Металлы и сплавы - файл n1.docx

приобрести
Металлы и сплавы
скачать (4167.9 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx4168kb.13.09.2012 10:37скачать

n1.docx

1.Что такое латуни и бронзы?

Латуни. Сплав меди с цинком называется латунью. Механические свойства латуни - прочность и пластичность - выше, чем меди, она хорошо обрабатывается резанием, давлением, характеризуется высокой коррозионной стойкостью, теплопроводностью, электропроводностью. Большим преимуществом латуней является сравнительно низкая их стоимость, так как входящий в состав сплава цинк значительно дешевле меди. Максимальную прочность имеет латунь, содержащая 45% цинка, а максимальную пластичность - латунь, содержащая 32% цинка. При увеличении содержания цинка выше 39% резко падает пластичность, а выше 45% и прочность. Поэтому латуни, содержащие более 45% цинка, не применяются. Подобное изменение свойств связано со структурой латуней. Медь и цинк образуют целый ряд твердых растворов. При содержании цинка до 39% латунь является однофазной и структура её представляет собой ?-твёрдый раствор цинка в меди с гранецентрированной кубической решеткой (?-латунь). При большем содержании цинка латунь является двухфазной: в её структуре появляется хрупкая ? - фаза, представляющая собой твердый раствор на базе соединения Сu и Zn с Объемно-центрированной кубической решеткой (?+? латунь). При содержании цинка более 45 % структура латуни состоит только из ? - фазы.

По химическому составу различают простую (двойную) латунь, в которой содержатся только медь и цинк, и сложную (специальную), в которой кроме цинка содержатся легирующие элементы: никель, свинец, олово, кремний и др. Специальная латунь отличается повышенной прочностью, лучшими антикоррозионными и технологическими свойствами. По технологическому признаку латуни делятся на литейные и деформируемые (обрабатываемые давлением).

Латуни маркируются буквой Л. В деформируемых латунях указывается содержание меди и легирующих элементов, которые обозначаются соответствующими буквами (О - олово, А - алюминий, К - кремний, Н - никель, Мц - марганец, Ж - железо, С - свинец.). Содержание элементов дается в процентах после всех буквенных обозначений. Например, латунь Л63 содержит 63 % меди и 37 % цинка. Латунь ЛАЖ 60-1-1 содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка. Наибольшее применение имеют латуни, содержащие 90,80,70 и 68 % меди. Латуни, содержащие до 15 % цинка Л 90, Л85, называют томпаком, они имеют цвет золота и применяются для изготовления украшений. Обрабатываемые давлением латуни марок Л68 и Л70 используют для производства патронных гильз, Л90 и Л85 - лент, труб, радиаторов. Однофазные латуни хорошо обрабатываются в горячем и холодном состоянии, а двухфазные в горячем.

Для снятия внутренних напряжений латунные изделия, полученные путем холодной обработки давлением, отжигают при температуре 400-500 °С. Для получения мягкой латуни её нагревают до температуры 600-700°С и медленно охлаждают, а для получения твёрдой - применяют быстрое охлаждение.

Бронзы. Сплав меди с оловом, алюминием, свинцом и другими элементами, среди которых цинк и никель не являются основными, называют бронзой. По основному легирующему элементу бронзы делятся на оловянные, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, свинцовые и др. Бронзы обладают хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатываются давлением и резанием. Большинство бронз отличаются высокой коррозионной стойкостью и, кроме того, широко используются как антифрикционные сплавы.

По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные. Маркируются бронзы буквами Бр, за которыми показывается содержание легирующих элементов в %. Обозначения легирующих элементов и отличия в марках деформируемых и литейных сплавов у бронз такие же, как у латуней. Например, деформируемая бронза БрОФ 6,5-0,4 содержит 6,5 % олова и 0,4 % фосфора, а литейная бронза БрОЗЦ7С5Н - 3 % олова, 7 % цинка, 5 % свинца, менее 1 % никеля.

Особенно широкое применение в машиностроении имеют оловянные бронзы. Они обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, хорошо отливаются и обрабатываются резанием. По структуре оловянные бронзы, подобно латуням, бывают однофазными и двухфазными. Обычно вторая фаза выделяется при содержании олова больше 7-9 % . Поэтому бронзы с содержанием олова выше 12 % не применяются. Однофазные оловянные бронзы, имеющие высокую пластичность, используются в качестве деформируемых, двухфазные - в качестве литейных. Для улучшения качества в оловянную бронзу вводят свинец, повышающий антифрикционные свойства и обрабатываемость; цинк, улучшающий литейные свойства; фосфор, повышающий литейные, механические и антифрикционные свойства.

Литейные оловянные бронзы БрО5Ц5С5, БрО6Ц6С2, БрО10Ф1 и др. применяют для получения деталей машин, работающих в условиях морской и пресной воды, для изготовления антифрикционных деталей (вкладышей подшипников скольжения). Литейные оловянные бронзы имеют самую низкую усадку и наилучшую жидкотекучесть среди всех медных сплавов.

Деформируемые оловянные бронзы обладают высокой пластичностью и упругостью. Из них изготовляют прутки, трубы, ленты. Бронзу БрОФ65-1,5 применяют для изготовления пружин, мембран, антифрикционных деталей; БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-2,5 для производства плоских и круглых пружин, антифрикционных деталей. Для облегчения обработки давлением бронзы подвергают отжигу при температуре 700-750°С и последующему быстрому охлаждению. Для снятия внутренних напряжений в отливках применяют отжиг при температуре 550°С в течение 1 ч.

Олово - дорогостоящий и дефицитный материал, поэтому стремятся использовать безоловянные бронзы, которые состоят из меди с алюминием или кремнием, бериллием, свинцом, железом и др.

Алюминиевые бронзы обладают более высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью по сравнению с оловянными, но их литейные свойства ниже. Дополнительное легирование алюминиевых бронз железом, никелем и марганцем повышает их механические свойства. Никель также увеличивает коррозионную стойкость и жаростойкость. К литейным относят алюминиевые бронзы марок: БрА10ЖЗМц2, БрА9Ж4, БрА11Ж6Н6 и др. Из них получают фасонные отливки различной конфигурации и массы.

Марганцовистые бронзы (БрМц5) менее прочны, но обладают высокой пластичностью и хорошей сопротивляемостью коррозии, сохраняют механические свойства при повышении температуры до 400-500 °С.

Свинцовые бронзы марок БрС30 и с добавкой олова БрОС5-25, БрОС8-12 отличаются высокими антикоррозионными свойствами и теплопроводностью (в 4 раза больше, чем у оловянных). Свинец почти не растворяется в меди. Структура свинцовой бронзы состоит из кристаллов меди с включениями свинца. Это придает бронзе хорошие антифрикционные свойства, а высокая теплопроводность позволяет хорошо отводить тепло из зоны трения. Поэтому свинцовые бронзы применяют для изготовления сильно нагруженных подшипников скольжения. Бронзу марки БрС30 используют для производства подшипников турбин и других быстроходных машин.

Бериллиевые бронзы марок БрБ2, БрБН1-7, БрБН4-5 являются дисперсионно твердеющими сплавами. Они подвергаются закалке от 760-780°С, при этом образуется однородный твердый раствор. В результате искусственного строения при 300-350 °С из твердого раствора выделяют дисперсные частицы, упрочняющие сплав. Бериллиевые бронзы после термообработки имеют высокие механические свойства. Высокий предел упругости, хорошие коррозионная стойкость, теплостойкость, не образуется искры при ударе. Бериллиевую бронзу легируют также титаном. Из нее изготовляют детали особо ответственного назначения: пружины, пружинящие контакты, детали, работающие на износ (кулачки полуавтоматов) и т. д.

Кремнистые бронзы марок БрКМц3-1, БрКН1-3 заменяют дорогостоящие оловянные и бериллиевые бронзы. Они легко обрабатываются давлением, резанием, свариваются, обладают высокой упругостью, коррозионной стойкостью. Применяются для производства пружин и пружинящих деталей приборов, эксплуатируемых при температурах до 250°С, а также в агрессивных средах


2.Назовите основные группы инструментальных материалов?

Инструментальные материалы подразделяются на пять основных групп:

  1. инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие);

  2. металлокерамические твердые сплавы (группы ВК, ТК, ТТК и БВТС);

  3. режущая керамика (оксидная, оксикарбидная и нитридная);

  4. абразивные материалы (абразивная обработка);

  5. сверхтвердые материалы СТМ (на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ).

Наиболее распространенная из этих групп – быстрорежущая сталь, из которой изготавливается около 60% инструмента, из металлокерамических твердых сплавов – около 30%, из остальных групп материалов – только около 10 % лезвийного инструмента.

1.1 Углеродистые и инструментальные стали. Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А…У13, У13А. Помимо железа и углерода, эти стали содержат 0,2…0,4% марганца. Инструменты из углеродистых сталей обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200…250С) их твердость резко уменьшается.

1.2 Легированные инструментальные стали. По своему химическому составу, отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца, или наличием одного либо нескольких легирующих элементов: хрома, никеля, вольфрама, ванадия, кобальта, молибдена. Для режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами – лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонности к короблению, но теплостойкость их равна 350…400С и поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, метчики).

Следует отметить, что за последние 15-20 лет существенных изменений этих марок не произошло, однако наблюдается устойчивая тенденция снижения их доли в общем объеме используемых инструментальных материалов.

1.3 Быстрорежущие стали. В настоящее время быстрорежущие стали являются основным материалом для изготовления режущего инструмента, несмотря на то, что инструмент из твердого сплава, керамики и СТМ обеспечивает более высокую производительность обработки.

Широкое использование быстрорежущих сталей для изготовления сложнопрофильных инструментов определяется сочетанием высоких значений твердости (до HRC68) и теплостойкости (600-650С) при высоком уровне хрупкой прочности и вязкости, значительно превышающих соответствующие значения для твердых сплавов. Кроме того, быстрорежущие стали обладают достаточно высокой технологичностью, так как хорошо обрабатываются давлением и резанием в отожженном состоянии.

В обозначении быстрорежущей стали буква Р означает, что сталь быстрорежущая, а следующая за буквой цифра – содержание средней массовой доли вольфрама в %. Следующие буквы обозначают: М – молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, А – азот. Цифры, следующие за буквами, означают их среднюю массовую долю в %. Содержание массовой доли азота составляет 0,05-0,1%.

2.1 Вольфрамокобальтовые сплавы (ВК). Вольфрамокобальтовые сплавы (группа ВК) состоят из карбида вольфрама(WC) и кобальта. Сплавы этой группы различаются содержанием в них кобальта, размерами зерен карбида вольфрама и технологией изготовления. Для оснащения режущего инструмента применяют сплавы с содержанием кобальта 3-10%.

2.2 Титановольфрамокобальтовые сплавы (ТК). Сплавы второй группы ТК состоят из трех основных фаз: твердого раствора карбидов титана и вольфрама (TiC-WC) карбида вольфрама (WC) и кобальтовой связки. Предназначены они главным образом для оснащения инструментов при обработке резанием сталей, дающих сливную стружку. По сравнению со сплавами группы ВК они обладают большей стойкостью к окислению, твердостью и жаропрочностью и в то же время меньшими теплопроводностью и электропроводностью, а также модулем упругости.

2.3 Титанотанталовольфрамокобальтовые сплавы (ТТК).

Промышленные танталосодержащие твердые сплавы на основе TiC-WC-TaC-Co состоят из трех основных фаз: твердого раствора карбидов титана, вольфрама и тантала(TiC-TaC-WC), а также карбида вольфрама (WC) и кобальтовой связки.

Введение в сплавы добавок карбида тантала улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности при изгибе при температуре 20С и 600-800С.

Сплав, содержащий карбид тантала, имеет более высокую твердость, в том числе и при 600-800С. Карбид тантала в сплавах снижает ползучесть, существенно повышает предел усталости трехфазных сплавов при циклическом нагружении, а также термостойкость и стойкость к окислению на воздухе.

2.4 Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС). В связи с дефицитностью вольфрама и кобальта промышленность выпускает безвольфрамовые твердые сплавы на основе карбидов и карбонитридов титана с никельмолибденовой связкой.

По твердости БВТС находятся на уровне вольфрамосодержащих сплавов (группы ВК), по прочностным характеристикам и особенно по модулю упругости им уступают. Твердость БВТС по Виккерсу при повышенных температурах в диапазоне температур 293-1073К несколько ниже, чем твердость вольфрамосодержащего сплава.

3. Режущая керамика.

Промышленность выпускает четыре группы режущей керамики: оксидную (белая керамика) на основе Al2O3, оксикарбидную (черная керамика) на основе композиции Al2O3-TiC, оксиднонитридную (кортинит) на основе Al2O3-TiN и нитридную керамику на основе Si3N4.

Основной особенность режущей керамики является отсутствие связующей фазы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнашивания, повышает пластическую прочность, что и предопределяет возможность применения высоких скоростей резания, намного превосходящих скорости резания инструментом из твердого сплава. Если предельный уровень скоростей резания для твердосплавного инструмента при точении сталей с тонкими срезами и малыми критериями затупления составляет 500-600 м/мин, то для инструмента, оснащенного режущей керамикой, этот уровень увеличивается до 900-1000 м/мин.

Недостаток оксидной керамики – ее относительно высокая чувствительность к резким температурным колебаниям (тепловым ударам). Поэтому охлаждение при резании керамикой не применяют.

Указанное является главной причиной микро- или макровыкрашиваний режущей керамики и контактных площадок инструмента уже на стадиях приработочного или начального этапа установившегося изнашивания, приводящего к отказам из-за хрупкого разрушения инструмента. Отмеченный механизм изнашивания керамического режущего инструмента является превалирующим.

В последние годы появились новые марки оксидной керамики в состав которых введены окись циркония (ZrO2) и армирование ее «нитевидными» кристаллами карбида кремния (SiC). Армированная керамика имеет высокую твердость (HRCА-92) и повышенную прочность (изг до 1000 МПа).

Параллельно с совершенствованием керамических материалов на основе оксида алюминия созданы новые марки режущей керамики на основе нитрида кремния (силинит-Р). Такой керамический материал имеет высокую прочность на изгиб (изг=800 МПа), низкий коэффициент термического расширения, что выгодно отличает его от оксидных керамических материалов. Это позволяет с успехом использовать нитридокремниевый инструмент при черновом точении, получистовом фрезеровании чугуна, а также чистовом точении сложнолегированных и термообработанных (до HRC 60) сталей и сплавов.

4. Абразивные материалы.

В мировой практике металлообработки все большее применение находят инструментальные материалы с покрытиями. Тонкие «пленочные» покрытия, толщиной от 2 до 10 мкм, наносят на поверхность заточенного и доведенного инструмента из быстрорежущей стали, твердого сплава и режущей керамики, которые позволяют улучшить ряд служебных характеристик инструмента и значительно изменить условия его работы. Снижение сил и температур резания на 20-40%, позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2 и выше раз, или увеличить скорость резания от 20 до 60% и значительно улучшить шероховатость обработки.

5.Сверхтвердые синтетические поликристаллические инструментальные материалы.

Сверхтвердыми принято считать материалы, имеющие микротвердость, выше микротвердости природного корунда (Al2O3) (т.е. твердость по Виккерсу более 20 ГПа). Материалы, твердость которых выше, чем металлов (т.е. 5-20 ГПа) можно рассматривать как высокотвердые. Из природных материалов к сверхтвердым относится только алмаз. В 2000 году в ИСМ АН Украины прямым превращением графитоподобного твердого раствора BN-C при давлении 25 ГПа и температуре 2100К была получена новая сверхтвердая фаза, кубический карбонитрид бора (BC2N), получившим обозначение КАНБ. Твердость и модуль упругости КАНБ является промежуточным между алмазом и кубическим нитридом бора, что делает его вторым по твердости материалом после алмаза, и открывает новые перспективы.

5.1 Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора.

Инструментальная промышленность выпускает синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ).

Природный алмаз – самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от всех других инструментальных материалов, имеющих поликристаллическое строение, с точки зрения инструментальщика состоит в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки. Поэтому в конце XX века с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т.п. возрастает. Однако из-за дороговизны и хрупкости природные алмазы не применяются в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не столь высоки.

Кубический нитрид бора (КНБ) сверхтвердый материал не имеющий природного аналога. Впервые кубический нитрид бора был синтезирован в 1956 году (фирмой «Дженерал Электрик») при высоких давлениях (свыше 4,0 ГПа) и высокой температуре (свыше 1473К) из гексагонального нитрида бора в присутствии щелочных и щелочноземельных металлов (свинец, сурьма, олово и др.). Кубический нитрид бора, выпускаемый фирмой «Дженерал Электрик» был назван Боразоном.

Синтетические монокристаллы алмаза и КНБ, полученные искусственным путем имеют очень малые размеры, поэтому для использования в качестве инструментального материала их соединяют (сращивают) в поликристаллы.

3. От каких факторов зависят диэлектрические потери?

Под действием электрического поля в диэлектрике развиваются два основных процесса: поляризация и сквозная электропроводность. Развитие этих процессов может привести к рассеянию энергии электрического поля в диэлектрике в виде тепла. Так, под действием электрического поля свободные носители заряда набирают кинетическую энергию и, сталкиваясь с молекулами вещества, передают им эту энергию. Таким образом, энергия электрического поля трансформируется в тепловую энергию материала. Кроме того, в случае, когда структурные единицы вещества (молекулы) полярны, внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей по полю, и, как следствие, энергия поля вновь рассеивается в материале.

Для количественной оценки величины диэлектрических потерь используют понятие тангенс угла диэлектрических потерь. Введем это понятие.

В идеальном диэлектрике сдвиг фаз между напряжением и реактивной составляющей тока равен 90. В реальном диэлектрике появляется активная составляющая тока. Поэтому векторная диаграмма токов и напряжений выглядит, как показано на рисунке.
Зная величину напряжения (U), круговую частоту ()и емкость конденсатора (С), можно определить реактивную составляющую тока:

Ip=UC

Тогда активная составляющая тока определится как:

Ia=Ip tg

Рассеиваемую мощность можно определить следующим образом:

Р=UIa= U2Ctg

Важно отметить, что в приведенной выше формуле величина напряжения и круговая частота не зависят от материала диэлектрика, а емкость конденсатора и тангенс угла потерь определяются материалом диэлектрика. Поскольку емкость зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика и геометрии конденсатора (площади обкладок и расстояния между обкладками), то рассеиваемая в материале мощность электрического поля будет пропорциональна произведению диэлектрической проницаемости на тангенс угла потерь

P~tg

Произведение tg называют коэффициентом диэлектрических потерь и обозначают K.

При исследовании свойств материалов при помощи измерительных мостов, имеется возможность определения емкости, приложенного напряжения и круговой частоты, Следовательно, измерительные мосты могут автоматически определять активную составляющую тока и полный ток, иначе говоря, происходит автоматическое измерение тангенса угла потерь.

Таким образом, tg можно использовать в качестве меры потерь энергии поля в диэлектрике.
4. Что собой представляют стёкла?

Комиссия по терминологии АН СССР дала такое определение стеклу: "Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от химического состава и температурной области затвердения и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым".

Стекло - считают техническим термином в отличие от научного термина "стеклообразное состояние". В стекле могут оказаться пузыри, мелкие кристаллики. В материале из стеклообразного вещества, может быть даже специально образовано очень большое число мельчайших кристалликов, делающих материал непрозрачным или придающих ему иную окраску. Такой материал называют "молочным" стеклом, окрашенным стеклом и т.д.

Современные понятия различают термины стекло и стеклообразное состояние. Стеклообразного состояния:вещество твердое некристаллическое, образовавшееся в результате охлаждения жидкости со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации во время охлаждения. Н.В. Соломин, стеклом называется материал, в основном состоящий из стеклообразного вещества.

Все вещества, находящиеся в стеклообразном состоянии обладают несколькими общими физико-химическими характеристиками. Типичные стеклообразные тела:

1. изотопы, т.е. свойства их одинаковы во всех направлениях;

2.при нагревании не плавятся, как кристаллы, а постепенно размягчаются, переходя из хрупкого в тягучее, высоковязкое и в капельножидкое состояние;

3.расплавляются и отвердевают обратимо, вновь приобретают первоначальные свойства.

Обратимость прессов и свойств указывает на то, что стеклообразующие расплавы и затвердевшее стекло являются истинными растворами. Переход вещества из жидкого состояния в твердое при понижении температуры может происходить двумя путями: вещество кристаллизуется либо застывает в виде стекла.

По первому пути могут следовать почти все вещества. Однако путь кристаллизации обычен только для тех веществ, которые будучи в жидком состоянии, обладают малой вязкостью и вязкость которых возрастает сравнительно медленно, вплоть до момента кристаллизации.

Ко второй группе в решающей мере зависят от концентрации щелочей или от концентрации каких либо других избранных компонентов. Зависимость их от состава влияет на: вязкость, электропроводность, скорость диффузии ионов, диэлектрические потери, химическая стойкость, светопропускание, твердость, поверхностное натяжение.
Физические свойства стекла.

Плотность обычных натрий-калий-силикатных стекол, в том числе и оконных, колеблется в приделах 2500-2600 кг/м3. При повышении температуры от 20 до 1300оС плотность большинства стёкол уменьшается на 6-12%, то есть на 100оС плотность уменьшается на 15кг/м3. Предел прочности обычных отожженных стекол при сжатии составляет 500-2000МПа , оконное стекло 900-1000МПа.

Твердость стекла зависит от химического состава. Стекла имеют различную твердость в пределах 4 000-10 000МПа. Наиболее твердым является кварцевое стекло, с увеличением содержания щелочных оксидов твердость стекол снижается.

Хрупкость. Стекло наряду с алмазом и кварцем относится к идеально хрупким материалам. Поскольку хрупкость четче всего проявляется при ударе, её характеризуют прочностью на удар. Прочность стекла на удар зависит от удельной вязкости.

Теплопроводность. Наибольшую теплопроводность имеют кварцевые стекла. Обычное оконное стекло имеет 0,97Вт/(мК). С повышением температуры теплопроводность увеличивается, теплопроводность зависит от химического состава стекла.

Высокая прозрачность оксидных стекол сделала их незаменимыми для остекления зданий, зеркал и оптических приборов, включая лазерные, телевизионной, кино и фототехнике и т. д.
5.В чём заключается эффект выпрямления на p-n переходе?

Электронно-дырочный p-n переход. При приведении в контакт двух полупроводников, один из которых легирован донорной примесью (n-область), а другой – акцепторной примесью (р-область), некоторые электроны диффундируют в р-область, в которой уже часть электронов рекомбинирует с дырками, и в n-области на границе раздела остаются положительные ионы донорной примеси. Аналогично некоторые дырки из р-области диффундируют в n-область, в которой уже часть дырок рекомбинирует с электронами, и в р-области на границе раздела остаются неподвижные отрицательные ионы акцепторной примеси.



Рис. 1. Схематическое изображение р- n -перехода; чёрные кружки - электроны, светлые - дырки.

Таким образом, вблизи границ двух полупроводников образуется область пространственного заряда (ОПЗ), внутри которой существует электрическое поле (Еопз), которое препятствует дальнейшему перемещению электронов в р-область и дырок в n-область.

Как правило, одна из областей легируется намного сильнее другой (намного больше концентрация примеси).

При прямом смещении (напряжении) к p-области прикладывается положительный потенциал, к n-области отрицательный потенциал, это приводит к уменьшению Еопз и увеличению тока основных носителей заряда, например, дырок, если намного сильнее легирована р-область. Это соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n перехода, которая описывается выражением

J=Js . (eqU/kT-1) ,

где Js - ток насыщения (при обратном включении p-n перехода этот ток равен обратному току); U - приложенное напряжение; q/kT=40 В-1 при комнатной температуре. При обратном смещении к p-области прикладывается отрицательный потенциал, к n-области положительный потенциал. Напряженность внутреннего поля Еопз увеличивается, а ток основных носителей заряда уменьшается. Это соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики. Выпрямительными свойствами обладает лишь p-n переход и контакт полупроводника с другими металлами. p-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. В цепи с переменным электрическим полем p-n переход работает как выпрямитель.

6.Какими параметрами характеризуются магнитные материалы?

Магнитные материалы, вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и др. областях). Наибольшее применение находят магнитоупорядоченные вещества: ферро-, ферри- и антиферромагнетики, в состав которых входят некоторые элементы с незаполненными 3d-или 4f-электронными оболочками, атомы или ионы которых обладают магнитными моментами. К ферромагнетикам относятся в основные металлы и сплавы Fe, Co и Сu, РЗЭ (Nd, Sm, Gd, Tb, Dy и др.), некоторые соединения Mn и Сr, напр. MnBi, MnAl, CrPt; к ферримагнетикам - ферриты-шпинели MFe2O4 (M - Fe, Ni, Со, Mn, Mg, Zn, Сu), ферриты-гранаты R3Fe5O12 (R - РЗЭ), гексаферриты PbFe12O19, Ba2Zn2F12O22 и др., интерметаллические соединения RFe2, RCo5, RFe14 и др. Магнитными материалами могут быть металлы (ферромагнетики), диэлектрики и полупроводники (ферри- и антиферромагнетики). Основная характеристика магнитных материалов - намагниченность М, которая определяется как магнитный момент единицы объема вещества. Единица намагниченности в СИ - А/м. Зависимость М от напряженности поля H для ферро- и ферримагнетиков определяется кривой намагничивания с петлей гистерезиса (рис.1). Если напряженность поля достаточна для намагничивания образца до насыщения, соответствующая петля гистерезиса называется предельной; множество других возможных петель, получаемых при меньших значениях H и лежащих внутри предельной петли, называются частными (непредельными). Если до начала действия внешнего поля образец был полностью размагничен, кривая зависимости М от H называется основной кривой намагничивания.



Рис.1.Кривая намагничивания с петлей гестерезиса.

Кривые намагничивания и размагничивания ферромагнетика:

Н - напряженность внешнего магнитного поля;

М - намагниченность образца;

Нc - коэрцитивная сила;

Мr - остаточная намагниченность;

Мs - намагниченность насыщения;

1 - предельная петля гистерезиса;

2 - непредельная (частная) петля;

3 - начальная кривая намагничивания.

Другие важные параметры магнитных материалов:

1. Остаточная намагниченность Мr (или остаточная магнитная индукция Вr, единица измерения - тесла [Тл]); количественно оценивается величиной намагниченности, сохраняющейся в образце после того, как он был намагничен внешним магнитным полем до насыщения, а затем напряженность поля сведена до нуля. Величина Мr [Вr] существенно зависит от формы образца, его кристаллической структуры, температуры, механических воздействий (удары, сотрясения и т.п.) и др. факторов.

2. Коэрцитивная сила Hс; измеряется в А/м; количественно определяется как напряженность поля, необходимая для изменения намагниченности тела от значения Мr до нуля. Зависит от магнитной, кристаллографической и других видов анизотропии вещества, наличия дефектов, способа изготовления образца и его обработки, а также внешних условий, например температуры.

3. Относительная магнитная проницаемость m; характеризует изменение магнитной индукции В среды при воздействии поля H; связана с магнитной восприимчивостью c соотношением: m = 1 + c (в СИ). В ферромагнетиках и ферритах m сложным образом зависит от H; для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной (mдиф), начальной (mн) и максимальной (mмакс) проницаемостей.

4. Максимальная удельная магнитная энергия Wмакс (в Дж/м3) или пропорциональная ей величина (BH)макс на участке размагничивания петли гистерезиса.

5. Намагниченность насыщения Мs (или магнитная индукция насыщения Bs).

6. Кюри точка ТK.

7. Удельное электрическое сопротивление r (в Ом • м). В ряде случаев существенны и другие параметры, например температурные коэффициэнт остаточной индукции и коэрцитивной силы, характеристики временной стабильности основных параметров. Из аморфных магнитных материалов наиболее распространены материалы на основе Fe, Ni, Со с аморфизующими добавками В, Р, С, Si, Ge, а также аморфные сплавы РЗЭ с Fe и Со. Аморфные магнитные материалы получают из жидкой фазы сверхбыстрым охлаждением (скорость охлаждения св. 105 К/с) либо осаждением из газовой фазы на холодную подложку. При нагревании до 300-450 °С аморфные магнитные материалы переходят в кристаллическое состояние.

Композиционными магнитными материалами называются материалы, изготовленные из ферримагнитных металлических или ферритового порошка с диэлектрическим связующим (бакелитом, полистиролом, резиной, тальком, смолой, жидким стеклом, легкоплавкой стеклоэмалью и др.). Для многих технических приложений, главным образом в электротехнике и радиоэлектронике, необходимы магнитные материалы, обладающие большой величиной остаточной намагниченности. В зависимости от величины коэрцитивной силы различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы.

Магнитомягкие магнитные материалы намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно слабых магнитных полях (не св. 4 кА/м). Для них характерны высокие значения магнитной проницаемости (mмакс достигает 106), узкая петля магнитного гистерезиса, малые потери энергии при перемагничивании.

Магнитотвердые магнитные материалы (магнитожесткие, высококоэрцитивные магнитные материалы) намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно сильных магнитных полях (св. 4 кА/м). Высококоэрцитивными магнитными материалами иногда наз. только магнитные материалы с коэрцитивной силой Нс > 20 кА/м. Магнитотвердые магнитные материалы применяют как постоянные магниты, в качестве носителей магнитной памяти, в гистерезисных двигателях, различных механических удерживающих устройствах, в узлах радиоаппаратуры и др.
7. Вычертите диаграмму состояния системы алюминий-медь. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова.
Наиболее важной примесью в дуралюмине является медь.

Диаграмма состояния сплавов А1- Си (рис.1.) относится к диаграммам состояния III типа, когда компоненты образуют твердый раствор с ограниченной растворимостью, уменьшающейся с понижением температуры. В сплавах, имеющих диаграмму состояния такого типа, протекает вторичная кристаллизация, связанная с частичным распадом твердого раствора. Такие сплавы можно подвергать термической обработке III и IV групп, т. е. закалке и старению. Из диаграммы состояния Al – Cu следует, что наибольшая растворимость меди в алюминии наблюдается при 548°, когда она составляет 5,7%; при понижении температуры растворимость меди в алюминии уменьшается и при комнатной температуре составляет 0,5%.


0


.

Рис.1. Диаграмма состояния сплавов алюминий - медь.

Если сплавы с содержанием меди от 0,5 и до 5,7% подвергнуть закалке с нагревом выше температур фазовых превращений (например, выше точки 5 на диаграмме состояния сплавов А1 - Си), то сплав перейдет в однородный твердый раствор а. После закалки в сплаве будет протекать распад твердого раствора, сопровождающийся выделением избыточной фазы высокой степени дисперсности. Такой фазой в сплавах А1 - Си, является твердое и хрупкое химическое соединение СиА12.

Распад пересыщенного твердого раствора может протекать в течение длительного времени при вылеживании сплава при комнатной температуре (естественное старение) и более быстро при повышенной температуре (искусственное старение). В результате старения твердость и прочность сплава повышаются, а пластичность и вязкость снижаются.

Согласно теории старения, наиболее полно разработанной с помощью правил Курнакова, процесс старения в сплавах протекает в несколько стадий. Упрочнение сплавов, наблюдающееся в результате старения, соответствует периоду выделения избыточных фаз в высокодисперсном состоянии. Происходящие в структуре изменения можно наблюдать только при помощи электронного микроскопа. Обычно эта стадия процесса протекает у закаленных сплавов при естественном старении. При этом твердость и прочность сплава повышаются.

При нагреве закаленных сплавов до сравнительно низких температур, разных для различных сплавов (искусственное старение), протекает вторая стадия, состоящая в укрупнении частиц выделившихся фаз. Этот процесс можно наблюдать при помощи оптического микроскопа. Появление в микроструктуре укрупненных выделений фаз - упрочнителей совпадает с новым изменением свойств - снижением прочности и твердости сплава и повышением его пластичности и вязкости. Старение наблюдается только у сплавов, которые имеют диаграмму состояния с ограниченной растворимостью, уменьшающейся с понижением температуры. Так как большое количество сплавов имеет диаграмму этого типа, то явление старения весьма распространено. На явлении старения основана термическая обработка многих цветных сплавов - алюминиевых, медных и др.

В рассмотренных выше сплавах А1 - Си этот процесс протекает следующим образом. При естественном старении в закаленном сплаве происходит образование зон (дисков) с повышенным содержанием меди. Толщина этих зон, называемых зонами Гинье - Престона, равна двум-трем атомным слоям. При нагреве до 100° и выше эти зоны превращаются в так называемую Ө - фазу, являющуюся неустойчивой аллотропической модификацией химического соединения СиА12. При температуре выше 250° фаза 9' превращается в фазу Ө (СиА12). Дальше происходит укрупнение выделений фазы Ө (СиА12). Наибольшую твердость и прочность имеет сплав в первой стадии старения.

В дуралюмине марки Д1 в процессе распада твердого раствора выделяется также фаза Ө, а в дуралюмине марки Д16 таких фаз несколько.

Технология термической обработки деталей из дуралюмина состоит из закалки, проводимой с целью получения пересыщенного твердого раствора, и естественного или искусственного старения. Для закалки детали нагревают до 495° и охлаждают в холодной воде.

Закаленные детали подвергают естественному старению путем выдерживания их при комнатной температуре. После 4-7 суток вылеживания детали приобретают наиболее высокую прочность и твердость. Так, предел прочности дуралюмина марки Д1, находящегося в отожженном состоянии, составляет 25 кг/мм2, а твердость его равна Н В = 45; после закалки и естественного старения предел прочности равен 40 кг/мм2, а твердость повышается до Нв = 100.

Время, необходимое для распада твердого раствора, может быть сокращено до нескольких часов путем нагрева закаленного дуралюмина до 100 - 150(искусственное старение), однако значения твердости и прочности при искусственном старении несколько ниже, чем при естественном. Несколько снижается и коррозионная устойчивость. Наиболее высокую твердость и прочность после закалки и старения имеют дуралюмины марок Д16 и Д6. Дуралюмины марок ДЗП и Д18 являются сплавами с повышенной пластичностью.

Дуралюмины получили широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно в авиастроении, вследствие малого удельного веса и высоких механических свойств после термической обработки.

При маркировке дуралюмининов буква Д обозначает «дуралюмин», А цифра - условный номер сплава.

8.Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0°С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3,8% С. Выберите для заданного сплава процентное содержание углерода в фазах при температуре 850°С.
Сплавы железа с углеродом условно относят к двухкомпонентным сплавам. В их составе, кроме основных компонентов - железа и углерода, содержатся в небольших количествах обычные примеси - марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы - азот, кислород, водород и иногда следы некоторых других элементов. Железо с углеродом образует устойчивое химическое соединение Fe3C(93,33% Fe и 6,67% С), называемое карбидом железа или цементитом. В применяемых сплавах железа с углеродом (сталях, чугунах) содержание углерода не превышает 6,67%, и поэтому практическое значение имеют сплавы железа с карбидом железа (система Fe-Fe3C), в которых вторым компонентом является цементит.

При содержании углерода выше 6,67% в сплавах не будет свободного железа, так как оно все войдет в химическое соединение с углеродом. В этом случае компонентами сплавов будут являться карбид железа и углерод; сплавы будут относиться ко второй системе Fe3C-С, которая исследована недостаточно. Кроме того, железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода выше 6,67% обладают большой хрупкостью и практически не применяются.

Сплавы Fe-Fe3C (с содержанием С до 6,67%), наоборот, имеют большое практическое значение. На рис.1 приведена структурная диаграмма состояния сплавов Fe-Fe3C, построенная в координатах температура - концентрация. По оси ординат отложены температуры нагрева сплавов, а по оси абсцисс - концентрация углерода в процентах. Левая ордината соответствует 100% содержанию железа, а правая ордината - содержанию углерода 6,67% (или 100%-ной концентрации Fe3C).

На правой ординате отложена температура плавления Fe3C, соответствующая 1550° (точка D на диаграмме).

В связи с тем что железо имеет модификации, на левой ординате, кроме температуры плавления железа 1535° (точка А на диаграмме), отложены также температуры аллотропических превращений железа: 1390° (точка N) и 910° (точка G).

Таким образом, ординаты диаграммы соответствуют чистым компонентам сплава (железо и цементит), а между ними располагаются точки, соответствующие сплавам разной концентрации от 0 до 6,67% С




Рис.1. Структурная диаграмма состояния сплавов Fe - Fe3C.
В определенных условиях химическое соединение (цементит) может не образоваться, что зависит от содержания кремния, марганца и других элементов, а также от скорости охлаждения слитков или отливок. При этом углерод выделяется в сплавах в свободном состоянии в виде графита. Двух систем сплавов (Fe-Fe3C и Fe3C-С) в этом случае не будет. Они заменяются одной системой сплавов Fe-С, не имеющей химических соединений.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

Микроскопический анализ показывает, что в железоуглеродистых сплавах образуется шесть структурных составляющих, а именно: феррит, цементит, аустенит и графит, а также перлит и ледебурит.

Ферритом называют твердый раствор внедрения углерода в Fea. Так как растворимость углерода в Fe« незначительна, то феррит можно считать практически чистым Fea. Феррит имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Кб). Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен различной величины. Свойства феррита одинаковы со свойствами железа: он мягок и пластичен, предел прочности 25 кг/мм2, твердость НВ = 80, относительное удлинение 50%. Пластичность феррита зависит от величины его зерна: чем мельче зерна, тем пластичность его выше. До 768° (точка Кюри) он ферримагнитен, а выше - парамагнитен.

Цементитом называют карбид железа Fe3C. Цементит имеет сложную ромбическую решетку. Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид пластинок или зерен различной величины. Цементит тверд В > 800 ед.) и хрупок, а относительное удлинение его близко к нулю. Различают цементит, выделяющийся при первичной кристаллизации из жидкого сплава (первичный цементит или Ц1), и цементит, выделяющийся из твердого раствора Y -аустенита (вторичный цементит или Ц2). Кроме того, при распаде твердого раствора а (область GPQ на диаграмме состояния) выделяется цементит, называемый в отличие от предыдущих третичным цементитом или Ц3. Все формы цементита имеют одинаковое кристаллическое строение и свойства, но различную величину частиц - пластинок или зерен. Наиболее крупными являются частицы первичного цементита, а наиболее мелкими частицы первичного цементита. До 210° (точка Кюри) цементит ферримагнитен, а выше ее - парамагнитен.

Аустенитом называют твердый раствор внедрения углерода в FeY. Аустенит имеет гранецентрированную кубическую решетку (К12). Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид светлых зерен с характерными двойными линиями (двойниками). Твердость аустенита равна НВ = 220. Аустенит парамагнитен.

Графит имеет неплотно упакованную гексагональную решетку со слоистым расположением атомов. Под микроскопом эта структурная составляющая имеет вид пластинок различной формы и величины в серых чугунах, хлопьевидную форму в ковких чугунах, шарообразную форму в высокопрочных чугунах. Механические свойства графита чрезвычайно низки.

Все перечисленные четыре структурные составляющие одновременно являются также фазами системы сплавов железа с углеродом, так как они однородны - твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение (цементит) или элементарное вещество (графит).

Структурные составляющие ледебурит и перлит не однородны. Они представляют собой механические смеси, обладающие особыми свойствами (эвтектику и эвтектоид).

Перлитом называют эвтектоидную смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при вторичной кристаллизации и содержит 0,8% С. Температура образования перлита 723°. Эту критическую температуру, наблюдаемую только у стали, называют точкой А. Перлит может иметь пластинчатое строение, если цементит имеет форму пластинок, или зернистое, когда цементит имеет форму зерен. Механические свойства пластинчатого и зернистого перлита несколько отличаются. Пластинчатый перлит имеет предел прочности 82 кг/мм2, относительное удлинение 15%, твердость Нв= 190-230. Предел прочности зернистого перлита равен 63 кг/мм2, относительное удлинение 20% и твердость Я=1.60 – 190.

Ледебуритом называют эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он образуется в процессе первичной кристаллизации при 1130°. Это наиболее низкая температура кристаллизации в системе сплавов железа с углеродом. Аустенит, входящий в состав ледебурита, при 723° превращается в перлит. Поэтому ниже 723° и вплоть до комнатной температуры ледебурит состоит из смеси перлита и цементита. Он очень тверд в = 700) и хрупок. Наличие ледебурита является структурным признаком белых чугунов. Механические свойства железоуглеродистых сплавов изменяются в зависимости от количества структурных составляющих, их формы, величины и расположения.

Структурная диаграмма состояния Fe - Fe3C является сложной диаграммой, так как в сплавах железо - углерод происходят не только превращения, связанные с кристаллизацией, но и превращения в твердом состоянии.

Границей между сталями и белыми чугунами является концентрация углерода 2%, а структурным признаком - наличие или отсутствие ледебурита. Сплавы с содержанием углерода менее 2% (у которых ледебурита нет) называют сталями, а с содержанием углерода свыше 2% (в структуре которых есть ледебурит) - белыми чугунами.

В зависимости от концентрации углерода и структуры стали я чугуны принято подразделять на следующие структурные группы: доэвтектоидные стали (до 0,8% С); структура - феррит и перлит; эвтектоидная сталь (0,8% С); структура - перлит;

заэвтектоидные стали (свыше 0,8 до 2% С); структура - перлит в вторичный цементит;

доэвтектические белые чугуны (свыше 2 до 4,3% С); структура - ледебурит (распавшийся), перлит и вторичный цементит;

эвтектический белый чугун (4,3% С); структура-ледебурит;

заэвтектические белые чугуны (свыше 4,3 до 6,67% С); структура - ледебурит (распавшийся) и первичный цементит.

Это подразделение, как видно из диаграммы состояния Fe - Fe3C, соответствует структурному состоянию этих сплавов, наблюдаемому при температуре 850°С.

1.Что такое латуни и бронзы?
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации