой структуры достигают введе­нием в смолу газообразователей (порофоров)— веществ, кото­рые в процессе производства пластмассовых изделий разлагаются с выделением газов.

Пенопласты отличаются малым удельным ве­сом, хорошими звуко-, тепло- и электроизоля­ционными свойствами: исключительно малой диэлектрической проницаемостью и малыми диэлектрическими поте­рями. Поэтому пенопласты являются хорошими радиопрозрачными материалами. Они применяются в обтекате­лях антенн как наполнители для повышения жесткости авиаци­онных конструкций, как тепло-, звукоизоляционные перегородки. Эпоксидные пенопласты начинают широко применять в виде электроизоляционной влагостойкой пенистой заливочной мас­сы — пенокомпаунда. Кремнийорганические пенопласты отличаются максимальной нагревостойкостью (длительно до 200—250°, крат­ковременно — 300—350°).

Для тепло- и злектроизоляции при более высоких температу­рах (длительно 500—600°) применяют иногда неорганические пенопласты — вспененная слюда вермикулит, пеностекло и пенокерамика.

Собственные полупроводники

Химически чистые полупроводни­ки называются собственными полупроводниками. К ним относится ряд чистых химических элементов (германий, кремний, селен, теллур и др.) и многие химические соединения, такие, например, как арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), карбид кремния (SiC) и т. д.

На рис. а показана упрощенная схема зонной структуры соб­ственного полупроводника. При абсолютном нуле его валентная зона укомплектована полностью, зона проводимости, расположенная над валентной зоной на расстоянии Eg является пустой. Поэтому при абсолютном нуле собственный полупроводник, как и диэлектрик, об­ладает нулевой проводимостью.

Однако с повышением температуры вследствие термического воз­буждения электронов валентной зоны часть из них приобретает энер­гию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости (рис. б). Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне - свободных уровней, на которые могут переходить электроны этой зоны. При при­ложении к такому кристаллу внешнего поля в нем возникает направленное движение электронов зоны проводимости и валентной зоны, приводящее к появлению электрического току. Кристалл становится проводящим.

Чем уже запрещенная зона и выше температура кристалла, тем больше электронов   переходит   в   зону   проводимости,   поэтому   тем более высокую электропроводность приобретает кристалл.

Из изложенного вытекают  сле­дующие два важных вывода.

Проводимость полупровод­ников     является     проводимостью возбужденной: она   появляется под действием внешнего фактора,   способного сообщить    электронам валентной зоны энергию, достаточную для переброса их в зону прово­димости. Такими факторами могут быть нагревание полупроводников, облучение их светом и ионизирующим излучением.

                                                                            

                                                                             где    ? – удельная проводимость;

Список литературы

Авиационное       электрорадиоматериаловедение.      Коровский Ш. Я., М. «Машиностроение», 1972, стр. 356. Гусев В. Г.,  Гусев Ю. М. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. школа. 1991.— 622с.: ил. Зуев В. М. Термическая обработка металлов. Учебник для техн. училищ. — 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. школа, 1981. — 296 с., ил. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. Учеб. пособие для втузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Высш. школа», 1977. 288 с. с ил. Касаткин А. С. Основы электротехники: Учебное пособие для сред. ПТУ. – 3-е изд., стер. – М.: Высшая шк., 1986. – 287с.: ил. Колобнев И. Ф., Крымов В. В., Мельников А. В.  Справочник литейщика. Цветное литье из легких сплавов. Изд. 2-е, перераб. И доп. М., “Машиностроение”, 1974, 416с. Лачин В. И., Савёлов Н. С. Электроника: Учеб. пособие. - Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000. — 448 с. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. —3-е изд., перераб. и доп. — М.: Ма­шиностроение, 1990. 528 с.: ил. Материаловедение: Учебник для высших техни­ческих учебных заведений.               Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред.                           Б. Н. Арзамасова.—2-е изд., испр. и доп.— М.: Машиностроение, 1986.—384 с., ил. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб.  и доп.: Металлургия,     1980. 460 с. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники: Учебник для студ. вузов по спец. электронной техники. 3-е изд. — СПб.: Издательство «Лань», 2001. — 368 с., ил. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем.-М.: Мир, 1982.-512 с., ил. Цветное литье. Легкие сплавы. Под ред. Колобнева, М., “Машиностроение”, 1966, 391с.

Сплавы на основе алюминия

Свойства алюминия. Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений и кристаллизируется в решетке гранецентрированного куба.

Алюминий обладает малой плотностью, хорошими теплопроводностью и электропроводимостью, высокой пла­стичностью и коррозионной стойкостью. Примеси ухудшают все эти свой­ства.

Постоянные примеси алюминия Fe, Si, Cu, Zn, Ti. В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты А999 (?0,001% примесей), высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (0,005-0,05% примесей) и технической чистоты А85, А8 и др. (0,15-1% примесей). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, про­фили, прутки и др.), маркируют АД0 и АД1. Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают прочность и твердость алюминия. Ввиду низкой прочности алюминий при­меняют для ненагруженных деталей и эле­ментов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность. Так, из него изготовляют рамы, две­ри, трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду и др. Благодаря высокой теплопроводности он используется для различных теплообмен­ников, в промышленных и бытовых холо­дильниках. Высокая электропроводимость алюминия способствует его широкому при­менению для конденсаторов, проводов, кабе­лей, шин и др.

Механические свойства алюминия

 

Марка	Сумма примесей, %	Состояние	?в	?0,2	?,%	HB
MПа
А995 А5 АО	0,005 0.5 1	Литой Литой Литой Деформиро­ванный и отожженный Деформиро­ванный	50 75 90 90 140	- - - 30 100	45 29 25 30 12	150 200 250 250 320

Из других свойств алюминия следует от­метить его высокую отражательную способность, в связи с чем он используется для прожекторов, рефлекторов, экранов телевизоров.
Алюминий имеет малое эффективное поперечное сечение захвата нейтронов. Он хорошо обрабатывается давле­нием, сваривается газовой и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием. Алюминий имеет большую усадку затверде­вания. Высокая теплота плавления и те­плоемкость способствуют медленному осты­ванию алюминия из жидкого состояния, что дает возможность улучшать отливки из алю­миния и его сплавов путем модифицирова­ния, рафинирования и других технологиче­ских операций.

Общая характеристика и классифика­ция алюминиевых сплавов. Алюми­ниевые сплавы характеризуют высокой удельной прочностью, способностью со­противляться инерционным и динамиче­ским нагрузкам, хорошей технологич­ностью. Временное сопротивление алю­миниевых сплавов достигает 500 — 700 МПа при плотности не более 2850 кг/м3. По удельной прочности неко­торые алюминиевые сплавы приближаются или соот­ветствуют высокопрочным сталям. Большинство алюми­ниевых сплавов имеют хорошую корро­зионную стойкость (за исключением сплавов с медью), высокие теплопровод­ность и электропроводимость и хоро­шие технологические свойства (обра­батываются давлением, свариваются то­чечной сваркой, а специальные - сваркой плавлением, в основном хорошо обра­батываются резанием). Алюминиевые сплавы пластичнее магниевых и многих пластмасс. Большинство из них превос­ходят магниевые сплавы по коррозион­ной стойкости, пластмассы - по стабиль­ности свойств.

Основными легирующими элемента­ми алюминиевых сплавов являются Cu, Mg, Si, Mn, Zn; реже-Li, Ni, Ti. Многие легирующие элементы образуют с алю­минием твердые растворы ограничен­ной переменной растворимости и про­межуточные фазы. Это дает возможность под­вергать сплавы упрочняющей термиче­ской обработке. Она состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор и естественного или искусственного ста­рения.

Легирующие элементы, особенно переходные, повышают температуру рекристаллизации алюминия.


При кристаллизации они образуют с алюминием пересыщенные твердые растворы. В процессе гомогенизации и горячей обработки давлением проис­ходит распад твердых растворов с обра­зованием тонкодисперсных частиц интерметаллидных фаз, препятствующих прохождению процессов рекристаллиза­ции и упрочняющих сплавы. Это явле­ние получило название структурного упрочнения, а применительно к прес­сованным полуфабрикатам - пресс-эф­фекта. По этой причине некоторые алю­миниевые сплавы имеют температуру рекристаллизации выше температуры закалки. Для снятия остаточных напря­жений в нагартованных полуфабрикатах (деталях), полученных холодной обра­боткой давлением, а также в фасонных отливках проводят низкий отжиг.

Конструкционная прочность алюми­ниевых сплавов зависит от примесей Fe и Si. Они образуют в сплавах нераство­римые в твердом растворе фазы. Независи­мо от формы (пластинчатой, игольчатой и др.) кристаллы этих фаз снижают пла­стичность, вязкость разрушения, сопро­тивление развитию трещин. Легирова­ние сплавов марганцем уменьшает вредное влияние примесей, так как он связывает их в четвертую фазу, кристаллизирующуюся в ком­пактной форме. Однако более эффек­тивным способом повышения конструк­ционной прочности является снижение содержания примесей с 0,5-0,7%  до 0,1-0,3% (чистый сплав), а иногда и до сотых долей процента (сплав повышенной чистоты). В первом случае к марке сплава добавляют букву Ч, например, Д16Ч, во втором-ПЧ, на­пример, В95ПЧ. Особенно значительно повышаются характеристики пластично­сти и вязкости разрушения в направле­нии, перпендикулярном пластической деформации.

Алюминиевые сплавы классифици­руют по технологии изготовления (де­формируемые, литейные, спеченные), способности к термической обработке (упрочняемые и неупрочняемые) и свой­ствам.

Сплавы на основе магния

Свойства магния. Магний-металл сере­бристо-белого цвета. Он не имеет поли­морфных превращений и кристаллизуется в плотноупакованной гексагональной решет­ке.

Магний и его сплавы отличаются низкой плотностью, хорошей обра­батываемостью резанием и способностью воспринимать ударные и гасить вибра­ционные нагрузки. Теплопроводность магния в 1,5, а электропроводимость — в 2 раза ниже, чем у алюминия. Примерно в 1,5 раза мень­ше, чем у алюминия, и его модуль нормаль­ной упругости. Однако они близки по удель­ной жесткости. В зависимости от содержания примесей установлены следующие марки магния (ГОСТ 804-72): Мг96 (99,96% Mg), Мг95 (99,95% Mg), Мг90 (99,90% Mg). При­меси Fe, Si, Ni, Си понижают и без того низ­кие пластичность и коррозионную стойкость. При нагреве магний активно окисляется и при температуре выше 623°С на воздухе воспламеняется. Это затрудняет плавку и разливку магния и его сплавов. По­рошок, тонкая лента, мелкая стружка магния представляют большую опасность, так как самовозгораются на воздухе при обычных температурах, горят с выделением большого количества теплоты и излучением ослепи­тельно яркого света.

Общая характеристика и классифика­ция магниевых сплавов. Достоинством магниевых сплавов является высокая удельная прочность. Временное сопро­тивление отдельных сплавов достигает 250-400 МПа. Основными ле­гирующими элементами магниевых сплавов являются Al, Zn, Mn. Для до­полнительного легирования используют цирконий, кадмий, церий, ниодим и др. Механические свойства сплавов магния при температуре 20-25°С улучшаются при легировании алюминием, цинком, цирконием. Цирконий и це­рий оказывают модифицирующее дей­ствие на структуру сплавов магния. Особенно эффективно модифицирует цирконий. Добавка 0,5-0,7% Zr умень­шает размер зерна магния в 80-100 раз. Это объясняется структурным и раз­мерным соответствием кристаллических решеток. Кроме того, цирконий и марганец способствуют устранению или значительному уменьшению влия­ния примесей железа и никеля на свой­ства сплавов.
Они образуют с этими элементами промежуточные фазы боль­шой плотности, которые при кристалли­зации выпадают на дно тигля, очищая тем самым сплавы от вредных приме­сей.

Увеличение растворимости легирую­щих элементов в магнии с повышением температуры дает возмож­ность упрочнять магниевые сплавы с помощью закалки и искусственного старения. Однако термическая обработ­ка магниевых сплавов затруднена из-за замедленных диффузионных процессов в магниевом твердом растворе. Малая скорость диффузии требует больших выдержек при нагреве под закалку для растворения вторичных фаз. Благодаря этому такие сплавы можно закаливать на воздухе, они не склонны к естественному старению. При искусственном старении необходимы высокие температуры (до 200° С) и боль­шие выдержки (до 16-24 ч). Наиболь­шее упрочнение термической обработкой достигается у сплавов магния, леги­рованных неодимом.

Временное сопротивление и особенно предел текучести магниевых сплавов значительно повышаются с помощью термомеханической обработки, которая состоит в пластической деформации за­каленного сплава перед его старением.

Из других видов термической обра­ботки к магниевым сплавам применимы различные виды отжига: гомогенизация, рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия остаточных напряжений. Для деформируемых сплавов диффузионный отжиг совмещают с нагревом для горя­чей обработки давлением. Температура рекристаллизации магниевых сплавов в зависимости от их состава находится в интервале 150-300°С, а рекристаллизационного отжига - соответственно в интервале 250-350 °С. Более высокие температуры вызывают рост зерна и понижение механических свойств. От­жиг для снятия остаточных напряжений проводят при температурах ниже темпе­ратур рекристаллизации.

Магниевые сплавы хорошо обрабаты­ваются резанием (лучше, чем стали, алюминиевые и медные сплавы), легко шлифуются и полируются. Высокие ско­рости резания и небольшой расход энергии способствуют снижению стои­мости обработки резанием деталей из магниевых сплавов по сравнению с дру­гими сплавами.


Они удовлетворительно свариваются контактной роликовой и дуговой сваркой. Прочность сварных швов деформируемых сплавов соста­вляет 90% от прочности основного ме­талла.

К недостаткам магниевых сплавов, наряду с низкой коррозионной стой­костью и малым модулем упругости, следует отнести плохие литейные свой­ства, склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при их приготовлении. Небольшие добавки бе­риллия (0,02-0,05%) уменьшают склон­ность к окисляемости, кальция (до 0,2%) - к образованию микрорыхлот в отливках. Плавку и разливку магниевых сплавов ведут под специальны­ми флюсами.

По технологии изготовления маг­ниевые сплавы подразделяют на ли­тейные (МЛ) и деформируемые (МА); по механическим свойствам-на сплавы невысокой и средней прочности, высоко­прочные и жаропрочные; по склонности к упрочнению с помощью термической обработки-на сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработ­кой. Для повышения пластичности маг­ниевых сплавов их производят с пони­женным содержанием вредных примесей Fe, Ni, Си (повышенной чистоты). В этом случае к марке сплава доба­вляют строчные буквы «пч», например, МЛ5пч или МА2пч.

Способы измерения твёрдости

Под твердостью понимается способность материала противодей­ствовать механическому проникновению в него посторонних тел. Такое определение твердости повторяет, по существу, опре­деление свойств прочности. В материале при вдавливании в него острого предмета возникают местные пластические деформации, со­провождающиеся при дальнейшем увеличении сил местным разру­шением. Поэтому показатель твердости связан с показателями проч­ности и пластичности и зависит от конкретных условий ведения ис­пытания.

Наиболее широкое распространение получили пробы по Бринелю и по Роквеллу. В первом случае в поверхность исследуемой детали вдавливается стальной шарик диаметром 10 мм, во втором — алмазный острый наконечник. По обмеру полученного отпечатка судят о твердости материала. Испытательная лаборатория обычно располагает составленной путем экспериментов переводной табли­цей, при помощи которой можно приближенно по показателю твер­дости определить предел прочности материала. Таким образом, в результате пробы на твердость удается определить прочностные показатели материала, не разрушая детали.

Ста­билитроны

Полупроводни­ковые стабилитроны, назы­ваемые иногда опорными диодами, предназначены для стабилизации напряже­ний. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя p-n-перехода при включении диода в обратном напра­влении.

Материалы, используемые для создания p-n-перехода стабилит­ронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля в p-n-переходе значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в p-n-переходе возникает сильное элек­трическое поле, вызывающее его электрический пробой. В этом режиме нагрев диода не носит лавинообразного характера. Поэтому электрический пробой не переходит в тепловой.

		d
	E = ~

 

U

 - напряжение стабилизации

В качестве примера на рисунке приведены вольт-амперные характеристики стабилитрона при различных температурах, показано условное обозначение стабилитронов.

Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочности

Детали машин и приборов, передаю­щих нагрузку, должны обладать жест­костью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластиче­ской деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из много­образия материалов в наибольшей сте­пени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа — чугуна и осо­бенно стали. Стали обладают высоким наследуемым от железа модулем упру­гости и тем самым высокой жесткостью, уступая в этом лишь бору, вольфраму, молибдену, бе­риллию, которые из-за высокой стои­мости используются только в специаль­ных случаях. Высокая жесткость и дос­тупность обусловливают широкое при­менение сталей для изготовления строи­тельных металлоконструкций, корпус­ных деталей, ходовых винтов станков, валов и многих других деталей машин.

Высокую жесткость стали сочетают с достаточной статической и цикличе­ской прочностью, значение которой можно регулировать в широком диапа­зоне изменением концентрации углеро­да, легирующих элементов и технологии термической и химико-термической обработки.

Применяемые в технике сплавы на ос­нове меди, алюминия, магния, титана, а также пластмассы уступают стали по жесткости, прочности или надежности. Кроме комплекса этих важных для ра­ботоспособности деталей свойств, стали могут обладать и рядом других ценных качеств, делающих их универсальным ма­териалом. При соответствующем легировании и технологии термической обра­ботки сталь становится износостойкой, либо коррозионно-стойкой, либо жаростойкой и жаропрочной, а также при­обретает особые магнитные, тепловые или упругие свойства. Стали свой­ственны также хорошие технологические свойства. К тому же она сравни­тельно недорога. Вследствие этих достоинств сталь - основной металлический материал промышленности.

 

Старение полимеров

Недостатком многих полимерных материалов, проявляю­щимся при эксплуатации, является изменение их размеров и свойств, называемое старением. Старение связано с физико-химическими превращениями, происходящими во многих поли­мерах в процессе работы, особенно при нагреве, механическом истирании, радиационном облучении и т. п.

Процессы превращения в зависимости от природы материала и действующих факторов могут быть весьма различными. Чаще всего это деструкция — реакция, протекающая с разрывом хими­ческой связи в главной цепи макромолекулы и образованием продуктов более низкого молекулярного веса. В зависимости от основной причины, вызвавшей ее, различают: термодеструкцию, механодеструкцию, фотохимическую и химическую, в частности окислительную, деструкции. Особенно склонны к процессам окислительной деструкции полиолефины.

Светодиоды

Излучающий диод, работающий в видимом диапазоне волн, часто называют светоизлучающим, или светодиодом.

Излучение возникает при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода и в областях, примыкающих к ука­занной области. При рекомбинации излучаются фотоны.

Прохождение через p-n-переход тока в прямом на­правлении сопровождается инжекцией неосновных носителей: электронов в p-область и дырок в n-область. Инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителя­ми данной области полупроводника и их концентрация быстро падает по мере удаления от p-n-перехода в глубь полупроводника. У многих полупроводников рекомбинация носит безызлучательный характер: энергия, выделяющаяся при рекомби­нации, отдается решетке кристалла, т. е. превращается в конечном итоге в теплоту.

Схематическое изображение структуры излучающего диода,  его ус­ловное графическое обозначение (КПД ~ 10-70%). InAs, Sic, GAs.

Тензорезисторы

Ряд полупроводниковых материалов достаточно резко изме­няет свое электросопротивление под влиянием механических на­пряжений. Этот эффект называется тензорезистивным, а материалы, в которых он имеет место, — тензорезисторами. Природа тензорезистивного эффекта у разных полупроводников может быть различной. У порошковых композиций, например у авиационных угольных регуляторов напряжения и в угольных микрофонах, она обусловливается преимущественно изменени­ем электросопротивления за счет изменения площади и качества поверхности контактов; в однородных монокристаллах — изме­нением ширины валентной зоны и анизотропии эффективных масс электронов при деформировании; в монокристаллах с p-n-переходами - за счет изменений ширины перехода и по­тенциалов на нем.

В простейшем случае этот эффект оценивается коэффициен­том тензочувствительности по напряжению:

характеризующему относительное изменение электросопротив­ления ?R/R0, приходящееся на единицу приложенного напряже­ния ?, или коэффициентом тензочувствительности по деформа­ции:

                               

где ?R – изменение сопротивления; ? – механическое напряжение; ? – коэффициент тензочувствительности по напряжению; ? – механическая деформация; K – коэффициент тензочувствительности по деформации.

Теоретическая и реальная прочности кристаллов на сдвиг

Рассмотрим кристалл

 

               

Тогда общая сила

  (где N – количество пар электронов и ионов)

 

               a – период кристаллической решётки

Тогда  

 

Отсюда                                               - прочность кристалла в зависимости от периода

   кристаллической решётки

Основным механизмом пластического течения кристаллов является сдвигообразование. Долгое время считалось, что такое сдвигообразование происходит путем жесткого смещения одной части кристалла от­носительно другой     одновременно   по всей плоскости    скольжения    SS.

В неискаженной решетке атомы двух соседних параллельных пло­скостей занимают положения равновесия, отвечающие минимуму по­тенциальной энергии (рис. а). Силы взаимодействия между ними равны нулю. При постепенном смещении одной атомной плоскости от­носительно другой возникают касательные напряжения, препятст­вующие сдвигу и стремящиеся восстановить нарушенное равновесие (рис. б). Критическое  скалывающее   напряжение  должно  составлять десятую долю от модуля сдвига. В таблице приведено ?к для ряда метал­лических кристаллов, определенное из опыта и вычисленное теоре­тически. Сравнение этих величин показывает, что реальная прочность кристаллов на сдвиг на 3—4 порядка меньше теоретически вычисленной прочности этих кристаллов. Это свидетельствует о том, что сдвиг в кристаллах происходит не путем жесткого смещения атомных плос­костей друг относительно друга, а осуществляется таким механиз­мом, при котором в каждый момент имеет место смещение относи­тельно малого количества атомов. Это привело к развитию дис­локационной теории пластического течения кристаллов.

?- деформация сдвига

 - напряжение сдвига

 

                                                                                                   G – модуль сдвига

Металл	?к,  10-7Па (эксперимен-таль­ное)	G, 10-7 Па	?к,  10-7Па  (теоретическое)
G/2?	G/30
Медь     Серебро   Никель   Железо    Магний   Цинк    Кадмий	0,10 0,06 0,58 2,90 0,08 0,09 0,06	4620 2910 7800 6900 1770 3780 2640	735 455 1240 1100 280 600 420	154 97 260 230 59 126 88

Термоэлектрогенераторы и термоэлектрохолодильники

Рассмотрим цепь из p-n-полупроводников. Пусть левые концы образцов n- и p-полупроводника находятся при температуре более высокой, чем правые. В горячей области образуются в большей концентрации электроны и дыр­ки. Путем диффузии они стремятся распространиться по всему объему. В результате горячая часть  n-полупроводника зарядит­ся положительно (частично ушли возбужденные электроны), а холодная - отрицательно; в р-полупроводнике горячая часть зарядится отрицательно (частично ушли возникшие дырки), а холодная — положительно.

В цепи, соединенной последовательно из разных материалов, появляется э. д. с., если места контактов поддерживаются при разных температурах. В этом сущность термоэлектрического эффекта Зеебека, используемого в термоэлектрогене­раторах (ТЭГ). При появлении тока в цепи, состоящей из раз­личных проводников, в местах контакта в дополне­ние к теплоте Джоуля выделяется или поглощается в зависимо­сти от направления тока некоторое количество тепла, пропорциональное прошедшему через контакт количеству электри­чества:

Термоэлектрогенераторы применяют для питания радиоаппа­ратуры. Так же как и термопарный эффект, эффект Пельтье в p-n-переходах проявляется более энергично, чем в металли­ческих парах. Если в лучших устройствах из металлических пар на контактах удавалось получать перепад темпера­тур 3—5° С, то в батареях из полупроводниковых          p-n-элементов удается его довести до 60—70° С. Эффект используется для охлаждения радиоаппаратуры и ее термостатирования.

Полупроводниковые термостаты применяют для стабилиза­ции температуры работы пьезокварцев и многих полупроводни­ковых радио- и вычислительных схем; холодильники - для по­вышения чувствительности схем с фоторезисторами.

Термореактивные полимеры

Ранее указывалось, что термореактивными являются поли­меры с пространственной системой ковалентных связей. Они, как правило, более нагревостойки, тверды и хрупки, чем термопла­стичные полимеры. Модуль упругости у них выше, а коэффици­ент линейного расширения ниже, чем у термопластичных поли­меров. В обычных растворителях, в которых растворяются термо­пластичные полимеры, они не растворимы. Термореактивные полимеры широко применяют в качестве основы пластмасс (особенно композиционных), компаундов, ла­кокрасочных материалов и электроизоляционных лаков, а так­же клеев.

Фенольноформальдегидные смолы. Бакелито­выми называются конденсационные термореактивные феноло- и крезолоформальдегидные смолы. Их изготовляют из сравнительно дешевого сырья фенола (или крезола) и формальдегида и они являются дешевой основой большого количества пласт­масс, лаков и клеев. Так как бакелит хрупок, то выпускаемые на его основе пла­стмассы наполненные (композиционные).

Резол — наименее конденсированный продукт с линейными молекулами. Он плавится при нагревании, хорошо растворим в спирте, ацетоне, щелочах и феноле.

Резитол — продукт дальнейшей конденсации, в который переходит резол при нагреве до 90—100° С. В спирте и ацетоне он не растворяется, а лишь набухает. При обычной температуре резитол хрупок.

Резит — конечный продукт конденсации, в который перехо­дит резол при нагреве до 150—160°С, не плавок, при 300° С он начинает обугливаться, не растворим в спирте и ацетоне и стоек по отношению к воде, бензину и маслам, серной и соляной кис­лотам, однако под действием азотной кислоты и щелочей раз­рушается. Благодаря наличию в структуре молекул групп ОН бакелит полярен и отличается в растворах высокими клеящими свойст­вами.

Из фенопластов, наполненных слюдяной и древесной мукой и называемых часто карболитами, изготовляют множество мел­ких деталей.Из более прочных пресспорошков - волокнитов с длинново­локнистыми наполнителями в виде хлопковых очесов, обрезков ткани, асбестового и стекловолокна делают более крупные детали — корпусы приборов, педали и рукоятки управления, коллек­торы электрических машин, ролики тросового управления, осно­вания печатных схем и т.
д. Изделия из фенопластов длительно нагревостойки до 120° С.

Существенные недостатки бакелитовых смол — их сравни­тельно низкое поверхностное сопротивление, особенно во влаж­ной атмосфере, а также низкая стойкость против поверхностных разрядов.

Аминопласты — пресспорошки на основе карбамидофор-мальдегидных смол, наполненные чаще всего целлюлозным во­локном, отличаются от фенопластов повышенной дугостойкостью. Бесцветные карбамидные смолы окрашивают в разнооб­разные, порой весьма яркие цвета. Недостатками аминопластов являются более высокая влагопоглощаемость, более низкая нагревостойкость, худшие технологические свойства, чем у фенопластов. Они также дороже фенопластов.

Полиэфиропласты. Важными представителями группы поли­эфирных материалов с удачным сочетанием комплекса электро­изоляционных, механических, химических и технологических свойств являются эпоксидные смолы.

Эпоксидные смолы получают в виде жидких, вязких или твер­дых продуктов в результате реакции конденсации соединений, содержащих концевые эпоксигруппы, послужившие основанием наименования этих смол. Эпоксидные смолы термопластичны и име­ют ограниченное применение. Их используют присадкой к ним веществ, вызывающих необратимое отвердение, т. е. переход в термореактивное состояние за счет создания поперечных свя­зок между молекулами.

Способность отвердевать при комнатных или невысоких тем­пературах нагрева без выделения побочных продуктов и с ма­лой усадкой 0,5-1% — ценное технологическое преимущество эпоксидных смол, вследствие которого они становятся незамени­мыми как заливочные массы и компаунды.

Эпоксидные смолы отличаются хорошими электроизоляцион­ными свойствами, но дугостойкость их невысока. Основное применение эпоксидных смол — изготовление ком­паундов, лаков, клеев, пластмасс.

Титан и сплавы на его основе

Свойства титана. Титан-металл серого цвета. Он имеет две полиморфные модификации. Полиморфное превращение (882 °С) при медленном охлаждении происходит по нор­мальному механизму с образованием поли­эдрической структуры, а при бы­стром охлаждении - по мартенситному меха­низму с образованием игольчатой структуры.

Промышленный способ производства ти­тана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим ее восстано­влением из четыреххлористого титана металлическим магнием. Полученную при этом титановую губку  марки­руют по твердости специально, выплав­ленных из нее образцов (ТГ-100, ТГ-110 и т. д.). Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Для уменьшения количества примесей и более равномерного их распределения по сечению слитка рекомендуется его двух-трехразовая переплавка. Характерную для титановых слитков крупнозернистую структуру измельчают путем модифицирования цирконием или бором. Полученный в результате переплава технический титан  маркируют в зависимости от со­держания примесей ВТ1-00 (? примесей ? 0,398%), ВТ1-0 (? примесей ?0,55%).

Механические свойства иодидного и технического титана

 

Титан	Сумма примесей, %	?в	?0,2	?	?	HB
МПа	%
ВТ1-0 Иодидный	0,3 0,093	450-600 250-300	380-500 100-150	20-25 50-60	50 70-80	2070 1300

Отличительными особенностями титана являются хорошие механические свойства, малая плотность, высокая удельная проч­ность и коррозионная стойкость. Низкий модуль упругости титана, почти в 2 раза меньший, чем у железа и никеля, за­трудняет изготовление жестких конструкций. Механические свойства титана характери­зуются хорошим сочетанием прочности и пластичности.

Высокая пластичность иодидного титана по сравнению с другими металлами, имеющими гексагональную кристаллическую ре­шетку (Zn, Cd, Mg), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования.

Механические свойства титана сильно за­ висят от наличия примесей, особенно водорода, кислорода, азота и угле­рода, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Не­большое количество кислорода, азота и угле­рода повышает твердость, временное сопро­тивление и предел текучести, однако при этом значительно уменьшается пластичность, снижается коррозионная стой­кость, ухудшаются свариваемость, способ­ность к пайке и штампуемость. Поэтому со­держание этих примесей в титане ограничено сотыми, а иногда тысячными долями про­цента. Аналогичным образом, но в мень­шей степени, оказывают влияние на свойства титана железо и кремний. Очень вредная примесь в титане  - водород. Присутствуя в весьма незначительном количестве, водо­род выделяется в виде тонких хрупких пла­стин гидридной фазы на границах зерен, что значительно охрупчивает титан. Водородная хрупкость наиболее опасна в сварных кон­струкциях из-за наличия в них внутренних напряжений. Допустимое содержание водо­рода в техническом титане находится в пре­делах 0,008-0,012%.

Технический титан хорошо обрабатывает­ся давлением. Из него изготовляют все виды прессованного и катаного полуфабриката: листы, трубы, проволоку, поковки. Титан хо­рошо сваривается аргонодуговой и точечной сваркой. Сварной шов обладает хорошим со­четанием прочности и пластичности. Проч­ность шва составляет 90% прочности основ­ного металла.

Титан плохо обрабатывается резанием, на­липает на инструмент, в результате чего тот быстро изнашивается. Для обработки титана требуются инструменты из быстрорежущей стали и твердых сплавов, малые скорости ре­зания при большой подаче и глубине реза­ния, интенсивное охлаждение. К недостатку титана относятся также низкие антифрик­ционные свойства.

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства титановых сплавов. Легирующие элементы по характеру влияния на полиморфные превращения титана подразделяют на три группы: ?-стабилизаторы, ?-стабилизаторы и ней­тральные элементы.


Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий, так как кислород и азот сильно охрупчивают титановые спла­вы.

Алюминий - широко распространен­ный, доступный и дешевый металл. Вве­дение его в титановые сплавы уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает модуль упругости, прочность при 20-25°С и вы­соких температурах.

Добавка к сплавам титана с алюми­нием таких ?-стабилизаторов, как V, Mo, Mb, Mn, уменьшает склонность к образованию упорядоченной струк­туры (сверхструктуры). Снижая температуру полиморфного превращения титана, ?-стабилизаторы расширяют область твердых растворов на основе Ti?.

Твёрдость материала по Бринелю рассчитывают исходя из площади отпечатка.

 

                                  [HB] = 1Па

Для стали                     

~  0,4 HB

Для бронзы, латуни    

~  0,25 HB

Углеродистые стали

На долю углеродистых сталей прихо­дится 80% от общего объема. Это объясняется тем, что эти стали дешевы и сочетают удовлетворительные меха­нические свойства с хорошей обрабаты­ваемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давле­нием они значительно превосходят ле­гированные стали. Однако углеродис­тые стали менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеро­дистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с ле­гированными сталями их следует подвергать отпуску при более низ­кой температуре, поэтому они сохра­няют более высокие закалочные напря­жения, снижающие конструкционную прочность.

Главный недостаток углеродистых сталей - небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термиче­ской обработкой. Крупные детали изго­товляют из сталей без термического упрочнения. По статической прочности углеродистые стали относятся преимущественно к сталям нормальной прочности. Углеродистые конструкцион­ные стали выпускают обыкновенного качества и качественные.

Варикапы

Варикап — это полупроводниковый прибор, предназначен­ный для использования в качестве управляемой электрическим напряжением емкости. Варикап работает при обратном напряжении, приложенном к p-n-переходу.

Емкость p-n-перехода диода с увеличе­нием обратного напряжения уменьшается. Максимальная емкость варикапа в за­висимости от его типа составляет 5-300 пФ. Отношение минимальной и мак­симальной емкостей равно 1:5. Благодаря достаточно высокой добротности варикапы используются для построения коле­бательных контуров с управляемой напря­жением резонансной частотой в области свч.

С =

 - емкость зависит от площади         обкладок конденсатора, расстояния между ними, а также от диэлектрической проницаемости материала.

Влияние энергии химических связей на свойства материалов

Свойства материалов определяются химическим составом и внутренним строением. При одном и том же хи­мическом составе свойства материалов могут существенно отличаться в зависимости от условий их получения и эксплуатации.

Так как любой материал представляет собой продукт вза­имодействия огромного количества атомов одного или несколь­ких химических элементов, то его свойства прежде всего зави­сят от типа и энергии химической связи составляющих атомов. При любом характере химического сродства частицы тела стремятся расположиться в таком по­рядке и на таких расстояниях, которые обусловливают относи­тельный минимум энергии всей системы, иными словами, ее наиболее устойчивое в данных условиях состояние. Эти равновесные расстояния между частицами обозначим R0.

При очень больших взаимных расстояниях атомы практически не взаимодействуют друг с другом, так что энер­гию их можно считать постоянной и равной нулю. При уменьшении расстояния между атомами проявляются силы притяже­ния и потенциальная энергия понижается. При некотором равновесном расстоянии R=Ro энергия W принимает мини­мальное значение, а результирующая сила взаимодействия F = dW/dR становится равной нулю. При дальнейшем сближе­нии частиц возникнут силы отталкивания, так как внеш­ние слои атомов, заряженные отрицательно, придут в тесное соприкосновение.

Общая зависимость изменения энергии W и сил взаимодей­ствия F пары частиц в молекулах  вы­ражается кривой взаимодействия, приведенной на рисунке.

В условиях равновесия частицы располагаются в миниму­мах потенциальной кривой — в «потенциальных ямах». Величина Wmin характеризует энергию связи частиц, т. е. ту энергию, которую нужно затратить, чтобы разобщить структур­ные элементы тела. Максимум величины F представляет собой теоретическое усилие, которое может выдержать тело при упругом растяжении. Величина ?W — энергия перехода ча­стиц из одного относительно устойчивого состояния в дру­гое.

Знание кривых взаимодей­ствия позволяет судить о ряде общих свойств тел и особенностях их поведения. Чем ниже расположена точка Wmin, тем выше энергия связи частиц те­ла, выше его температура плавления, больше модуль упруго­сти, меньше температурный коэффициент линейного расшире­ния и т. д. Хотя точный вид кривой взаимодействия зависит от конкретных свойств взаимодействующих частиц и от направления, в котором она исследуется, однако в общих чертах ее вид определяется типом и энергией химической связи. При воздействии на тело силовых полей частицы тела смещаются из равновесных положений. При этом могут наблюдаться три случая.

1. Ни одна частица не перемещается через вершины потен­циальных кривых (не переходит через потенциальные барьеры). Тогда мы имеем дело с упругими безгистерезисными явлени­ями, при которых состояние системы при данном значении поля одинаково как в процессе его приложения (при возрастании напряженности поля), так и в процессе уменьшения напряжен­ности поля.

2. Некоторые слабо связанные или все частицы силовое поле перебрасывает через потенциальные барьеры из одного относи­тельно устойчивого состояния в другое, но после снятия внеш­него воздействия под влиянием внутренних напряжений или теплового движения устанавливается статистически первона­чальное состояние. Это бывает тогда, когда осуществляются переходы через потенциальные барьеры, сравниваемые по порядку со средней тепловой энергией частиц. В этом слу­чае происходят упруго-гистерезисные процессы. Такие процессы характеризуют замкнутыми кривыми, называемыми циклами гистерезиса.

3. Если поле перемещает частицы через достаточно высокие потенциальные барь­еры, то при снятии внешнего воздействия проявляется остаточный эффект. Он наблюдается при пластической деформации металлов, получении постоянных магнитов, электретов и т. д.

Если во втором или третьем случае, т. е. при переходе через потенциальные барьеры, процесс идет последовательно, то после перехода возникают «пробойные явления» — электрический ток, течение материала и т.п.

Влияние нагрева на структуру и свойства металлов

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе ста­дии сопровождаются выделением теп­лоты и уменьшением свободной энер­гии. Возврат происходит при относи­тельно низких температурах (ниже       0,3 Тпл.), рекристаллизация - при более высоких.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микро­структуры деформированного металла, т. е. размер и форма зерен при возврате не изменяются.

Рекристаллизацией называют зарож­дение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в ре­зультате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего рав­ноосные кристаллы.

Возврат, в свою очередь, подразде­ляют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакан­сий; в ряде металлов, таких, как алюми­ний и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дисло­каций разных знаков и приводит к за­метному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопро­вождается также уменьшением оста­точных напряжений. Отдых уменьшает удельное электрическое сопротивление и повышает плотность металла.

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каж­дого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возни­кают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл раз­деляется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций.

Схема полигонизации: а, б — наклепанный металл до и после полигонизации соответственно

Полигонизация в металлах техниче­ской чистоты и в сплавах твердых рас­творах -наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов.
Так, этот процесс ред­ко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах. Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твер­дости и характеристик прочности. Блоч­ная структура, возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохра­няется почти до температуры плавле­ния. После формирования блочной структуры рекристаллизация не насту­пает, полигонизация и рекристаллиза­ция оказываются конкурентами.

Пластически деформированные ме­таллы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой пре­вышает определенное критическое зна­чение, которое называется критической степенью деформации. Если степень де­формации меньше критической, то заро­ждения новых зерен при нагреве не про­исходит.

Существует также температура рекри­сталлизации; это наименьшая темпера­тура нагрева, обеспечивающая возмож­ность зарождения новых зерен. Темпе­ратура рекристаллизации составляет не­которую долю от температуры плавле­ния металла:          Tрекр. =0,4Tпл. Для алюминия, меди и же­леза технической чистоты темпера­турный порог рекристаллизации равен соответственно 100. 270 и 450 °С.

Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве: а - наклепанный металл; б - начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г, д - стадии собирательной рекристаллизации

Зарождение новых зерен при рекри­сталлизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает цен­тров рекристаллизации. Они представляют собой субмикроскопические области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов строе­ния. Эти области возникают путем перераспределения и частичного уничто­жения дислокаций; при этом между цен­тром рекристаллизации и деформиро­ванной основой появляется высокоугло­вая граница.



С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к бо­лее совершенной решетке; при этом большеугловые границы новых зерен перемещаются в глубь наклепанного металла.



Схемы изменения твердости (а) и пластичности (6) наклепанного металла при нагреве: I - возврат;     II - первичная     рекристаллизация; III - рост зерна

Рассмотренная стадия рекристаллиза­ции называется первичной рекристалли­зацией или рекристаллизацией обработ­ки. Первичная рекристаллизация закан­чивается при полном замещении новы­ми зернами всего объема деформирован­ного металла.

По завершении первичной рекристал­лизации происходит рост образовав­шихся зерен при увеличении выдержки или температуры; эта стадия рекристал­лизации называется собирательной ре­кристаллизацией. Этот процесс само­произвольно развивается при достаточ­но высоких температурах в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии.

Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к со­седнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшают­ся в размерах и затем исчезают, а дру­гие становятся более крупными, погло­щая соседние зерна. С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна. Первичная рекристаллизация пол­ностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл при­обретает равновесную структуру с ми­нимальным количеством дефектов кри­сталлического строения. Свойства ме­талла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла.

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Сталь — сложный по составу железо­углеродистый сплав. Кроме железа и углерода - основных компонентов, а также возможных легирующих эле­ментов, сталь содержит некоторое количество постоянных и случайных приме­сей, влияющих на ее свойства.

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,8%, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния за­висит от структурного состояния стали, ее термической обработки.

После отжига углеродистые конструк­ционные стали имеют ферритно-перлитную структуру, состоящую из двух фаз - феррита и цементита. Количество цементита, который отличается высокой твердостью и хрупкостью, увеличивает­ся пропорционально концентрации угле­рода. В связи с этим, по мере повыше­ния содержания углерода, увеличивают­ся прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость стали.

Влияние углерода еще более значи­тельно при неравновесной структуре стали. После закалки на мартенсит вре­менное сопротивление легированных сталей интенсивно растет по мере уве­личения содержания углерода и дости­гает максимума при 0,4%С. При большей концентрации углерода становится нестабильным из-за хруп­кого разрушения стали, о чем свиде­тельствуют низкие значения ударной вязкости. При низком отпуске механиче­ские свойства полностью определяются концентрацией углерода в твердом рас­творе.

Углерод изменяет и технологические свойства стали. При увеличении его со­держания снижается способность сталей деформироваться в горячем и особенно в холодном   состояниях,   затрудняется свариваемость.

Постоянные примеси в стали: марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.

Марганец - полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.

Кремний - полезная примесь; вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4%, оказывая упрочняющее действие.

Сера - вредная примесь, вызывающая красноломкость стали - хрупкость при горя­чей обработке давлением. В стали она нахо­дится в виде сульфидов. Красноломкость связана с наличием сульфидов, которые образуют с железом эвтектику, отличаю­щуюся низкой температурой плавления (988 °С) и располагающуюся по границам зе­рен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в суль­фиды, исключающие образование лег­коплавкой эвтектики. Устраняя красноломкость, сульфиды, так же как и другие неметаллические вклю­чения (оксиды, нитриды и т. п.), служат кон­центраторами напряжений, снижают пла­стичность и вязкость стали. Содержание серы в стали строго ограничивают. Положи­тельное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием.

Фосфор - вредная примесь. Он растворяет­ся в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость - снижение вязкости по мере понижения температуры. Сильное охрупчивающее действие фосфора выражается в по­вышении порога хладноломкости. Каждая 0,01 % Р повышает порог хладно­ломкости на 25 °С. Хрупкость стали, вызы­ваемая фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода.

Фосфор - крайне нежелательная примесь в конструкционных сталях. Однако современные методы выплавки и переплавки не обеспечивают его полного удаления. Основной путь его снижения - повышение качества шихты.

Кислород, азот и водород - вредные скры­тые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот растворяются в феррите в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (окси­дами, нитридами). Кислородные включения вызывают красно- и хладноломкость, сни­жают прочность. Повышенное содержание азота вызывает деформационное старение.

Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях.Хрупкость, обусловленная водородом, про­является тем резче, чем выше прочность материала и меньше его растворимость в кри­сталлической решетке.

Случайные примеси - элементы, попадаю­щие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа в сталь попадает сурьма, олово и ряд других цветных металлов. Сталь, выплавленная из уральских руд, содержит медь, из керчен­ских - мышьяк. Случайные примеси в боль­шинстве случаев оказывают отрицательное влияние на вязкость и пластичность стали.

Заполнение зон электронами. Проводники, диэлектрики и полупроводники

Каждая энергетическая зона содержит ограниченное число энер­гетических уровней. В соответствии с принципом Паули на каждом уровне может разместиться не более двух электронов. При ограничен­ном числе электронов, содержащихся в твердом теле, заполненными окажутся лишь несколько наиболее низких энергетических зон. По характеру заполнения зон электронами все тела можно разде­лить на две большие группы.

К первой группе относятся тела, у которых над целиком заполнен­ными зонами располагается зона, заполненная лишь частично (рис. а). Такая зона возникает в том случае, когда атомный уро­вень, из которого она образуется, заполнен в атоме не полностью. Частично заполненная зона может образоваться вслед­ствие наложения заполненных зон на пустые или частично заполненные (рис. б). Наличие зоны,  заполненной лишь частично,  присуще металлам.

Ко второй группе относятся тела, у которых над целиком заполнен­ными зонами располагаются пустые зоны (рис. в, г). Типичным примером таких тел являются химические элементы IV группы табли­цы Менделеева — углерод в модификации алмаза, кремний, герма­ний и серое олово, имеющее структуру алмаза. К этой же группе тел относятся многие химические соединения — окислы металлов, нитри­ды, карбиды, галогениды щелочных металлов и т. д. Согласно зонной теории твердых тел, электроны внешних энерге­тических зон имеют практически одинаковую свободу движения во всех телах независимо от того, являются они металлами или диэлектриками. Движение осуществляется путем туннельного перехода электро­нов от атома к атому. Несмотря на это, электрические свойства этих тел, в частности удельная электропроводность, различаются у них на много порядков.

По ширине запрещенной зоны тела второй группы условно делят на диэлектрики и полупроводники. К диэлектрикам относят тела, имеющие относительно широкую запрещенную зону. У типичных ди­электриков Eg > 3 эВ. Так, у алмаза Eg — 5,2 эВ; у нитрида бора Eg - 4,6 эВ.

К полупроводникам   относят  тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону (рис. г). У типичных полупроводников Eg  < 1 эВ. Так,   у   германия Eg = 0,65 эВ;  у  кремния Eg = 1,08 эВ; у арсенида галлия Eg = 1,43 эВ

 

Диэлектрики:

Запрещенная зона Wg~5эВ; ?=108÷1018Ом*м;

Металлы:

Запрещенная зона Wg=0; ?=10-8÷10-6Ом*м;

Полупроводники:

Запрещенная зона Wg~1эВ; ?=10-6÷107Ом*м;

---

---