авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования РФ

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра материаловедения и ТКМ

Курс лекций по

предмету

“Материаловедение и ТКМ”

II семестр

Авторы: студенты группы ЭСиС-207

Ахметгареев Р.Р.

Васильев О. Ю.

Рощин М. Е.

Лазарев Д. В.

Уфа 2004 Авторы: студенты гр. ЭСиС-207 Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Оглавление Лекция 1 4 Заполнение зон электронами. Проводники, диэлектрики и полупроводники 4 Собственные полупроводники _ 5 Примесные полупроводники _ 6 Лекция 2 8 Принципы работы полупроводниковых приборов и их применение Диоды Стабилитроны _ Варикапы Светодиоды Фоторезисторы _ Фотоэлементы с p-n-переходом Фотодиоды_ Термоэлектрогенераторы и термоэлектрохолодильники _ Эффект Холла Полупроводниковые лазеры (КПД 90%)_ Тензорезисторы_ Лекция 3 _ Механические свойства материалов Диаграмма растяжения_ Пластичность и хрупкость. Твердость Способы измерения твёрдости Влияние энергии химических связей на свойства материалов_ Теоретическая и реальная прочности кристаллов на сдвиг _ Лекция 4 _ Кристаллизация металлов Самопроизвольная кристаллизация Несамопроизвольная кристаллизация_ Получение монокристаллов _ Аморфное состояние металлов Полиморфизм Лекция 5 _ Влияние нагрева на структуру и свойства металлов _ Холодная и горячая деформации_ Термическая обработка металлов и сплавов Определения и классификация Нагрев для снятия остаточных напряжений Рекристаллизационный отжиг _ Диффузионный отжиг (гомогенизация) _ Лекция 6 _ Термохимическая обработка Назначение и виды химико-термической обработки Цементация Цианирование и нитроцементация _ Азотирование Диффузионная металлизация _ Алитирование (Al) Хромирование (Cr) Борирование (B) Силицирование (Si) _ Поверхностно-пластическая деформация Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Лекция 7_ Способы литья_ Литье в землю Литье в оболочковые формы Литье по выплавляемым моделям Непрерывное литье Литье в кокиль _ Литье под давлением Центробежное литье _ Литье под низким давлением Литье выжиманием Лекция 8 _ Конструкционные материалы _ Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам _ Прочность конструкционных материалов и критерии ее оценки_ Классификация конструкционных материалов _ Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочности Классификация конструкционных сталей _ Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали_ Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов_ Превращения в сплавах системы железо-цементит Углеродистые стали _ Легированные стали _ Лекция 9 _ Цветные сплавы _ Медные сплавы _ Сплавы на основе алюминия Сплавы на основе магния_ Титан и сплавы на его основе Лекция 10 Органические полимеры Старение полимеров _ Дополнительные компоненты полимерных композиций _ Неполярные и слабополярные термопласты _ Полярные термопласты Термореактивные полимеры Слоистые пластмассы Металлопласты _ Лекция 11 Неорганические материалы _ Графит Неорганическое стекло_ Ситаллы _ Керамика Лекция 12 Композиционные материалы Композиционные материалы с металлической матрицей_ Композиционные материалы с неметаллической матрицей_ Карбоволокниты Бороволокниты _ Органоволокниты _ Список литературы_ Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Лекция 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 E g 3 эВ. Так, у алмаза E g — 5,2 эВ;

у нитрида бора E g - 4,6 эВ.

К полупроводникам относят тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону (рис. г). У типичных полупроводников E g 1 эВ. Так, у германия E g = 0,65 эВ;

у кремния E g = 1,08 эВ;

у арсенида галлия E g = 1,43 эВ Диэлектрики:

Запрещенная зона Wg~5эВ;

=1081018Ом*м;

Металлы:

Запрещенная зона Wg=0;

=10-810-6Ом*м;

Полупроводники:

Запрещенная зона Wg~1эВ;

=10-6107Ом*м;

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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 E g 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.

1 – удельная проводимость;

где – удельное электрическое сопротивление;

n – концентрация носителей заряда;

nq q – величина заряда;

– подвижность носителей заряда;

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Подвижность носителей заряда характеризует способность перемещаться под действием электрического поля.

V E В металлах n практически не меняется. В полупроводниках n зависит от температуры.

где k – постоянная Больцмана Wg T – абсолютная температура kT ne N 0 e Разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер. Алмаз, являющийся диэлектриком при комнатной температуре, приобретает заметную проводимость при более высоких температурах и может считаться также полупроводником. По мере того, как в качестве полупроводников начинают использоваться материалы со все более широкой запрещенной зоной, деление тел на полупроводники и диэлектрики постепенно утрачивает свой смысл.

В таблице приведены электрофизические свойства и характеристики зонной структуры трех типичных собственных полупроводников при комнатной температуре — кремния, германия и антимонида индия.

n,см2/Вс p,см2/Вс, г/см Вещество E g, эВ, Омм M, г/моль Ge (70800C) 0,66 0,8 4000 3000 5,3 Si 1,12 2000 1900 400 2,3 (1201400C) Из данных таблицы видно, что с уменьшением ширины запрещенной зоны резко возрастает концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике и падает его удельное сопротивление.

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 си лами (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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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 «заим ствовать» у атома германия. Для этого требует ся 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 Е а 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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Лекция Принципы работы полупроводниковых приборов и их применение Диоды В пластине полупроводника, на границе между двумя слоями с различного рода электропроводностями, образуется электронно-дырочный переход, называемый также p-n-переходом или запирающим слоем. Этот слой обладает вентильными свойствами, т. е.

односторонней проводимостью. Это явление можно пояснить следующими положениями.

Концентрация электронов в n-области во много раз больше, чем их концентрация в p-области, где они служат неосновными носителями заряда. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации — p-область. Здесь они рекомбинируют с дырками акцепторов и таким путем образуют пространственный (объемный) отрицательный заряд ионизированных атомов акцепторов, не скомпенсированный положительным зарядом дырок — основных носителей заряда в этой области.

Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создается нескомпенсированный зарядом электронов пространственный положительный заряд ионов доноров. Таким путем между двумя областями полупроводника возникает двойной слой пространственного заряда, обедненный основными носителями заряда. Из-за наличия пространственных зарядов возникает перепад электрического потенциала между p- и n-областями. Его называют потенциальным барьером, а его величину — высотой потенциального барьера.

Электронно-дырочный переход нельзя получить, наложив одну на другую пластины, изготовленные из полупроводников с различной примесной проводимостью, так как между пластинами неизбежно наличие поверхностных пленок или очень тонкого слоя воздуха.

Такой переход создается лишь посредством образования областей с различными электропроводностями в одной пластине полупроводника. Такой двухслойный полупроводниковый прибор с p-n-переходом называется полупроводниковым диодом.

Если положительный полюс источника электроэнергии соединен с p-областью полупроводникового диода, а отрицательный — с n-областью, то электрическое поле источника ослабляет до малой величины действие пространственных зарядов — снижает потенциальный барьер диода, вследствие чего резко возрастает диффузия и вместе с ней ток через p-n-переход. Такое включение полупроводникового диода называется прямым.

При обратном включении полупроводникового диода, когда с p-областью соединен минус источника напряжения, а с n-областью — плюс этого источника, внешнее поле усиливает поле пространственных зарядов и удаляет носители заряда с обеих сторон перехода. Через p-n-переход создается в этом случае лишь весьма малый ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Но из-за этого тока обратное сопротивление полупроводникового диода является конечной величиной.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Прямое включение: Обратное включение:

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

qU Закон изменения тока kT I = I 0 (e - 1) 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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

d U ст U ст U E пер d~ = U ст - напряжение стабилизации В качестве примера на рисунке приведены вольт-амперные характеристики стабилитрона при различных температурах, показано условное обозначение стабилитронов.

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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

0 S С= - емкость зависит от площади d обкладок конденсатора, расстояния между ними, а также от диэлектрической проницаемости материала.

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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Фоторезисторы Фоторезистором называют полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра.

Схематическое изображение структуры фоторезистора и его условное графическое обозначение Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводимость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости).

Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью тока от освещенности при заданном напряжении на резисторе. Это так называемая люкс-амперная характеристика.

Люкс-амперная характеристика фоторезистора Фотоэлементы с p-n-переходом При освещении p-n-перехода в нем возникает э. д. с. Это явление используется в фотоэлементах с запирающим слоем, которые могут служить индикаторами лучистой энергии, не требующими внешнего питания, и преобразователями этой энергии в электрическую энергию.

Из p-полупроводника методом диффузии изготовляют тонкий слой, обладающий n проводимостью. Между этим слоем и p-полупроводником образуется p-n-переход. При отсутствии света переход находится в равновесном состоянии и в нем устанавливается Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

равновесный потенциальный барьер. При облучении перехода в p-области генерируются электронно-дырочные пары. Электроны, образовавшиеся в p-области, диффундируют к p n-переходу и, подхватываясь контактным полем, перебрасываются в n-область. Дырки же преодолеть барьер не могут и остаются в p-области. Поэтому p-область заряжается положительно, n-область — отрицательно и в p-n-переходе появляется дополнительная разность потенциалов, приложенная в прямом направлении. Ее называют фотоэлектродвижущей силой.

Принципиальная схема фотоэлемента (КПД ~15%) Фотодиоды Фотодиод, как и фотоэлемент с запирающим слоем, представляет собой p-n-переход, включенный в цепь в запорном направлении, последовательно с внешним источником питания. При отсутствии светового потока через фотодиод протекает незначительный так называемый темповой ток. При освещении p-n-перехода вследствие генерации избыточных носителей обратный ток увеличивается пропорционально потокe, вызывая увеличение падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. От фотоэлементов с внешним фотоэффектом фотодиоды выгодно отличаются малыми габаритами и весом, высокой интегральной чувствительностью и небольшим рабочим напряжением.

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области р-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Электрическое поле р-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для которых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход.

Основные носители задерживаются полем в своей области проводимости.

Упрощенная структура фотодиода и его условное графическое обозначение Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения между анодом и катодом при разомкнутой цепи.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ) фотодиода. Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область р-n-перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля р-n-перехода носители электрода движутся к электродам. В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20%. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана. Но ожидается, что стоимость энергии, получаемой с помощью солнечных батарей, будет снижаться.

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 107—1010 Гц. Фотодиод часто используется в оптопарах светодиод-фотодиод.

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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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.

Эффект Холла Предположим, что по пластине проводника, имеющей ширину a и толщину b, течет ток плотностью i. Выберем на боковых сторонах пластины точки C и D, разность потенциалов между которыми равна нулю. Если эту пластину поместить в магнитное поле с индукцией B, то между точками C и D возникает разность потенциалов VХ, называемая э. д. с. Холла. В не слишком сильных полях Vx = RH Bai Коэффициент пропорциональности RH называют постоянной Холла. Она имеет размерность L3/Q (L — длина, Q — электрический заряд) и измеряется в кубических метрах на кулон, (м3/Кл). Рассмотрим физическую природу эффекта Холла.

На электрон, движущийся справа налево со скоростью v, действует сила Лоренца Fл:

Fл = qvB Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Под действием силы Лоренца электроны отклоняются к внешней грани пластины, заряжая ее отрицательно. На противоположной грани накапливаются нескомненсированные положительные заряды. Это приводит к возникновению электрического поля, направленного от C к D. Поле EХ действует на электроны с силой f = qEx, направленной против силы Лоренца. При f — FЛ поперечное электрическое поле уравновешивает силу Лоренца и дальнейшее накопление электрических зарядов на боковых гранях пластины прекращается.

Эффект Холла получил наиболее широкое практическое применение из всех гальваномагнитных явлений. Помимо исследования электрических свойств материалов он послужил основой для устройства большого класса приборов: магнитометров, преобразователей постоянного тока в переменный и переменного в постоянный, усилителей постоянного и переменного тока, генераторов сигналов переменного тока, фазометров, микрофонов и т. д.

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 Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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.

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:

1 R ;

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

1 R K E ;

K ;

R где R – изменение сопротивления;

– механическое напряжение;

– коэффициент тензочувствительности по напряжению;

– механическая деформация;

K – коэффициент тензочувствительности по деформации.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Лекция Механические свойства материалов Из всех свойств, которыми обладают твердые тела, наиболее характерными являются механические свойства — прочность, твердость, пластичность, износостойкость и др.

Именно благодаря этим свойствам твердые тела получили столь широкое практическое применение в качестве конструкционных, строительных, электротехнических, магнитных и других материалов, без которых немыслимо развитие материального производства.

Рассмотрим некоторые из этих свойств.

Диаграмма растяжения При действии на тело внешней растягивающей силы оно растягивается, и этот процесс отражается на диаграмме растяжения.

Различают относительное и абсолютное удлинение:

1. Относительное l l l l 2. Абсолютное l F При этом материал испытывает механическое напряжение S Связь абсолютного удлинения и механического k удлинения отражается в законе Гука или E где k – коэффициент податливости, E - коэффициент упругости (модуль Юнга) k Зона ОА носит название зоны упругости ( 0 ). Здесь материал подчиняется закону Гука. На рисунке этот участок для большей наглядности показан с отступлением от масштаба. Удлинения на участке ОА очень малы, и прямая ОА, будучи вычерченной в Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

масштабе, совпадала с осью ординат. Величина силы, для которой остается справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала. Для высококачественных сталей эта величина имеет большее значение. Для таких металлов, как медь, алюминий, свинец, она оказывается в несколько раз меньшей.

Зона АВ называется зоной общей текучести, а участок АВ диаграммы — площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. Наличие площадки текучести для металлов не является характерным.

В большинстве случаев при испытании на растяжение и сжатие площадка АВ не обнаруживается.

Зона ВС называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но неизмеримо более медленным (в сотни раз), чем на упругом участке. В стадии упрочнения на образце намечается место будущего разрыва и начинает образовываться так называемая шейка — местное сужение образца.

По мере растяжения образца утонение шейки прогрессирует. Когда относительное уменьшение площади сечения сравняется с относительным возрастанием напряжения, сила достигнет максимума. В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением силы, хотя среднее напряжение в поперечном сечении шейки и возрастает. Удлинение образца носит в этом случае местный характер, и поэтому участок кривой CD называется зоной местной текучести. Точка D соответствует разрушению образца. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.

Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгрузить, то в процессе разгрузки зависимость между силой и удлинением изобразится прямой KL. Опыт показывает, что эта прямая параллельна прямой ОА. При разгрузке удлинение полностью не исчезает. Оно уменьшается на величину упругой части удлинения (отрезок LM). Отрезок OL представляет собой остаточное удлинение. Его называют также пластическим удлинением, а соответствующую ему деформацию — пластической деформацией. При повторном нагружении образца диаграмма растяжения принимает вид прямой LK и далее — кривой KCD, как будто промежуточной разгрузки и не было.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Чтобы дать количественную оценку описанным выше свойствам материала, перестроим диаграмму растяжения в координатах и. Эта диаграмма имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства материала. Отметим на диаграмме характерные точки и дадим определение соответствующих им числовых величин. Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределом пропорциональности п. Величина предела пропорциональности зависит от той степени точности, с которой начальный участок диаграммы можно рассматривать как прямую.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, называемого пределом упругости. Под пределом упругости у понимается такое наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций. Для того чтобы найти предел упругости, необходимо после каждой дополнительной нагрузки образец разгружать и следить, не образовалась ли остаточная деформация. Так как пластические деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, ясно, что величина предела упругости, как и предела пропорциональности, зависит от требований точности, которые накладываются на производимые замеры.

Следующей характеристикой является предел текучести. Под пределом текучести понимается то напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. Предел текучести легко поддается определению и является одной из основных механических характеристик материала.

Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит название предела прочности, или временного сопротивления, и обозначается через вр.

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 Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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.

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 Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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.

Для каждого материала существует установленная ГОСТом сила вдавливания F Для стали и чугуна F = 3000 кгс Для сплава меди, никеля, алюминия F = 1000 кгс Для мягких сплавов F = 250 кгс Твёрдость материала по Бринелю рассчитывают исходя из площади отпечатка.

F [HB] = 1Па HB S b ~ Для стали 0,4 HB b ~ Для бронзы, латуни 0,25 HB 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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Теоретическая и реальная прочности кристаллов на сдвиг Рассмотрим кристалл 1 q f 4 0 r Тогда общая сила F N f (где N – количество пар электронов и ионов) a – период кристаллической решётки S N a S Тогда F f a 1 q F S a 2 4 0 r 1 q теор Отсюда - прочность кристалла в зависимости от периода 4 0 a 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 от носительно 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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

- деформация сдвига F - напряжение сдвига S G G – модуль сдвига к, 10-7Па к, 10-7Па (теоретическое) G, 10-7 Па Металл (эксперимен тальное) G/2 G/ Медь 0,10 4620 735 Серебро 0,06 2910 455 Никель 0,58 7800 1240 Железо 2,90 6900 1100 Магний 0,08 1770 280 Цинк 0,09 3780 600 Кадмий 0,06 2640 420 Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Лекция Кристаллизация металлов Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией.

Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно (самопроизвольная кристаллизация) или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации (несамопроизвольная кристаллизация).

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 = = G ж Gтв H ж S жTп H тв S тв Tп H Tп S Параметр S = Q/TK характеризует упорядоченность в расположении атомов при Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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 выделяющаяся 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 VG (G1), с другой стороны, он увеличивается вследствие появления поверхности раздела между жидкостью и кристаллическим зародышем на величину, равную S (G2):

Gобщ. = - VG + S Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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. = A3G + 6A 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.

W Wтв Wж V Gтв S V Gж V (Gтв Gж ) S V G S a 3 G 6 a 2 a 2 (6 Ga ) a кр a 2 (6 Ga) = W 0 = G 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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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.

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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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 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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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.

Аморфное состояние металлов При сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование зародышей и рост кристаллов. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой структурой получили название аморфные сплавы или металлические стекла.

Аморфное состояние обеспечивает металлическим материалам свойства, значительно отличающиеся от свойств соответствующих материалов с кристаллической структурой. Так, аморфные магнитомягкие материалы характеризуются прямоугольной петлей гистерезиса, высокой магнитной проницаемостью и очень малой коэрцитивной силой. При этом магнитные свойства материала малочувствительны к механическим воздействиям на него.

Получены аморфные материалы и с высокой магнитной энергией. Удельное электри ческое сопротивление аморфных металлических материалов в 2 — 3 раза выше, чем у аналогичных сплавов с кристаллической структурой. Аморфные металлические материалы удачно сочетают высокие прочность, твердость и износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью. Большое практическое значение имеет также и возможность получения аморфных металлов в виде ленты, проволоки диа метром несколько микрометров непосредственно при литье, минуя такие дорогостоящие операции, как ковка, прокатка, волочение, промежуточные отжиги, зачистки, травление.

На рисунке показана связь характерных графиков изменения свободной энергии возможных фаз при трех определенных температурах t1, t2, t3 с диаграммой состояния. При температуре t2 между точками а и b в термодинамическом равновесии сосуществуют две фазы: жидкий раствор состава ха и твердый раствор состава xb. Значения свободных энергий этих растворов соответствуют точкам a' и b'. Для более точного построения линий ликвидус и солидус необходимо иметь несколько графиков для интервала температур между t1и t3.

Термодинамическое обоснование диаграммы состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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 свойст вами. Например, практически освоено получение алмазов из графита нагревом его под давлением 100000 атм. до температур примерно 2000° С.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Лекция 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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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 Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

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 ме талла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла.

Холодная и горячая деформации Деформирование металлов подразделяют на холодное и горячее в зависимости от температуры. Холодное деформирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклепывается и сохраняет наклеп. Горячее деформирование приводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если рекристаллизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью. Это достигается при особых условиях обработки и охлаждения металла. Например, горячее деформирование с высокими скоростями и большими деформациями с дальнейшим быстрым охлаждением металла ниже температуры рекристаллизации сохраняет наклеп.

Термическая обработка металлов и сплавов 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 Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

превращение при охлаждении. Для охлаждения используют различные жидкости, отраженные в таблице:

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

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Нагрев для снятия остаточных напряжений Многие технологические воздействия на обрабатываемые детали сопровождаются возникновением в них остаточных напряжений, которые уравновешиваются в объеме детали. Значительные остаточные напряжения возникают в отливках и полуфабрикатах, неравномерно охлаждающихся после проката или ковки, в холоднодеформированных полуфабрикатах или заготовках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при закалке и т. п.

Остаточные напряжения, возникшие в указанных случаях, чаще всего нежелательны.

Они могут вызвать деформацию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации, а, суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, привести к преждевременному разрушению или короблению конструкции;

увеличивая запас упругой энергии, остаточные напряжения повышают вероятность хрупкого разрушения. Во многих сплавах они вызывают склонность к растрескиванию в присутствии коррозионно-активной среды. По величине остаточные напряжения могут достигать предела текучести.

Для уменьшения остаточных напряжений изделия нагревают. С повышением температуры предел текучести понижается, поэтому остаточные напряжения вызывают пластическую деформацию и снижаются до уровня предела текучести металла при температуре нагрева.

В стальных и чугунных деталях значительное снижение остаточных напряжений происходит в процессе выдержки при температуре 450 °С;

после выдержки при температуре 600 °С напряжения понижаются до очень низких значений. Время выдержки устанавливается от нескольких до десятков часов и зависит от массы изделия.

В сплавах на основе меди и алюминия существенное уменьшение остаточных напряжений происходит при меньших температурах нагрева. Например, в холоднодеформированных латунных полуфабрикатах остаточные напряжения практически полностью снимаются в процессе отжига при 250-300°С По окончании выдержки при заданной температуре изделия медленно охлаждают, чтобы предотвратить возникновение новых напряжений. Допустимая скорость охлаждения зависит от массы изделия, его формы и теплопроводности материала;

она обычно лежит в пределах 20-200 °С/ч.

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.

Авторы: студенты гр. ЭСиС- Ахметгареев Р. Р.;

Васильев О. Ю.;

Лазарев Д. В.;

Рощин М. Е.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) В реальных условиях охлаждения расплава кристаллизация твердых растворов чаще всего протекает неравновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации растущих кристаллов по объему, отстают от процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом сплава, а наружные части кристаллов обогащены компонентом, понижающим температуру плавления.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.