Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет
advertisement
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет И.З. ШАРИПОВ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рекомендовано редакционно-издательским советом УГАТУ в качестве учебного пособия для студентов вечерней и заочной формы обучения Уфа 2008 УДК 669: 661.3 (07) ББК 34.2 (я7) Ш25 Ш25 Шарипов И.З. Материаловедение.. Часть II: Учебное пособие/ Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т.– Уфа, 2008.– 94 с. ISBN5–86911–503–5 В учебном пособии изложены основы строения и физики электрических явлений неметаллических материалов: диэлектриков и полупроводников, рассмотрены механические свойства различных конструкционных материалов, металлических и неметаллических. Пособие предназначено для студентов электротехнических специальностей вечерней и заочной формы обучения. Табл. 15. Ил. 59. Библиогр. 20 назв. Печатается по решению редакционно-издательского совета Уфимского государственного авиационного технического университета. Рецензенты: Д-р физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. ИПСМ РАН Пшеничнюк А.И. Д-р. физ.-мат. наук, проф. каф. общей физики БашГУ Балапанов М.Х. ББК 34.2 (я7) ISBN5–86911–503–5 © И.З. Шарипов, 2008 © Уфимский государственный авиационный технический университет, 2008 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 5 I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ .......................................................... 6 1.1 ДИЭЛЕКТРИКИ .............................................................................................. 7 1.1.1. Основные процессы в диэлектриках в электрическом поле .................. 9 1.1.2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ .................................... 10 1.1.3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ ...................................................... 12 1.1.3.1. Электронная поляризация ................................................................ 13 1.1.3.2. Ионная поляризации .......................................................................... 14 1.1.3.3. Дипольная поляризация ..................................................................... 15 1.1.3.4. Спонтанная поляризация .................................................................. 16 1.1.3.5. Активные диэлектрики ..................................................................... 17 1.1.4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ ........................................................... 18 1.1.4.1. Зависимость тангенса угла потерь от температуры ................. 20 1.1.4.2. Зависимость тангенса угла потерь от частоты ......................... 22 1.1.5. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ ................................................................... 23 1.1.5.1. Электрический пробой ...................................................................... 23 1.1.5.2. Электротепловой пробой ................................................................. 25 1.1.5.3. Электрохимический пробой.............................................................. 26 Контрольные вопросы ......................................................................... 27 1.2. ПОЛУПРОВОДНИКИ................................................................................. 28 1.2.1. Собственные полупроводники ................................................................ 29 1.2.2. Примесные полупроводники .................................................................... 30 1.2.3. Применение полупроводников ................................................................. 32 Контрольные вопросы ......................................................................... 37 II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ..................................... 38 2.1. Диаграмма растяжения ............................................................................... 38 2.2. Твердость........................................................................................................ 41 2.3. Теоретическая и реальная прочности кристалла ................................. 42 Контрольные вопросы ......................................................................... 44 III. ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 45 3.1. Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла . 45 3.2.1. Рекристаллизация .................................................................................... 46 3.2. Холодная и горячая деформации .............................................................. 48 3.3. Термическая обработка металлов ............................................................ 50 3.4. Химико-термическая обработка металлов ............................................. 52 3.3.1. Цементация ....................................................................................... 54 3.3.2. Азотирование .................................................................................... 55 3.3.3. Нитроцементация ............................................................................ 55 3.3.4. Цианирование .................................................................................... 55 3.3.5. Борирование ....................................................................................... 56 3.3.6. Силицирование ................................................................................... 56 3.3.7. Диффузионная металлизация .......................................................... 56 3.5. Поверхностная пластическая деформация ............................................. 56 3 Контрольные вопросы ......................................................................... 58 IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ .................................................... 59 4.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам ................................................................................................................................. 59 4.1.1.Критерии оценки конструкционной прочности материалов ................ 60 4.2. СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ ...................................................... 62 4.2.1. СТАЛИ ....................................................................................................... 63 Контрольные вопросы ......................................................................... 66 4.3. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ ....................................................... 67 4.3.1. Медные сплавы ........................................................................................ 67 4.3.2. Алюминиевые сплавы ............................................................................. 69 4.3.3. Магний и его сплавы ............................................................................... 70 4.3.4. Титан и его сплавы................................................................................... 71 Контрольные вопросы ......................................................................... 71 4.4. ОРГАНИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ............. 72 4.4.1. Химический состав .................................................................................. 72 4.4.2. Строение полимеров ................................................................................ 72 4.4.3. Свойства полимеров ................................................................................ 76 4.4.4. Полимеры с наполнителями ................................................................... 78 4.4.5. Эффективность применения полимеров................................................ 78 Контрольные вопросы ......................................................................... 79 4.5. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ....... 80 4.5.1. Графит ....................................................................................................... 80 4.5.2. Стекло ........................................................................................................ 81 4.5.3. Ситаллы ..................................................................................................... 84 4.5.4. Керамика ................................................................................................... 85 Контрольные вопросы ......................................................................... 87 4.6. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ .................................................. 88 4.6.1. Дисперсноупрочнённые композиционные материалы ........................ 88 4.6.2. Волокнистые композиционные материалы ........................................... 89 Контрольные вопросы ......................................................................... 91 Список литературы ................................................................................................ 92 4 ВВЕДЕНИЕ Умение находить и использовать материалы является важнейшим условием развития человечества. Поэтому неслучайно разные периоды его развития носят названия по тому материалу, который освоил человек. Первоначально это были природные материалы: дерево и камень, из которых изготавливали орудия труда и оружие: палки, топоры, стрелы и пр.. Этот период получил название «каменный век». Его сменил «бронзовый век», когда люди научились вплавлять медь. Затем пришёл «железный век», когда повсеместно распространилось железо. Двадцатый век часто по праву называют «веком стали». За многовековую историю своего развития человек научился создавать и использовать огромное количество различных материалов и веществ. Их к настоящему времени уже известно более 20 миллионов. Каждый материал обладает своими уникальными свойствами: тепловыми, механическими, электрическими, магнитными и др. Часто возможность создания того или иного технического устройства – самолета , подводной лодки, компьютера и др. – определяется свойствами имеющихся в распоряжении конструкторов материалов. Поэтому потребности науки, техники, производства в новых материалах всё более возрастают. Ориентироваться во всём этом многообразии невозможно без знания закономерностей формирования свойств материалов, их зависимости от химического состава, структуры, термической обработки и т.д. Изучение и выявление таких закономерностей является задачей обширной науки – материаловедения. Данное учебное пособие является изложением курса материаловедения, предназначенного для студентов электротехнических специальностей, поэтому в первую очередь рассматриваются электрические свойства материалов. Первая часть курса, посвященная свойствам металлов и сплавов, изложена в книге [1]. В этом учебном пособии продолжено рассмотрение основных электрических свойств и процессов в неметаллических материалах: диэлектриках и полупроводниках. Во второй главе уделено внимание механическим свойствам материалов и способам их измерения. В третьей главе – процессам происходящим при нагреве металлов, их термической и химико-термической обработке. Четвёртая глава посвящена различным конструкционным материалам: металлическим – неметаллическим , органическим – неорганическим, композиционным. Для закрепления усвоения материала в конце тематических разделов приведены контрольные вопросы. 5 I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ К неметаллическим материалам относятся разнообразные по природе и строению материалы – органические и неорганические, полимерные и мономерные, кристаллические и аморфные. Например, графит, стекло, бумага, дерево, слюда, керамика, пластмассы, композиционные материалы, резины, клеи, герметики, лаки и т.д. Их диэлектрические свойства, легкость, прочность, эластичность, химическая стойкость делают эти материалы необходимыми составляющими во всех электрических устройствах, машинах и летательных аппаратах. С точки зрения электрических свойств, вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники – это вещества, в которых имеется большое количество свободных носителей заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого материала. Например, электроны в металле, ионы в жидкости или газе. Из-за этого такие материалы имеют малое значение удельного электрического сопротивления. Так у металлов оно составляет величину = 10–8 10–6 Ом·м. Диэлектрики – это вещества, в которых практически нет свободных носителей заряда, то есть, нет заряженных частиц, которые могли бы перемещаться внутри диэлектрика. Вследствие чего у таких материалов удельное электрическое сопротивление очень велико = 108 1018 Ом·м Полупроводники имеют значение удельного электрического сопротивления промежуточное между проводниками и диэлектриками = 10–5 107 Ом·м. Их проводимость обусловлена перемещением некоторого количества подвижных носителей заряда (электронов, ионов и др.), возбужденных внешними энергетическими воздействиями (нагревом, облучением, наложением сильного электрического поля и т.д.). Столь значительные различия в электрических свойствах материалов обусловлены различием в строении электронных энергетических зон (рис.1.). Нижние, заполненные электронами, разрешенные уровни энергии в кристалле называют валентной зоной. Верхние свободные энергетические уровни – зоной проводимости. У диэлектриков зона проводимости отделена от валентной зоны зоной запрещенных значений энергии. Ширина запрещенной зоны у диэлектриков Eg > 3 э.в. (элекрон-вольт). Электроны не могут преодолеть столь значительный потенциальный барьер и поэтому не могут перемещаться в кристалле. 6 Диэлектрик Рис.1. Полупроводник Проводник Строение энергетических зон кристаллических твердых тел. У полупроводников ширина запрещенной зоны небольшая Eg 1 э.в. . При поглощении валентным электроном кванта энергии большего и равного ширине запрещенной зоны, электрон переходит в свободную зону проводимости и получает возможность перемещаться. После ухода электрона из валентной зоны в ней остается незанятое место – дырка. Таким образом, при возбуждении атома (за счет нагрева или облучения) в кристалле появляются два подвижных носителя заряда противоположных знаков: электрон и дырка. У проводников запрещенная зона отсутствует, т.е. валентная зона и зона проводимости сливаются друг с другом. В этом случае при малейшем нагреве в зоне проводимости всегда содержится огромное число электронов, что и объясняет хорошую проводимость металлов. Строение и свойства проводников металлов уже рассматривались ранее. Теперь изучим диэлектрики. 1.1 ДИЭЛЕКТРИКИ Диэлектрическими называют материалы, имеющие низкую плотность подвижных носителей заряда (ионов и электронов), поэтому практически не проводящие электрический ток. Удельное электрическое сопротивление таких материалов в 10 12 25 – 10 раз выше, чем у проводников и характеризуется величинами = 108 1018 Ом·м. Энергия, необходимая для возбуждения электронов на уровни проводимости, превосходит 3 электрон-вольта. 7 По химической природе и строению диэлектрические материалы весьма разнообразны (рис.2.). Диэлектрики классификация по типу химической связи ковалентная ионная поляризационная по агрегатному состоянию твердые жидкие газообразные по химическому составу органические неорганические по структуре кристаллические аморфные по молекулярному строению мономеры полимеры по происхождению природные (естественные) синтетические (искусственные) по электронному строению молекул полярные неполярные Рис.2. Классификация диэлектриков. Тип химической связи зависит от природы взаимодействующих атомов, о чем говорилось ранее. Агрегатное состояние вещества может меняться в зависимости от температуры. Поясним некоторые новые термины. 8 Органическими называют вещества, содержащие в своей основе углерод и водород. Кроме того, в них может входить некоторое количество кислорода, азота, серы и других элементов. Неорганические вещества разнообразны по химическому составу и могут состоять из любых элементов периодической таблицы Менделеева. Кристаллические тела характеризуются правильным периодическим расположением атомов. У аморфных тел атомы или молекулы распределены неупорядоченно, хаотично. По строению молекул различают мономеры и полимеры. Мономеры – вещества, молекулы которых состоят из относительно небольшого числа атомов, обычно <100. Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся звеньев. Количество атомов входящих в такую макромолекулу очень велико от 1000 до 1 000 000. По происхождению материал может быть природным, т.е содержаться в окружающей среде, а может быть получен искусственным или синтетическим путем. По электронному строению молекул различают полярные и неполярные вещества. У неполярных диэлектриков электроны распределены симметрично и поэтому в отсутствии внешнего электрического поля собственного дипольного момента у молекул нет. У полярных диэлектриков напротив молекулы являются электрическими диполями. Дипольный момент у молекул возникает из-за несимметричного распределения электронов в пространстве. Причиной могут быть атомы галогенов или сильных окислителей, которые притягивают электроны. Например, группы –Cl, –F, –OH и др.. Например, алмаз можно охарактеризовать как твердый по агрегатному состоянию диэлектрик, с ковалентной связью, неорганический, кристаллический по структуре, по происхождению может быть как природным, так и синтетическим, неполярный. Поливинилхлорид – это твердый аморфный диэлектрик, органический, с ковалентной связью в углеродной цепочке, с поляризационной связью между молекулами, синтетический по происхождению, полярный из-за наличия атомов хлора. Разнообразие диэлектриков приводит к большим различиям в их свойствах. Рассмотрим основные электрические характеристики диэлектриков. 1.1.1. Основные процессы в диэлектриках в электрическом поле При помещении диэлектрика в электрическое поле в нем происходят четыре основных процесса: 1. электропроводность, 2. поляризация, 9 3. диэлектрические потери, 4. пробой диэлектрика. Электропроводность – свойство диэлектриков проводить небольшой электрический ток, который связан с перемещением под действием электрического поля небольшого количества подвижных зарядов. Поляризация – свойство диэлектриков изменять напряженность электрического поля, что связано со смещением на небольшие расстояния связанных зарядов вещества. Диэлектрические потери – выделение энергии в диэлектрике в виде тепла под действием внешнего электрического поля. Пробой – потеря диэлектрических свойств вещества в сильных электрических полях. Рассмотрим каждое явление подробнее. 1.1.2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ Абсолютно чистый диэлектрик с идеальной структурой был бы идеальным изолятором, т.е. совсем не проводил бы электрический ток. В реальных же диэлектриках всегда содержатся примеси, их структура имеет дефекты, они подвергаются внешним воздействиям. Вследствие этого все диэлектрики содержат небольшое количество подвижных зарядов, а значит в той или иной степени проводят электрический ток. Свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле и обуславливают электропроводность, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны, структурные дефекты вакансии или дырки. Электропроводность определяется концентрацией этих носителей в соответствии с соотношением: g n , (1.1) где – проводимость, n – концентрация носителей , g – величина заряда носителей, – их подвижность. На концентрацию подвижных зарядов оказывают влияние: состав материала, температура среды, облучение материала светом или частицами высоких энергий и другие внешние воздействия. Концентрация подвижных носителей заряда в полярных материалах, как правило, выше, чем в неполярных. Связано это с тем, что полярные материалы труднее поддаются очистке, вследствие чего в них больше примесей. Наличие легко ионизируемых примесей, а 10 так же дефектов кристаллического строения, увеличивают число свободных зарядов в материале и увеличивают его проводимость. Нагрев вещества также приводит к росту проводимости. На рис.3. приведена температурная зависимость электрической проводимости . В первом приближении она описывается экспоненциальной функцией: Ea , kT о exp где Еа – энергия (1.2) активации электропроводности, к- постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, о – постоянный зависимость обусловлена параметр. Такая Рис.3. Зависимость электрической проводимости от температуры T. увеличением концентрации заряженных частиц за счет теплового возбуждения или активации. Электрическая проводимость диэлектриков зависит и от напряженности электрического поля. На рис.4. приведены два характерных графика изменения плотности тока J от напряженности поля E. На первом графике сначала величина плотности тока пропорциональна приложенной напряженности электрического поля. Это участок Рис.4. Зависимость электрической проводимости от напряженности поля E. линейной зависимоcти тока от напряженности поля и соответствует закону Ома: J E (1.3) с постоянным значением проводимости . Далее величина тока отклоняется вверх относительно линейной зависимости, т.е. величина проводимости материала растет, и значит на данном участке происходит увеличение концентрации подвижных носителей заряда. Такой график зависимости характерен для ионных, полярных диэлектриков, и материалов содержащих примеси. При значительной напряженности электрического поля в них происходит ионизация примесных или собственных атомов, что и приводит к увеличению концентрации подвижных носителей. На втором графике величина тока отклоняется вниз и перестает увеличиваться, наблюдается насыщение тока. Такой график зависимости характерен для неполярных диэлектриков высокой чистоты. В этих материалах число носителей заряда ничтожно. 11 Поэтому с ростом напряженности поля ток перестает увеличиваться, когда все имеющиеся носители оказываются задействованы в процессе переноса заряда. 1.1.3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ Диэлектрики практически не содержат свободных зарядов, однако любое вещество состоит из электрически заряженных частиц, которые находятся в связанном состоянии. При помещении в электрическое поле они смещаются на небольшие расстояния, что в свою очередь приводит к возникновению своего собственного электрического поля вещества направленного против внешнего электрического поля. Таким образом, результирующее поле оказывается ослабленным. Величину, во сколько раз ослабляется электрическое поле в веществе по сравнению с полем в вакууме, называют диэлектрической проницаемостью материала. А процесс смещения связанных зарядов, приводящий к возникновению собственного поля вещества называют поляризацией. Рассмотрим диэлектрик, помещенный между обкладками конденсатора (рис.5.). Заряды на обкладках создают электрическое поле Ео . Под действием этого поля связанные заряды внутри диэлектрика смещаются и создают собственное поле Е1, направленное против внешнего . Результирующее электрическое поле в диэлектрике ЕД равно разности: E Д Eo E1 , (1.4) Тогда отношение Eo , EД Рис.5. Диэлектрик, помещенный в электрическое поле Ео. (1.5) будет равно диэлектрической проницаемости среды . Эта величина безразмерная и характеризует диэлектрические свойства материала. Найдем емкость такого конденсатора с диэлектриком по формуле С Q U , (1.6) Подставим напряженность поля, используя соотношение U= d ЕД , и (1.5) , преобразуем 12 С Q Q Q Со d E Д d Eо Uо где Uо – напряжение конденсатора без диэлектрика, Со – емкость конденсатора без диэлектрика. Или С Со (1.6) Получаем таким образом, что емкость конденсатора с диэлектриком возрастает в раз. Количественно состояние поляризации характеризует вектор поляризации P, который равен суммарному электрическому дипольному моменту единицы объема вещества P p i i V , (1.7) где pi – дипольные моменты частиц вещества, V – его объем. В зависимости от природы смещающихся частиц и строения молекул материала поляризация подразделяется по механизму на 1. электронную (ε = 1,5-2,5) 2. ионную (ε = 5-15) 3. дипольную (ε = 2-5) 4. спонтанную (ε = 10²- 10 5 ). 1.1.3.1. Электронная поляризация Электронная поляризация возникает в неполярных диэлектриках, в которых молекулы не обладают собственным дипольным моментом. В этом случае атом или молекула (например, атом водорода) представляет собой систему, стоящую из положительно заряженного ядра, вокруг которого равномерно и симметрично распределены электроны. При таком расположении центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, и поэтому дипольный момент молекулы равен нулю. При помещении диэлектрика в электрическое поле, положительно заряженное ядро смещается по полю, а отрицательно заряженные электроны – против поля. Таким образом, происходит смещение положительных зарядов относительно отрицательных и возникает суммарный дипольный момент вещества, то есть поляризация. 13 Данный механизм называют электронной поляризацией, поскольку происходит смещение электронных оболочек атомов и молекул. Поскольку связь между ядром и электроном прочная, то сместить электрон относительно ядра очень сложно, поэтому величина возникающей поляризации оказывается небольшой. Характерные значения диэлектрической проницаемости материалов с электронным механизмом поляризации ε = 1,52,5. 1.1.3.2. Ионная поляризации Данный вид поляризации происходит в случае, когда вещество образуют ионы. Рассмотрим, например, ионный кристалл NaCl. Кристаллическая решетка его представляет собой пространственную кубическую решетку с правильным чередованием ионов различных знаков (рис.6.). В отсутствие электрического поля в любом объеме и на каждой грани кристалла находится одинаковое количество как положительно заряженных ионов натрия Na+, так и отрицательно заряженных ионов хлора Cl–. Следовательно, они компенсируют друг друга, то есть суммарный дипольный момент вещества равен нулю. E=0 E Рис.6. Ионный механизм поляризации: а) электрическое поле отсутствует, б) смещение ионов под действием электрического поля. Если вещество поместить в электрическое поле, положительные ионы начнут смещаться вдоль поля, отрицательные - против поля. Тогда на поверхности диэлектрика с одной стороны будет накапливаться положительный заряд, а с другой – отрицательный. Таким образом, произойдёт поляризация диэлектрика. Поскольку связь между ионами 14 E=0 E а) б) Рис.7. Дипольная поляризация: а) электрическое поле отсутствует, б) электрическое поле присутствует. намного слабее связи между электронами и ядром атома, величина ионной поляризации оказывается больше электронной. Характерные значения диэлектрической проницаемости с ионным механизмом поляризации ε = 515. 1.1.3.3. Дипольная поляризация Дипольная поляризация возникает в полярных диэлектриках, молекулы которых являются диполями. В этом случае при отсутствии внешнего электрического поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотически, поэтому при суммировании общий дипольный момент любого объема вещества равен нулю (рис.7а.). При помещении во внешнее электрическое поле эти диполи стремятся ориентироваться таким образом, чтобы положительный заряд был направлен по полю, а отрицательный – против поля (рис.7б.). В итоге появляется преимущественная ориентация диполей и, соответственно, суммарный дипольный момент. Так происходит поляризация вещества, и такой механизм называется дипольной поляризаций. Величина дипольной поляризации обычно небольшая, характерные значения диэлектрической проницаемости ε = 25. 15 1.1.3.4. Спонтанная поляризация Спонтанная поляризация происходит в материалах, называемых сегнетоэлектриками. Первоначально такой механизм поляризации был обнаружен у сегнетовой соли, из-за чего весь класс материалов получил своё название. Такой материал состоит из участков, называемых доменами, причем в пределах каждого домена происходит самопроизвольная очень сильная поляризация вещества в одном направлении. Каждый домен имеется свое направление спонтанной поляризации. При отсутствии внешнего электрического поля оси поляризации доменов направлены во все стороны. поэтому при векторном суммировании дипольных моментов Рис.8. Спонтанная поляризация: а) электрическое поле отсутствует, б) электрическое поле присутствует. множества доменов общий дипольный момент оказывается равным нулю наложении внешнего (рис.8а.). При электрического поля дипольные моменты доменов начинают поворачиваться вдоль поля, происходит их ориентация (рис.8б.). Вследствие этого дипольные моменты доменов складываются, увеличивая общий дипольный момент материала, т.е. появляется суммарная поляризация вещества. Поскольку домены сами по себе сильно поляризованы суммарный эффект оказывается очень большим. Величина диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков очень велика ε = 100100 000. При наложении и снятии электрического поля поляризация материала изменяется по разному. На график зависимости поляризации от напряженности электрического поля (см. рис.9.) получается петля диэлектрического гистерезиса (очень похожая по форме на петлю гистерезиса Рис.9. Петля диэлектрического гистерезиса. намагничивания ферромагнетиков). По характеру поляризация подразделяется на упругую и релаксационную (тепловую). Например при электронной поляризации, смещение электронных оболочек атомов или молекул происходит практически мгновенно (за время 10–15 с). . В результате при включении и выключении внешнего электрического поля поляризация устанавливается мгновенно и запаздывания между поляризацией и электрическим полем практически нет (см. рис.10а). В этом случае, при включении и выключении электрического поля, потерь 16 электрической энергии в веществе не происходит. Такой тип поляризации называется упругой поляризацией. Некоторые другие процессы в веществе протекают с заметной задержкой (время 10–310–5 с), например, процессы связанные а) с тепловой активацией. Так при дипольной поляризации, между разными положениями громоздких молекул существуют потенциальные барьеры и для того, чтобы их преодолеть требуется энергия. Если энергии внешнего электрического поля недостаточно, то таким дополнительным источником энергии становится тепловая, которой требуется некоторое время для поворота диполей. Тогда б) при включении внешнего электрического поля (или при выключении) поляризация запаздывает и устанавливается через некоторое время, Рис.10. Упругая (а) и релаксационная (б) типы поляризации: которое называется временем релаксации (см. рис.10б) Эта задержка играет важную роль, поскольку в результате этой задержки в диэлектрике в переменном электрическом поле происходит потеря энергии на поляризацию. Такого типа поляризация называется релаксационной или тепловой. 1.1.3.5. Активные диэлектрики Активными диэлектриками называют материалы с особыми электрическими свойствами – с большой величиной диэлектрической проницаемости, сильной зависимостью от внешних воздействий и т.д. К ним относятся рассмотренные сегнетоэлектрики. Другим примером являются электреты. По английски «electret» пишется аналогично «magnet» – магнит В этих материалах поляризованное состояние может сохраняется годами. Электреты служат источниками постоянного электрического поля без затрат энергии, они электрические аналоги постоянных магнитов. Такими свойствами обладают хорошие диэлектрики: пчелиный воск, канифоль, поликарбонат, керамика CaTio3 и т.д. Пироэлектрики – обладают способностью поляризоваться под действием нагрева или охлаждения. На их основе изготавливают высокочувствительные термодатчики, 17 детекторы инфракрасного излучения и др. Примерами таких материалов являются турмалин, керамика BaTiO3 , поливинилфторид. Пьезоэлектрики – диэлектрики, в которых под действием механической нагрузки возникает электрическая поляризация (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.). Такой эффект называют прямым пьезоэффектом. При обратном пьезоэффекте под действием электрического поля происходит механическая деформация кристалла. Взаимосвязь механического и электрического состояний кристалла приводит к колебаниям кристалла с высокой добротностью. Это свойство используют для создания кварцевых резонаторов, генераторов стабильной частоты, фильтров высоких и низких частот, трансформаторов и т. д. Прямой эффект используется в датчиках перемещений, звукоснимателях, микрофонах. Обратный – в излучателях ультразвука, в механических микро приводах. Сейчас количество активных диэлектриков насчитывается более 500 , они находят все более широкое применение в различных технических устройствах. 1.1.4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ Диэлектрические потери это процесс выделения тепловой энергии в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Потери связаны с двумя рассмотренными процессами в диэлектрике: электропроводностью и поляризацией. Так, под действием электрического поля свободные носители заряда разгоняются, приобретают кинетическую энергию и, сталкиваясь с молекулами вещества, передают им эту энергию. Таким образом, энергия электрического поля трансформируется в тепловую энергию. Рассмотрим конденсатор с диэлектриком, который включён в электрическую цепь рис.11. Мощность электрических потерь в нем определяется формулой: W=U I cos α , (1.8) где U – напряжение и I –ток на участке цепи, – сдвиг фаз между ними. В конденсаторе с идеальным диэлектриком сдвиг фаз между напряжением и током в точности равен 90 градусам (угол α), Рис.11. Конденсатор с диэлектриком. вследствие 18 чего мощность потерь в соответствии с формулой (*) равна нулю. В случае реального диэлектрика ток отклоняется от перпендикулярного направления на некоторый угол . Векторная диаграмма тока и напряжения в этом случае приведена на рис. 12. Вектор тока можно разложить на две составляющие: Ia – активную, параллельную вектору напряжения, и Ip – реактивную, перпендикулярную вектору напряжения. Тогда по диаграмме I cos α= Ia=I sin = Iр tg , Или подставляя в (*) получим W=U Iр tg , Рис.12. Векторная диаграмма напряжения и токов (1.9) Т.е. величина мощности потерь в цепи с конденсатором. пропорциональна множителю tg . Поэтому для количественной оценки величины диэлектрических потерь используют понятие тангенс угла диэлектрических потерь, который характеризует свойства материала. Величина напряжения (U), частоты тока () и емкость конденсатора (С) определяют реактивную составляющую тока: Ip=UC, (1.10) В свою очередь, емкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости материала см.(*) С= Со где Со – емкость конденсатора без диэлектрика Откуда W=U Cо tg , (1.11) В приведенной формуле величины напряжения, круговая частота и Со не зависят от свойств среды, а диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь определяются материалом диэлектрика. Их произведение называют коэффициентом диэлектрических потерь k. k = tg, 19 (1.12) от него зависит мощность электрических потерь, подставляя в (1.11) получим W=U Cо k, (1.13) Величины тангенс угла потерь tg и коэффициент диэлектрических потерь k характеризуют свойства материала. Чем они больше – тем больше электрические потери и тем больше нагрев диэлектрика. В соответствии с формулой (*) мощность потерь энергии пропорциональна частоте переменного электрического поля. Поэтому по величине тангенса угла и коэффициента потерь различают низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ) диэлектрики (рис.13.). ВЧ tg < 10–4 K < 10–3 f < 20 кГц НЧ tg > 10–4 K > 10–3 f > 20 кГц Диэлектрики Рис.13. Свойства низкочастотных и высокочастотных диэлектриков. НЧ диэлектрики используются при низких частотах f < 20 кГц, ВЧ диэлектрики – при высоких частотах электрического поля f > 20 кГц. Тангенс угла диэлектрических потерь tg зависит от химического состава материала, его строения, полярности. Величина полярности для некоторых атомных групп возрастает в ряду слева направо: CH < CN < CO < CF < CCl Наименьшие величины тангенса угла потерь tg и коэффициента диэлектрических потерь k. имеют химически чистые неполярные диэлектрики с ковалентной и поляризационной связью. 1.1.4.1. Зависимость тангенса угла потерь от температуры Общие потери диэлектрика складываются из потерь на электропроводность и потерь на поляризацию. При нагревании меняются все свойства диэлектрика, в том числе и электропроводность и поляризация, с которыми связаны потери. Характер зависимостей tg различный для полярных и неполярных диэлектриков. 20 Для неполярных Для полярных диэлектриков потери определяются в электропроводностью. температуры основном С увеличением концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике повышается. Следовательно, потери электропроводность на сквозную возрастают, и возрастает тангенс угла потерь. Вид графика Рис.14. Температурная зависимость тангенса угла температурной зависимости tg приведен на потерь неполярного диэлектрика. рис.14. Для полярных: В полярных диэлектриках, помимо потерь на сквозную электропроводность, добавляются потери на поляризацию. Такие диэлектрики имеют полярные молекулы или группы, которые поворачиваются под действием электрического поля. Внешнее электрическое поле при этом совершает работу А по повороту этих диполей равную A = M где M – момент силы необходимый для поворота, – угол поворота диполей. С ростом температуры подвижность частиц возрастает и величина момента M уменьшается, а угол поворота диполей возрастает (см. рис. 15). В результате совершаемая работа, равная их произведению, сначала возрастает, а затем убывает, образуя колоколообразную зависимость с максимумом, характерную для поляризационных потерь. Вид температурной зависимости общих потерь для полярных диэлектриков показан на рис.16. 21 Рис.15 Зависимость от температуры угла поворота полярных молекул , момента сил M и совершаемой электрического поля A. работы Рис.16. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для полярных диэлектриков 1.1.4.2. Зависимость тангенса угла потерь от частоты Для неполярных При воздействии электрического поля свободные носители зарядов разгоняются, приобретают кинетическую энергию, потом соударяются с встречающимися на их пути преградами и при этом энергия частиц переходит в тепловую. В переменном электрическом поле частицы половину периода движутся в одну сторону, а затем вторую половину периода – в противоположную сторону. С увеличением Рис.17. Зависимость тангенса угла потерь неполярного диэлектрика от частоты электрического поля. частоты поля длительность периода колебаний сокращается, следовательно уменьшается энергия, приобретаемая частицами за время полупериода, что приводит к снижению количества энергии переходящей в тепло. Вид графика частотной зависимости tg неполярного диэлектрика приведен на рис. 17. При росте частоты электрического поля диэлектрические потери снижаются. Для полярных В полярных диэлектриках дипольные частицы имеют характерные частоты резонансов, на которых величина потерь на поляризацию возрастает. Складываясь с потерями проводимости получаются общие потери. На рис. 18. приведен вид температурной 22 зависимости tg полярного диэлектрика, на графике можно увидеть характерные резонансные пики. Наличие максимумов коэффициента диэлектрических частотах увеличивает ограничивает Рис.18. Зависимость тангенса угла потерь полярного потерь на резонансных общие применение потери и полярных диэлектриков в высоко частотных полях. диэлектрика от частоты электрического поля. 1.1.5. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ Пробой диэлектрика – это потеря материалом диэлектрических свойств, то есть при больших напряженностях электрического поля, температурах и других внешних воздействиях диэлектрик может проводить электрический ток – ведет себя не как изолятор, а как проводящая среда. По природе и механизму протекания процесса различают пробой: 1. Электрический (искры, молнии) – который происходит в сильных электрических полях, протекает практически мгновенно за время 10–810–3 с. 2. Электротепловой – связанный с нагревом материала, процесс более длительный, поэтому характерные времена протекания 1с1час. 3. Электрохимический – связанный с изменением химического состава диэлектрика во время длительного нахождения его в электрическом поле. Характерные времена 1 день1 год. 1.1.5.1. Электрический пробой Почему же при больших напряженностях электрического поля диэлектрик начинает проводить электрический ток, что происходит в материале? В исходном состоянии диэлектрик не проводит электрический ток, так как в нем ничтожно мало свободных зарядов, которые могли бы перемещаться в электрическом поле. Раз носителей заряда практически нет, значит, ток в материале близок к нулю. Но при больших напряженностях электрического поля проводимость диэлектрика начинает резко возрастать и достигает значений проводимостей проводников. Откуда же берутся в огромном количестве свободные носители зарядов? 23 Для этого рассмотрим диэлектрик, помещенный в электрическое поле рис.19. Если в нем имеется свободная заряженная частица, то под действием электрического поля она будет двигаться, причем ускоряясь, все быстрее и быстрее. Чем дольше разгоняется частица, тем большей скорости она достигает. Этот разгон длится до момента столкновения частицы с препятствием, например, молекулой или ионом. В этом случае при столкновении заряженная частица отскочит и, соответственно, потеряет скорость направленного движения. Затем процесс разгона заряженной частицы начинается заново. Далее эти процессы будут повторяться: частица разгоняется, препятствием, Рис.19. Диэлектрик в электрическом поле. теряет затем сталкивается свою энергию, с снова разгоняется и т. д. Время, в течении которого частица разгоняется и двигается без столкновений, называется временем релаксации τ, а расстояние, которое она пролетает за это время – длиной свободного пробега λ. Кинетическая энергия Wк, приобретаемая частицей, находится по формуле Wк= gЕ, (1.15) где g – заряд частицы, Е –.напряженность электрического поля. невелика, то этот процесс происходит периодически, и приводит сквозной электропроводности диэлектриков, величина которой очень мала. В случае возрастания длины свободного пробега или при возрастании напряженности энергия Wк, электрического приобретаемая поля, частицей, увеличится (*). Если энергия Wк превысит энергию необходимую для ионизации атома или молекулы, то характер процесса изменится. Теперь при столкновении с молекулой частица будет выбивать из нее Рис.20. Лавинообразный процесс порождения электрон (рис.20.). В итоге получатся две свободных заряженных частиц. 24 свободные заряженные частицы, которые в электрическом поле вновь начнут двигаться. При следующем столкновении каждая из них выбьет еще по электрону, следовательно, свободных частиц станет уже четыре. Далее их станет восемь, шестнадцать и т. д. Количество свободных заряженных частиц будет очень быстро возрастать в геометрической прогрессии. В результате получается среда с очень большим количеством свободных зарядов, то есть проводящий по свойствам материал. Такой механизм появления свободных зарядов называют ударной ионизацией, и он приводит к электрическому пробою. 1.1.5.2. Электротепловой пробой Материал, помещенный в электрическое поле, нагревается из-за диэлектрических потерь, т.е. выделения тепла. Нагретое тело отдает тепло окружающей среде, и чем больше нагревается – тем больше отдается среде. В равновесном состоянии величины выделившейся теплоты потерь и отдаваемой среде должны быть равны. Рассмотрим графики зависимостей мощностей выделяющейся и отводящейся теплоты рис.21. от температуры Мощность диэлектрика теплоотвода – это линейная зависимость. Теплота, которая отдается окружающей пропорциональна Мощность температуре тепловыделения нелинейная теплоотвода диэлекрика. нагрева. – это зависимость экспоненциального Рис.21. Графики мощностей тепловыделения и среде, характера. Данные графики пересекаются в двух точках А и В. Эти точки особые, соответствующие состоянию теплового равновесия. Если в первоначальном состоянии температура диэлектрика была комнатная, то мощность тепловыделения будет приводить к росту температуры диэлектрика. Соответственно мощность теплоотвода также будет возрастать. Когда эти мощности сравняются в точке А, температура больше не будет изменяться. Установится равновесие подводимой и отводимой теплоты. Если температура вдруг окажется выше tA, то мощность теплоотвода будет превышать мощность тепловыделения, значит, температура будет снижаться, вплоть до точки равновесия А. Поэтому точка А соответствует устойчивому тепловому состоянию диэлектрика. 25 Вторая точка равновесия – точка В, однако это точка неустойчива. Выше этой точки мощность тепловыделения больше мощности теплоотвода. Соответственно, температура материала будет расти, и по мере её роста мощность тепловыделения будет все больше возрастать. Следовательно, материал будет нагреваться неограниченно, теоретически – до бесконечности, практически – до разрушения диэлектрика. Такой механизм пробоя называется электротепловым пробоем. 1.1.5.3. Электрохимический пробой В диэлектрике под действием электрического поля происходят различные химические процессы, что с течением времени приводит к изменению химического состава диэлектрика: в нем появляются продукты разложения исходного материала, окисления, диссоциации и др. В результате свойства диэлектрика изменяются: увеличивается проводимость, снижается электрическая прочность. Например, трансформаторное масло, со временем темнеет, в нем появляется осадок, выделяются газовые пузырьки – это признаки старения материала. Его изоляционные свойства ухудшаются и если масло своевременно не заменить, то происходит электрохимический пробой. В зависимости от условий эксплуатации и окружающей среды в одном и том же материале могут происходить Например, разные при окружающей виды росте среды, пробоев. температуры электрический пробой переходит в электротепловой. На рис.22. приведен график электрической прочности электротехРис.22. Электрическая прочность электротехнического фарфора в зависимости от температуры среды. нического среды. фарфора Область от температуры температур А соответствует электрическому пробою, область В – электротепловому. Кривая жизни диэлектрика С течением времени диэлектрические свойства материала ухудшаются. Этот процесс называют старением материала. Он связан с изменением химического состава, вследствие окисления коррозии, светового и механического воздействия, нарушения структуры, 26 разложения и т.д. Стабильность свойств материала зависит химической связи молекулами электрической от прочности между атомами и диэлектрика. свойств Зависимость от времени называется кривой жизни диэлектрика. На рис.23. приведены кривые жизни для полиэтилена (–C2H4–)n и второпласта (– C2F4–)n. Поскольку прочность связи C–F 450 кДж/моль выше , чем связи C–H 290 Рис.23. Кривые жизни диэлектриков: полиэтилена А и фторопласта В. – время, масштаб годы. кДж/моль, то и время жизни второпласта оказывается больше , чем у полиэтилена. Контрольные вопросы 1. Какие материалы называют диэлектрическими? 2. Где их применяют? 3. Перечислите типы химических связей в диэлектриках. 4. Какие процессы происходят в диэлектриках, помещенных в электрическое поле? 5. Что происходит при поляризации? 6. Каковы механизмы поляризации? 7. Отчего зависит электропроводность диэлектрика? 8. Чем характеризуются диэлектрические потери? 9. Какие виды пробоя происходят в диэлектриках? 10. Что происходит при электрическом пробое? 27 1.2. ПОЛУПРОВОДНИКИ У полупроводников энергетическая щель Еg между зонами валентности и проводимости составляет около 1 эВ. При поглощении валентным электроном кванта энергии большего ширины запрещенной зоны, электрон переходит на свободные уровни зоны проводимости и получает возможность перемещаться (рис.24.). Для возбуждения электрона ему нужно сообщить значительную энергию, например с помощью нагрева. Чем выше температура нагрева полупроводника, тем более вероятен перескок электрона из валентной зоны в зону проводимости. Другими способами возбуждения электронов могут быть световое облучение, Рис.24. Энергетические зоны полупроводника. проникающая радиация, наложение сильного электрического поля и т.д. Ширина запрещенной зоны у типичных полупроводников германия E g = 0,66 эВ; кремния E g = 1,12 эВ; арсенида галлия E g = 1,43 эВ. У полупроводника количество свободных носителей заряда больше чем у диэлектриков, но меньше чем у проводников. Проводимостьe, обусловленная подвижными электронами, равна σe=neqμe, (2.1) где ne – концентрация свободных электронов, e – подвижность электронов. Когда электрон выскакивает из ковалентной связи, он становится электроном проводимости. На его месте появляется незанятое место или дырка. На это незанятое место может перескочить электрон из соседней связи, т.е. дырка заполнится в одном месте, но появится в соседнем. Таким образом дырка может перемещаться по кристаллу, и это перемещение дырки эквивалентно движению положительно заряженной частицы. Значит при возбуждении электрона, в кристалле появляются два подвижных носителя заряда противоположных знаков: отрицательный электрон и положительная дырка. Дырочную проводимость p можно вычислить по формуле: σp=npqμp, где np – концентрация дырок, p – подвижность дырок. 28 (2.2) В свою очередь, концентрации электронов и дырок определяются соотношением: Еg ne N e 0 exp kT , (2.3) Еg n p N p 0 exp kT , (2.4) где Ne0 и Np0 – константы, k –постоянная Больцмана, T – абсолютная температура. Общая проводимость равна сумме электронной и дырочной проводимостей σ = σe + σp , (2.5) 1.2.1. 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: арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), карбид кремния (SiC) и др. При абсолютном нуле температуры валентная зона полупроводника укомплектована полностью, а зона проводимости – незаполнена, пустая. 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. Это приводит к появлению электронов проводимости, а в валентной зоне – такого же количества дырок. Таким образом, в собственных полупроводниках концентрация электронов равна концентрации дырок: ne = np, (2.6) Следовательно, дырочная и электронная проводимости определяемые формулами (2.1) и (2.2) будут примерно одинаковы. neqμe npqμp , (2.7) или σe σp , (2.8) Т.е. электронная и дырочная проводимости собственного полупроводника величины одного порядка. 29 При комнатной температуре 300 К (20 ◦С) тепловая энергия равна kТ = 0,025 эВ, что намного меньше ширины запрещенной зоны полупроводника E g 1 эВ. Поэтому в соответствии с (*) концентрация свободных электронов, а значит и проводимость полупроводника, оказывается небольшой по сравнению с металлами. Свойства типичных полупроводников приведены в табл.1. Табл.1. элемент Характеристики полупроводников Ge и Si Еg e , Омм p , , см2/Вс см2/Вс γ, г/см3 М, г/моль tраб.мах., ◦С Ge 0,66 0,8 4000 3000 5,3 73 70-80 Si 1,12 2000 1900 400 2,3 28 120-140 Разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер, поскольку четкой границы между диэлектриками и полупроводниками не существует. Так алмаз, являющийся диэлектриком при комнатной температуре Еg = 5,2 эВ, приобретает заметную проводимость при более высоких температурах 500 оС и может уже считаться полупроводником. 1.2.2. Примесные полупроводники Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат примеси. Примеснные атомы имеют свои собственные энергетические уровни, которые могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах полупроводника. Для применения полупроводника в электронных устройствах примеси вводят специально для придания ему необходимых свойств. Такая технологическая операция называется легированием. Роль примесей могут играть дефекты кристаллической решетки – вакансии, дислокации, границы зерен, поры, трещины. В зависимости от рода примесных атомов различают донорные и акцепторные примеси. Разберем их подробнее. Донорные примеси. Рассмотрим кристалл германия, в котором часть атомов замещена атомами пятивалентного элемента, например, мышьяка (As) (рис.25.). Германий имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним 30 валентными связями. Для установления связи с этими соседями атом мышьяка расходует четыре валентных электрона; пятый электрон оказывается лишним. и может легко отсоединится от сообщении отрывается атома мышьяка. При небольшой энергии он от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решетке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости. С точки зрения зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. Энергетические уровни пятого электрона атомов мышьяка располагаются в запрещенной зоне полупроводника. Эти уровни размещаются непосредственно у дна Рис.25. Донорная примесь в полупроводнике. зоны проводимости на расстоянии Ed ≈ 0,01 эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней небольшой энергии ≈0,01 эВ они переходят в зону проводимости. Образующиеся при этом положительные заряды на атомах мышьяка неподвижны и в электропроводности не участвуют. Чем больше примесных атомов мышьяка, тем больше будет свободных электронов. Таким образом, концентрация свободных электронов в таком кристалле больше концентрации дырок. ne > np , Соответственно, электронная проводимость будет больше дырочной. σe > σp , (2.9) (2.10) Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, называют донорными примесями. А полупроводники, их содержащие, называются донорными или электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа (от английского слова «negative» – «отрицательный»). Акцепторные примеси. Предположим теперь, что в решетке германия часть атомов германия замещена атомами трехвалентного элемента, например, индия (In) (рис.26.). У индия всего 3 валентных электрона и для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заимствовать» у соседнего атома германия. Разорванная связь представляет собой дырку, 31 которая заполняется при присоединении электрона со стороны. В этом случае дырка перемещается к соседнему атому германия, и далее движется по всей кристаллической решетке. Таким образом, введение трехвалентных атомов примеси приведет к увеличению концентрации дырок: np > ne , Соответственно, дырочная проводимость будет больше электронной. σp > σe, (2.12) Энергетические уровни примесных атомов индия располагаются в запрещенной зоне полупроводника вблизи валентной зоны проводимости на расстоянии Ed ≈ 0,01 эВ. При небольшом возбуждении электроны валентной зоны легко переходят на уровни примеси, порождая дырки. Рис.26. Акцепторная примесь в полупроводнике. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называют акцепторными. Полупроводники, содержащие также примеси, называют акцепторными полупроводниками, или дырочными полупроводниками, или полупроводниками p-типа (от английского слова «positive» – «положительный»). Оба вида примесных полупроводников p-типа n-типа находят применение в технике. 1.2.3. Применение полупроводников Полупроводники обладают разнообразными и необычными свойствами, которые определяют их широкое применение. При контакте полупроводников p-типа и n-типа образуются p-n переходы – основа почти всех полупроводниковых приборов. В полупроводнике p-типа проводимость в основном определяется движением дырок, т.е. дырки являются основными носителями тока. Соответственно в полупроводнике n-типа основными носителями будут электроны. Если взять два полупроводника n-типа и p-типа и соединить их, то на границе будут встречатся носители разных типов – элекроны и дырки. При этом они взаимно уничтожаются, или говорят происходит процесс рекомбинации. В результате в пограничном слое свободных носителей заряда практически не остается, значит получается изолирующий материал или диэлектрик, называемый запирающим слоем. Образовавшаяся структура называется p-n переходом. 32 Этот p-n переход обладает интересным свойством, односторонней проводимостью. При подключении внешнего источника напряжения положительным полюсом к nобласти, отрицательным — к p-области (см. рис.27а.) , дырки под действием внешнего электрического поля смещаются влево, а электроны – вправо. изолирующий В слой результате расширяется, препятствуя протеканию тока. Тока в цепи нет. Такое подключение называют обратным включением p-n перехода. Если же положительный полюс источника напряжения подключен к pобласти, а отрицательный – с n-областью (см. рис.27б.), то дырки под действием внешнего электрического поля смещаются Рис.27. Обратное (a) и прямое (б) включение p-n перехода. влево, а электроны – вправо. Ширина изолирующего слоя уменьшается, тем самым способствуя резкому возрастанию электрического тока через p-n переход. Такое подключение называют прямым включением p-n перехода. Прибор, обладающий односторонней проводимостью, называется диодом, он широко применяется в различных электрических схемах. Полупроводниковый диод Рассмотрим полупроводникового диод на основе p-n перехода. Если к диоду приложить напряжение, то в нем будет течь ток, который зависит от величины и полярности напряжения. Эта зависимость тока от напряжения называется вольт– амперной характеристикой (ВАХ) (рис.28). Ток I, протекающий в цепи диода, определятся формулой Рис.28. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. qU I I 0 (e kT 1) , (2.13) где U – приложенное напряжение, q 33 – заряд носителей, Т – абсолютная температура. При положительном напряжении ток резко экспоненциально возрастает. При qU отрицательном – слагаемое e kT будет стремиться к нулю, поэтому график будет стремиться к значению тока, равному – Io. Это так называемый обратный ток p-n-перехода. Стабилитрон Стабилитрон устроен практически так же, как и диод. То есть имеется p-n-переход, но напряжение в нем включается в обратной полярности. В этом случае переход запирается, то есть образуется изолирующий слой, вследствие чего обратный ток будет малым. Как и для любого другого приложенного изолятора, к величина изолирующему слою напряжения будет иметь некий предел, при превышении которого начнется электрический пробой. При возрастает, этом обратный что ток резко соответствует почти вертикальному участку обратной ветви ВАХ стабилитрона (рис.29.). Если протекающий ток не очень большой и не приводит к значительному нагреву, то этот процесс пробоя оказывается обратимым кристаллической решетки и разрушения не происходит. Такой режим работы оказывается вполне Рис.29. Включение и вольт-амперная характеристика стабилитрона. устойчивым. На этом участке ВАХ, при изменении напряжение практически постоянно. Поэтому тока такие в приборы больших пределах, используются для стабилизации напряжения и называют стабилитронами. Варикап Приложим к p-n переходу обратное напряжение. В результате образуется изолирующий слой. некоторой толщины этого слоя будет равна d. Причем толщина его зависит от приложенного напряжения: чем больше величина напряжения, тем больше толщина изолирующего слоя в соответствии с соотношением d~ U . 34 (2.14) Рассмотрим схему такой структуры (рис.30а.). Здесь между двумя проводящими ток материалами находится изолятор. Данная система представляет собой конденсатор, емкость которого определяется по формуле εε 0 S , d C (2.15) где S – площадь обкладок конденсатора, d- расстояние между обкладками, – диэлектрическая проницаемость среды. Поскольку d является функцией от напряжения (*), следовательно, и емкость С будет зависеть от приложенного напряжения: С ~ Такой которого 1 , U прибор, можно напряжения, (2.16) величиной управлять называется с емкости помощью варикап (от английского «vary capacity» – «переменная ёмкость»). На зависимости варикапе. Рис.30. Схема варикапа и его емкостная характеристика. рис.30б. емкости Его приведен от напряжения используют автоматической график в на системах подстройки частоты радиоприемников, телевизоров, регулируемых фильтров и др. Светодиод Светодиод - устройство, основанное на p-n переходе, включенном в прямом направлении (рис.31.). В этом случае под действием электрического поля внешнего источника потоки электронов и дырок движутся навстречу друг другу. В зоне p-n перехода они встречаются и происходит рекомбинация электронов и дырок, т.е. взаимное уничтожение. Но исчезают они не бесследно, а выплескивая свою энергию виде Рис.31. Схема работы светодиода. квантов света – фотонов. Таким образом 35 светодиод излучает свет. У светодиодов КПД преобразования электрической энергии в световую очень высок, и составляет 20-70%. Если сравнивать с лампой накаливания, то у нее лишь 4% энергии переходит в световую. Остальная часть энергии идет на нагревание нити лампы до 2500 ˚С. Светодиоды используют в качестве экономичных источников света, индикаторов, цветных сигнализаторов. Современные информационные табло, мониторы, экраны состоят из большого количества светодиодов формирующих изображение. Для изготовления светодиодов используются специальные полупроводники GaAs, InAs, GaP, SiC. Фотодиод Фотодиод представляет собой p-n-переход включенный в обратном направлении (рис.34.). В этом случае при отсутствии светового потока фотодиод ток не пропускает. Если на изолирующий слой направить свет, то в этом p-n переходе при поглощении фотонов будут рождаться пары электрондырка. Этот процесс обратный тому, что происходит в светодиодах. Образовавшиеся электроны Рис.32. Схема работы фотодиода. и электрического дырки под действием поля разбегаются в противоположные стороны из изолирующего слоя, образуется электрический ток. Фотодиоды являются светочувствительными приборами, так же как и фоторезисторы. Однако они выгодно отличаются большей чувствительностью, очень малыми размерами и весом. Фотодиоды являются быстродействующими приборами, что позволяет их использовать в качестве приемников и детекторов модулированного светового сигнала. С помощью большого количества фотодиодов создаются фотодиодные матрицы, которые могут считывать изображения, преобразуя его в электрический сигнал. На такой технологии основана работа видеокамер. Терморезистор Терморезистор - это полупроводниковый материал, к которому присоединено два контакта (рис.32.). В полупроводниках концентрация свободных электронов определяется экспоненциальной формулой (2.3): 36 n = n0exp(–Eg/kT) Чем выше температура, тем больше концентрация свободных носителей , а значит тем выше проводимость материала (2.1): σ= nqμ Рис.33. Схема терморезистора. Поэтому чувствительны Терморезисторы используют как эти к высокочувствительные приборы изменению датчики для очень температуры. измерителей температуры и систем терморегулирования. Фоторезистор Кроме температуры изменять концентрацию носителей заряда может так же свет (рис.33.). При облучении светом энергия фотонов передается электронам и они могут переходить в зону проводимости. Чем больше световой поток, тем больше образуется свободных электронов, проводимость тем выше полупроводника. Т.е. фоторезистор является светочувствительным прибором. Эти устройствах Рис.34. Схема фоторезистора. приборы применяются автоматического в включения фонарей, которые работают в зависимости от освещенности улицы, в турникетах метро, системах охраны, слежения за перемещением и т.д. Контрольные вопросы 1. Какие материалы называют полупроводниками? 2. Каково строение энергетических зон полупроводников? 3. Для чего легируют полупроводники? 4. Где их применяют? 5. Приведите примеры электронных устройств на основе полупроводников. 37 II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 2.1. Диаграмма растяжения Мы изучили разные материалы с точки зрения их электрических свойств – полупроводники, диэлектрики, проводники. Для применения не менее важными являются их механические свойства. К механическим свойствам относятся твердость, прочность. пластичность, упругость и др. Познакомимся с ними подробнее. Рассмотрим образец, имеющий первоначальную длину l0 (рис.35.). Приложим к нему некоторую растягивающую силу F. Под действием силы материал удлинился до длины l . Разность длин ∆l = l – l0 , называют абсолютным (3.1) удлинением образца, а отношение ∆l/l0 = δl = ε , (3.2) относительным удлинением δl или Рис.35. Растяжение образца. деформацией образца ε. Если обозначить сечение образца за S, то механическое напряжение σ будет определяться отношением σ = F/S , (3.3) При малых растяжениях между деформацией ε и напряжением σ существует линейная зависимость: ε = k σ, (3.4) где k – коэффициент податливости, или σ = E ε, (3.5) где Е – модуль упругости или модуль Юнга. Такая линейная зависимость называется законом Гука. Но он выполняется не всегда, а в определенных пределах деформации и напряжения. При больших деформациях зависимость имеет сложный вид. Если построить график зависимости растягивающей силы от удлинения образца, то получится диаграмма растяжения. На рис.36. приведен характерный вид такой диаграммы. На графике можно выделить несколько характерных участков или зон. 38 Участок ОА – зона упругости. Здесь зависимость линейна в соответствии с законом Гука. График круто возрастает. Участок АВ – зона текучести , где происходит удлинение образца почти без возрастания приложенной силы. График почти горизонтален. Участок ВС – зона упрочнения, здесь удлинение образца сопровождается значительным возрастанием растягивающей силы. Участок CD – зона разупрочнения, Рис.36. Диаграмма растяжения образца. необходимая для дальнейшего растяжения сила уменьшается. Здесь при растяжении образца в каком-то месте образуются сужения или шейка, которая становится все тоньше. Это происходит до тех пор , пока образец не оборвется. Точка D соответствует разрушению образца. Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгрузить, то на диаграмме это изобразится линией KL . Её наклон соответствует наклону упругого участка ОА . Величина OL на диаграмме называется остаточным удлинением, а соответствующая ей деформация – остаточной или пластической деформацией. При повторном нагружении растягивающая сила увеличивается по линии LK и далее по кривой KCD, как будто промежуточной разгрузки не было. Диаграмма растяжения зависит от размеров образца. Чтобы получить количественную оценку свойств материала, перестроим диаграмму растяжения в координатах напряжение σ – деформация ε. Эта диаграмма имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства материала. Характерные точки на диаграмме количественно определяют свойства материала: Наибольшее напряжение (точка А ), до которого материал следует линейному закону Гука, называют пределом про- порциональности σп. Пределом упругости σу называют наибольшее напряжение(точка У), до которого материал не получает остаточной Рис.37. Диаграмма напряжение-деформация. деформации. На данном участке, если силу растяжения убрать, то образец вернется в 39 первоначальную форму. Если же приложить большую силу, то появится остаточное удлинение образца. - следующий участок текучести (точка В ) определяет предел текучести σт - максимально достигаемое значение напряжения (точка С ) характеризует предел прочности или временной предел σв. - крайняя точка на диаграмме D соответствует максимальной деформации, при которой материал разрушается. Эта величина называется пластичностью . Эти параметры характеризуют только материал и не зависят от его формы и размеров образца. Предел текучести наблюдается не у всех материалов. Поэтому существует условный предел текучести σ0,2. Это величина напряжения, при котором величина остаточной деформации образца равна 0,2%. По виду различают диаграммы хрупкие Рассмотренная и выше напряжение-деформация пластичные диаграмма материалы. характерна для пластичных металлов и сплавов. Для хрупких материалов диаграмма выглядит иначе (рис.38.). У пластической Рис.38. Диаграмма растяжения хрупкого образца. таких материалов деформации. При отсутствует участок достижении предела упругости материал сразу разрушается, без заметной пластической деформации. Хрупкими являются, например, стекло, керамика, бетон, высокоуглеродистые стали. В металлах может наблюдаться и пластичное, и хрупкое поведение. Например, упругая пластичная сталь при очень низких температуры становится хрупкой. Можно снять диаграмму при сжатия образца. Для пластичных материалов начальные участки диаграммы сжатия выглядят почти так же как при растяжении, но отсутствует участок разупрочнения и разрушение (рис.39). С началом пластической деформации сечение образца увеличивается, материал упрочняется и сила сжатия растет до максимальных возможностей Рис.39. Диаграмма сжатия образца. испытательной машины, без разрушения образца. У хрупких материалов при сжатии наблюдается 40 разрушение, с образованием трещин по наклонным и продольным плоскостям. Но предел прочности на сжатие, как правило, намного больше , чем при растяжении. 2.2. Твердость Твердость – способность материала сопротивляться воздействию на его поверхность. Рассмотрим метод Бринелля определения твердости материалов или проба по Бринеллю (рис.40.). В этом методе в поверхность образца с определенной силой F вдавливают стальной шарик диаметром 10 мм. В результате воздействия на поверхности остается отпечаток, площадь S которого измеряется. Отношение силы вдавливания к площади отпечатка дает величину твердости по Бринеллю: HB Рис.40. Проба твердости по Бринеллю. F [Па]. S (3.6) При измерениях разных по твердости материалов ГОСТом установлены следующие силы вдавливания F: сталь, чугун 3000 кгс, сплавы меди и алюминия 1000 кгс, мягкие сплавы 250 кгс. Твердость по Бринелю связана с пределом прочности( в ) эмпирическим соотношением: для стали и чугуна в ~ 0,4НВ, сплавов меди и алюминия в ~ 0,25 НВ. То есть измеряя твердость можно определить предел прочности материала. Вследствие простоты и оперативности определения механических свойств материалов метод Бринелля получил широкое распространение в промышленности и лабораториях. Кроме описанного выше метода, получили распространение также пробы на твердость по Роквеллу и Викерсу. Испытания проводятся по аналогичной методике, но вместо стального шарика для вдавливания используются наконечник в виде стального конуса или алмазная треугольная пирамидка, соответственно. Поскольку алмаз является самым твердым материалом, по методу Викерса могут быть испытаны любые по твердости материалы. Поскольку значения твердости у разных методик различаются, для сравнения результатов измерения существуют специальные таблицы перевода твердости из одной шкалы в другую. 41 2.3. Теоретическая и реальная прочности кристалла Рассмотрим металлический кристалл, состоящий из положительных ионов и отрицательного газа электронов (рис.41а.). Можно приближенно рассчитать усилие F, которое необходимо приложить к образцу, чтобы его разорвать. Для простоты будем считать, что в кристаллической узлах кубической решетки находятся положительно заряженные ионы, а посередине между двумя электроны. ионами сосредоточены Соответственно каждый положительный ион будет притягиваться к отрицательному электрону. Данную силу притяжения можно вычислить, зная расстояние на котором находятся эти заряды. Оно равно периоду кристаллической решетки a . Тогда притяжение двух зарядов будет определяться силой Кулона: e2 f ., 40 a 2 1 Таких (3.7) пар ион-электрон будет множество. Общая сила притяжения сложится из суммы всех взаимодействующих пар N: Рис.41. Расчет силы взаимодействия в металлическом кристалле. N F f i Nf i 1 , (3.8) Число пар N найдем (рис.41б.) поделив сечение образца S на площадь, приходящуюся на один ион (для кубической решетки a2): N S a2 , (3.9) тогда сила взаимодействия равна Se 2 40 a 4 . (3.10) F 1 e2 , S 40 a 4 (3.11) F 1 Значит, напряжение определится через 42 По полученной формуле рассчитаем прочность кристалла железа, подставив параметр кристаллической решетки, известный из эксперимента: 0 a 2,86 А(для железа ), e 1,6 *10 19 Кл, 0 8,85 *10 12 Ф м Теоретический расчет дает величину предела прочности теор ~3,4 1010 Па. Однако реально наблюдаемая в экспериментах прочность железе эксп ~2 10 8 Па. Результаты различаются в сотни раз! Аналогичная ситуация наблюдается и для других материалов, и другого вида деформации (сдвига) см. табл.2. Табл.2. Экспериментальные и рассчитанные модули сдвига металлов. эксп , МПа теор , МПа Медь 1 7400 Серебро 6 4600 Железо 29 11000 Причиной такого разительного отличия являются дефекты кристаллической решетки. Реальные кристаллы имеет неидеальную структуру, содержат дефекты строения. Наибольшее влияние на прочность оказывают линейные дефекты – дислокации. При наличии дислокаций прочность кристаллов должна уменьшатся в сотни раз, и тогда теоретические расчеты согласуются с экспериментальными данными. Первоначально дислокации были предложены теоретически, и только спустя полвека они были обнаружены экспериментально с помощью электронных микроскопов высокого разрешения. Появившаяся современные технологии позволяет выращивать совершенные практически бездефектные кристаллы. Они длинные, но тонкие по сечению, их называют нитевидные кристаллы или «усы». Прочность этих кристаллов оказалась близка к теоретическому пределу (табл.3.), что подтвердило правильность дислокационной теории. Табл.3. Прочность кристаллов. в Обычный кристалл, ГПа Нитевидный кристалл, ГПа Оксид Al 0,31 28 Оксид Be 0,14 13 Fe 0,24 13 43 Контрольные вопросы 1. Как характеризуют механические свойства материалов? 2. Какие участки выделяют на диаграмме растяжения? 3. В чём отличия диаграмм хрупких и пластичных материалов? 4. Что такое твёрдость материала? 5. Как определяют твердость? 6. Как она связана с прочностью? 7. Почему прочность реальных кристаллов в сотни раз меньше прочности, рассчитанной для идеальных кристаллов? 8. Каково влияние дислокаций на прочность кристаллов? 44 III. ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 3.1. Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла При деформации металла большая часть затрачиваемой работы (~95%) идет на нагрев материала, оставшаяся часть (~5%) идет на образование структурных дефектов ( вакансий , дислокаций, внутренних напряжений и т.д.). Такое состояние металла с накопленными дефектами или наклепанного металла термодинамически неустойчиво. Поэтому при нагреве в нем протекают процессы, приводящие к возвращению всех свойств металла к первоначальному состоянию до деформации. Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на два основных: возврат и рекристаллизацию; оба сопровождаются уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах (ниже 0,3 Тпл.), рекристаллизация - при более высоких (выше 0,4 Тпл). 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, происходит перемещение дислокаций. При низких температурах (~0,2 Тпл) происходит сток вакансий к границам зерен, перемещение и перегруппировка дислокаций, поглощение вакансий и межузельных атомов дислокациями. Происходит также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимным уничтожением дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается уменьшением остаточных напряжений. Отдых снижает количество точечных и линейных дефектов структуры, уменьшает удельное электрическое сопротивление, и повышает плотность металла. Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Процесс протекает при нагреве до 45 температуры (0,25-0,3) Тпл . Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций (см. рис.42.). Полигонизация в металлах технической чистоты и в сплавах твердых растворах наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Этот процесс редко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах. Полигонизация холоднодеформиро- ванного металла приводит к уменьшению тверРис.42. Структура металла наклепанного (а) и после полигонизации (б). дости и 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. 3.2.1. Рекристаллизация При нагреве деформированного металла до более высоких температур (>0,4 Тпл) начинается рекристаллизация (рис.43.). Образуются совершенно новые зерна, с неискаженной решеткой, отделенные от старых зерен большеугловыми границами. Размеры новых зерен могут сильно отличаться от исходных. Образование новых зерен приводит к резкому снижению плотности дислокаций и высвобождению энергии, накопленной при пластической деформации металла. Плотность дислокаций в наклепанном металле достигает 1010 – 1012 м–2 , в рекристаллизованных зернах 106 – 108 м–2 Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, которое называется критической степенью деформации. Для алюминия она ~2%, для железа и меди ~5%. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен называется температурным порогом рекристаллизации. Для алюминия, меди и же- 46 леза технической чистоты температурный порог рекристаллизации (0,4 Тпл) равен соответственно 100, 270 и 450 °С. Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен (рис.43б.). Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации. Они Рис.43. Изменения микроструктуры деформированного металла при нагреве: а – наклепанный металл; б – начало первичной рекристаллизации; в – завершение первичной рекристаллизации; г, д – стадии собирательной рекристаллизации представляют собой зародившиеся микроскопические области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов, которые 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, растут. Происходит переход атомов от деформированного окружения к новому зерну, при этом большеугловые границы новых зерен перемещаются вглубь наклепанного металла. Рассмотренная стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией. Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (рис.43в.). Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла. По завершении первичной рекристаллизации при увеличении выдержки или температуры происходит рост одних образовавшихся зерен за счет других. Рост зерен происходит вследствие того, что одни зерна постепенно увеличиваются в размерах, поглощая соседние зерна. Эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией (рис.43г,д.). Процесс развивается самопроизвольно в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла, из-за уменьшения зернограничной поверхностной энергии. 47 С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна. На рис.44. приведены графики изменения твердости и пластичности наклепанного металла в зависимости от температуры нагрева. В некоторых случаях какие-то зерна имеют предпочтительные условия для роста: благоприятная для роста кристаллографическая ориентация, меньшая концентрация дефектов и т.д. Тогда эти зерна, растущие с большой скоростью, можно рассматривать как аналог центров кристаллизации. Процесс их роста называют вторичной рекристаллизацией. образуется В небольшое результате число очень крупных зерен и множество мелких. Такая Рис.44. Графики изменения твердости (а) и пластичности (6) наклепанного металла при нагреве: I – возврат; II – первичная рекристаллизация; III - рост зерен. разнозернистость механические свойства снижает металлов и является нежелательной. 3.2. Холодная и горячая деформации В условиях производства из металла изготавливают различные изделия с использованием различных технологических операций: прессования, прокатка, волочение и др. Если величина деформации при обработке больше величины пластичности, то материал трескается, ломается. Для получения больших значений деформаций материал часто обрабатывают поэтапно, проводя промежуточные отжиги. При нагреве происходит рекристаллизация, после чего пластичность материала восстанавливается, твердость уменьшается. Таким образом можно получать большие деформации металла. Эти два процесса деформацию и нагрев можно проводить одновременно – такой способ обработки называют горячей деформацией. При такой обработке одновременно с 48 деформацией протекает процесс рекристаллизации. Для этого температура процесса должна превышать порог рекристаллизации T > 0.4Tпл . Обычно обработку проводят при температурах 0,7 – 0,8Тпл . В этих условиях наклеп не идет, и деформацию можно проводить до любых степеней. Если температура ниже порога рекристаллизации T < 0.4Tпл – такой способ обработки называют холодной деформацией. В этом случае при деформации прочность материала увеличивается за счет наклепа, но из-за него величина холодной деформации ограничена. Свойства металлов сильно различаются, поэтому сложившиеся названия процессов достаточно условны. Например, для олова температура плавления равна Тпл = 505 К, а температурный порог рекристаллизации Трекр = 0,4Тпл ≈ 202 К ≈ –70 ˚С поэтому обработка олова при комнатной температуре будет горячей деформацией. Соответственно для вольфрама Тпл = 3650 К Трекр = 0,4Тпл ≈ 1460 К ≈ 1200 ˚С Значит обработка вольфрама с нагревом в печи до 1000˚С деформацией. 49 будет холодной 3.3. Термическая обработка металлов При нагреве изменяются структура и свойства материалов. В производстве широко используют такое воздействие температуры для улучшения металлических сплавов железа, меди, алюминия, неметаллических материалов стекла, керамики и др. Рассмотрим его на примере сплавов железа – сталей. Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Термическая отработка состоит из трех этапов: 1. нагрев; 2. изотермическая выдержка; 3. охлаждение. На первом этапе металл нагревают в печах до заданной температуры. На втором этапе выдерживают при высокой температуре, при этом в материале происходят диффузионные процессы, требующие длительного времени. Заключительный этап – охлаждение. В зависимости от целей и условий различают три основных вида обработки: 1. Отжиг 2. Закалка 3. Отпуск или старение Отжиг – это термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру близкую к равновесной. При отжиге материал нагревается в печах до заданной температуры и выдерживается достаточно длительное время. Затем следует медленное охлаждение со скоростью 30–200˚С/час. В результате отжига в металлах снимаются внутренние остаточные напряжения, происходит рекристаллизация, выравнивается химический состав. В зависимости от целей отжига различают его разновидности: а) для снятия напряжений, б) рекристаллизационный в) диффузионный. Для сталей характерные температуры отжига 600–1300˚С, время выдержки 10–50 часов . Вследствие протекающих при высокой температуре процессов изменяются свойства сплавов: повышается пластичность, снижается хрупкость, улучшается структура металла, его обрабатываемость. Закалка – термическая обработка, заключающаяся в нагреве материала и последующего быстрого охлаждения, в результате чего фиксируется высокотемпературное состояние материала. При больших скоростях охлаждения высокотемпературная структура 50 не успевает перестроиться и сохраняется при низкой температуре, т.е. образуется неравновесная структура. Закалке подвергают сплавы имеющие переменную растворимость компонентов, полиморфные превращения или испытывающие распад твердого раствора. После закалки в сплавах увеличивается прочность, электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, коррозионная стойкость. Нежелательными последствиями являются снижение пластичности, повышение хрупкости. Большое значение при закалке имеет скорость охлаждения. Для сталей необходимые скорости 400-1400 ˚С в секунду. Для увеличения скорости охлаждения используют охлаждающую среду. В табл.4. приведены сравнительные эффективности охлаждающих сред относительно воды, которая принята за единицу. Табл.4. Коэффициенты охлаждения сред. Охлаждающая среда Вода 10% водный раствор: NaCl, NaOH Масло минеральное Температура Коэффициент охлаждающей среды, оС охлаждения 20 - 80 1 20 3 20-200 0,3 Отпуск или старение — термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, в некоторой приближающие их структуру к равновесной. Такую термическую обработку проводят аналогично отжигу, но при меньших температурах нагрева. Для сталей 300–600˚С. После закалки материал становится твердым прочным, но при этом непластичным хрупким. Для улучшения пластичности, снижения хрупкости применяют смягчающую термическую обработку называемую отпуск (для сталей бронз) или старение (для алюминиевых сплавов). При этом немного снижается прочность, но получается оптимальное сочетание свойств прочности, пластичности, упругости, стойкости к ударным нагрузкам. 51 3.4. Химико-термическая обработка металлов Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс насыщения поверхностного слоя металла различными элементами путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Такой процесс называют также поверхностным легированием. При внедрении легирующих элементов в поверхностный слой металла его свойства изменяет. Таким способом можно улучшить различные свойства металлов. Целью химикотермической обработки являются повышение твердости, износостойкости, увеличение усталостной выносливости, придание коррозионной стойкости против воздействия агрессивных сред. Внедряемые элементы могут быть как металлами, так и неметаллами. Например: неметаллические – углерод С, азот N, кремний Si, бор B и др. металлические – хром Cr ,алюминий Al, цинк Zn и др. Рассмотрим процесс диффузионного насыщения легирующим поверхности элементом металла (рис.45.). На поверхности металла создается избыточная концентрация элемента, который необходимо внедрить в металл, причем элемент должен находится в активном атомарном состоянии. Затем происходит адсорбция или связывание Рис.45. Поверхностное легирование. атомов поверхностью металла. После чего эти атомы элемента внедряются вглубь металла. Таким образом, весь процесс ХТО состоит их трех этапов: 1. Создание среды активных атомов 2. Адсорбция атомов поверхностью металла 3. Диффузия атомов вглубь металла Активная среда может быть в различных агрегатных состояниях: Твердом Жидком Газообразном Для того чтобы атомы активно перемещались вглубь металла, его нагревают, ускоряя процесс диффузии. 52 В результате обработки образуется диффузионный слой, т.е. слой материала у поверхности детали, отличающийся по химическому составу, структуре и свойствам от исходного. На рис.46. показан график изменения концентрации насыщающего элемента от глубины от поверхности металла. Толщина образующегося диффузионного слоя зависит от условий протекания процесса насыщения. Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла, тем больше толщина слоя. Рост толщины диффузионного слоя от Рис.46. Зависимость концентрации длительности процесса при неизменных легирующего элемента C от глубины x прочих условиях подчиняется квадратичной от поверхности металла. закономерности (рис.47а.): A , (3.12) где τ – длительность процесса ХТО А – константа А зависимость от температуры, при постоянной длительности процесса и прочих условий, определяется экспоненциальной функцией (рис.47б.): Q B exp , kT (3.13) где Q – энергия активации диффузии T – абсолютная температура k – постоянная Больцмана B Рис.47. Зависимость толщины диффузионного слоя от длительности процесса (а) и от температуры T (б). – константа характеризующая протекающий процесс По названию внедряемого элемента процесс ХТО имеет разные названия: при внедрении Бора – борирование, Хрома – хромирование, Углерода – цементация, и т.д. 53 Рассмотрим основные процессы подробнее. 3.3.1. Цементация Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом С. При этом у металла увеличивается твердость поверхности, но в тоже время сохраняется вязкость внутренних слоев металла. Такое благоприятное сочетание свойств увеличивается подвергающихся срок службы трению и деталей, ударным нагрузкам. Цементация проходит при условиях температура t = 900–950 ˚C длительность τ = 6–12 ч толщина образующегося диффузионного слоя ∆ = 0,8–1,7мм Различают два способа цементации: Рис.48. Цементация в твердой среде. в твердой и газовой среде. 1. В первом используется среда древесный уголь, это почти чистый углерод. Подготовленные для цементации детали укладывают в металлический ящик и засыпают углём (рис.48.). Далее ящик закрывают и нагревают до необходимой температуры . В результате нагрева происходят реакции : 2C + O2 → CO 2CO ↔ CO2 + C Выделившийся атомарный углерод диффундирует в глубь металла. В итоге один активный атом углерода образует защитный слой. 2. Второй способ – газовая цементация. Активная среда – метан. При нагреве происходит диссоциация молекул, с выделением атомарного углерода: CH4 → 2H2 + C Газовая цементация позволяем механизировать и автоматизировать процесс, поэтому используется при массовом производстве. В результате цементации механические свойства деталей значительно возрастают: твердость поверхности возрастает в 1,5-2 раза износостойкость на 30-50% 54 3.3.2. Азотирование Азотированием называется процесс насыщения поверхности металла азотом N. Для создания активной среды используют газ аммиак (NH3), который под действием высокой температуры диссоциирует, выделяя атомарный азот: 2NH3 → 2N + 3H2 Условия протекания процесса : t = 500 – 650 ˚C τ = 24 – 60 ч ∆ = 0,3 – 0,6 мм Азот диффундирует в поверхностные слои металла образуя нитриды, которые придают азотированному слою высокую прочность. Кроме повышения твердости, износостойкости, улучшается коррозионная устойчивость. 3.3.3. Нитроцементация Нитроцементация – процесс одновременного насыщения поверхности металла азотом N и углеродом С. Средой является газовая смесь метана и амммиака. Условия протекания процесса: t = 840 – 860 ˚C τ = 4 – 10 ч ∆ = 0,2 – 0,8 мм Преимуществом данного процесса является то, что одновременная диффузия азота и углерода происходит гораздо быстрее, чем азотирование и цементация в отдельности. Поэтому из-за большей производительности и соответственно меньших затрат энергии, нитроцементация широко используется на автомобильных и тракторных заводах. Например, на ВАЗе такой химико-термической обработке подвергают 95% деталей. 3.3.4. Цианирование Обработка металла в жидкой среде расплавленных цианистых солей натрия NaCN. Условия протекания процесса: t = 820 - 920 ˚C τ = 0,5– 1 ч ∆ = 0,15 -0,35 мм Преимущество цианирования – меньшая продолжительность процесса для получения слоя заданной толщины; более высокое сопротивление износу и повышенная усталостная прочность. 55 Недостатком цианирования является сильная ядовитость цианистых солей. Поэтому цианирование проводят в специально выделенных помещениях с соблюдением строгих мер предосторожности. 3.3.5. Борирование Борирование – процесс насыщения поверхности металла бором В. Образующиеся соединения с металлом – бориды, очень твердые вещества. Борирование увеличивает твердость и износостойкость от 2 до 10 раз. Такая обработка подвергают трущиеся детали , штамповый инструмент подвергающийся большим нагрузкам. 3.3.6. Силицирование Это процесс насыщения металла кремнием Si. Образующиеся силициды железа имеют пористую структуру и невысокую твердость. Однако слой толщиной 0,3–1 мм на поверхности детали после пропитки маслом резко снижает трение и повышает износостойкость. Кроме того повышается коррозионная стойкость к воздействию морской воды и окислению. 3.3.7. Диффузионная металлизация Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхности деталей различными металлами. Диффузия металлов идет значительно медленнее, чем азота или углерода, поэтому образующиеся слои в десятки раз тоньше. В зависимости от рода металла процессы называют алитирование Al, хромирование Cr, цинкование Zn и т.д. В результате металлизации повышается коррозионная стойкость, твердость, износостойкость. Такой обработке подвергают детали паросилового оборудования, патрубки, вентили, клапаны, работающие в агрессивных средах. Применяют обработку и для декоративных целей, улучшения внешнего вида изделий. 3.5. Поверхностная пластическая деформация Еще одним видом обработки поверхности для улучшения поверхностная свойств деталей пластическая является деформация. Рассмотрим несколько способов поверхностной Рис.49. Дробеструйный наклеп. пластической деформации: 56 Дробеструйный наклеп. Мощный вентилятор создает поток воздуха, который разгоняет маленькие стальные шарики или дробинки до больших скоростей (рис.49.). При попадании на обрабатываемую деталь каждая частица ударяется о поверхность металла и образует небольшую вмятину, то есть деформированную область. Таким образом, из-за наклепа происходит упрочнение металла. После многочисленных соударений дробинок образуется сплошной наклепанный слой, который увеличивает прочность поверхностных слоев металла. Центробежный шариковый наклеп. В этом случае поверхность металла обрабатывается шариками, которые прикреплены к вращающемуся инструменту (барабану, диску) и могут выдвигаться из него (рис.50.). Барабан раскручивается подносят к материала. до больших поверхности Каждый скоростей и обрабатываемого шарик ударяется о поверхность детали и отскакивает, оставляя вмятинку. Инструмент перемещают вдоль всей Рис.50. Центробежный шариковый наклеп. поверхности обрабатываемой детали. Образуется деформированный, наклепанный поверхностный слой. Накат (выглаживание) Принцип обработки заключается в следующем. Стальной шарик или алмазный инструмент с силой вдавливается в поверхность детали вызывая её деформацию (рис.51.). Деталь вращается и инструмент перемещается по поверхности обрабатываемой детали. В результате получается «продавленный слой», обладающий повышенной твердостью. После поверхностной пластической деформации получается гладкая блестящая поверхность, устраняются концентрации напряжений на деталях. Обработке подвергают Рис.51. Накат или выглаживание. коленчатые валы, гильзы цилиндров, рычаги и др. В результате увеличиваются твердость, износостойкость (в 1,5–2 раза), долговечность (на 30-50%), коррозионная стойкость деталей. 57 Контрольные вопросы 1. Какие процессы протекают в деформированном металле при нагреве? 2. Что такое рекристаллизация 3. Как изменяются механические свойства металлов после рекристаллизации? 4. При каких условиях происходит горячая деформация? 5. Какие основные виды термической обработки металлов? 6. Цель отжига металлов? 7. Методы закалки металлов? 8. Этапы химико-термической обработки? 9. Цели химико-термической обработки? 10. Закономерность изменения толщины диффузионного слоя от длительности процесса? 58 IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 4.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, строительных сооружений, опор , перекрытий, мостов, которые подвергающиеся механическим нагрузкам. Эти детали и конструкции характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых эксплуатационные, технологические и экономические. Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того, чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность. Конструкционной прочностью называется комплекс свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу машин и аппаратов в условиях эксплуатации. Прежде всего речь идет о механических свойствах: прочность, пластичность, упругость и др. Однако требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры. Среда - жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, в которой работает материал, оказывает существенное влияние на его механические свойства и работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вызывать повреждение поверхности вследствие коррозии, окисления и образования окалины, изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами. Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в результате ионизационного и радиационного облучения. Для того чтобы противостоять неблагоприятному воздействию рабочей среде, материал должен обладать не только механическими свойствами, но и стойкостью к электрохимической коррозии, жаростойкостью, радиационной стойкостью, влагостойкостью, способностью работать в условиях вакуума и др. В некоторых случаях важными оказываются требования определенных магнитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности размеров деталей (особенно высокоточных деталей приборов). 59 Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризуют возможные методы его обработки. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, пайке, а также к термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей. Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможности должны содержать минимальное количество легирующих элементов. Использование материалов, содержащих дорогостоящие легирующие элементы, должно быть обосновано повышением свойств деталей. Экономические требования, так же как и технологические, приобретают особое значение при массовом масштабе производства. Таким образом, конструкционный материал должен удовлетворять комплексу требований. 4.1.1.Критерии оценки конструкционной прочности материалов Конструкционная прочность - комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности. Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы. Критериями механической прочности при статистических нагрузках являются временное сопротивление или предел текучести, характеризующие сопротивление материала пластической деформации. Для приближенной оценки статической прочности используют твердость по Бринеллю НВ. Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. Именно критерии жесткости, а не прочности обусловливают размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы. Возможно и противоположное требование. Для пружин, мембран и других упругих элементов приборов, наоборот, важно обеспечить большие упругие перемещения. В этих случаях материал должен обладать большим пределом упругости. Для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важное значение имеет плотность материала, удельная прочность. По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем больше допустимые рабочие напряжения и тем самым меньше размеры и масса детали. 60 Надежность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным из-за протекания с большой скоростью, а также возможных аварийных последствий. Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью и ударной вязкостью. Необходимо также учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, увеличивающие опасность хрупкого разрушения: концентраторы напряжений (надрезы), понижение температуры, ударные нагрузки. Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени. Причины потери работоспособности разнообразны: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести, коррозии, радиационного разбухания и пр. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Выносливость или циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Большинство деталей машин испытывает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности предел выносливости. Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости выносливостью. Износостойкость - свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание - процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала под действием сил трения. Результат изнашивания называют износом. Его определяют по изменению размеров, уменьшению объема или массы. Таким образом, в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно соответствуют условиям эксплуатации. 61 4.2. СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ Диаграмма состояний сплавов железо-углерод (рис.52.) характеризует фазовый состав и превращения в системе. Железо и углерод – полиморфные элементы и разных частях диаграммы существуют разные кристаллические фазы и структуры, обозначенные буквами. Ф – феррит или α-железо, твердый раствор углерода в α-железе, мягкая, пластичная фаза, имеет ОЦК решетку, = 40%, НВ = 1000 МПа. Существуют области феррита при высокой и при низкой температуре. Растворимость углерода в феррите мала, при низких температурах составляет 0,02%. Высокотемпературный феррит часто называют δ-железом. А – аустенит или -железо, это твердый раствор углерода в γ-железе, Рис.52. Диаграмма состояний сплавов железо-углерод. имеет ГЦК решетку, пластичен, его твердость НВ = 2000 МПа .Растворимость углерода в аустените достигает 2,14%. Ц – цементит или соединение Fe3C. Содержание углерода 6,69%. Это очень твердая и хрупкая фаза. НВ = 8000 МПа. С – точка эвтетики, механическая смесь фаз аустенита и цементита, содержание углерода 4,3% . Л – Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, содержит чередующиеся зерна фаз цементита и аустенита. Ледебурит твердый, хрупкий и непластичный. НВ = 6000 МПа S – эвтектоидная точка, механическая смесь фаз феррита и цементита. Соответствует содержанию углерода 0.8% П – Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Пластичен = 16%, твердость НВ = 2200 МПа. Ледебурит и перлит оказывают сильное влияние на свойства сплавов, поэтому их рассматривают как самостоятельные структурные составляющие. 62 Эта диаграмма делит сплавы на две группы. 1. Первая до 2.14% С - сплавы называются сталями 2. Вторая более 2.14% С – сплавы называются чугунами. В структуре чугунов присутствует твердый и хрупкий ледебурит, что обуславливает их непригодность к обработке давлением и затрудняет резание. Чугуны в зависимости от содержания углерода также делятся – доэвтектические чугуны < 4.3% С – заэвтектические чугуны > 4.3% С 4.2.1. СТАЛИ Существует огромное количество марок сталей с разнообразными свойствами. В СССР их выпускалось более 2000 марок. Перечисление их характеристик занимает 20 томов. Из-за такого разнообразия свойств сталь стала основным конструкционным материалом, который отвечает предъявляемым требованиям машиностроения, промышленности и строительства. Не зря XX век к называют веком стали. Стали классифицируют по различным признакам: по назначению, химическому составу, качеству и т.д. (Рис.53.). Рассмотрим маркировку и общие характеристики некоторых сталей. Углеродистая сталь Сплав железа с легирующим элементом углеродом, называется углеродистая сталь. 80% всех выпускаемых сталей – это углеродистые стали (самые дешевые). Они обладают удовлетворительными механическими свойствами, хорошо обрабатываются давлением, резанием, пластичны. По ГОСТу углеродистые стали обыкновенного качества маркируются буквами Ст и цифрой от 1 до 6, в зависимости от содержания углерода. Степень раскисления обозначается индексом: спокойная сталь – СП, полуспокойная – ПС, кипящая – КП. Например, Ст3КП – сталь обыкновенного качества, марки 3, кипящая. Из таких сталей изготавливают балки, швеллеры, уголки, прутки для строительства, листовой прокат, проволоку и др. В углеродистых качественных сталях содержится меньше сопутствующих примесей. По ГОСТу такую сталь обозначают цифрами 45, 85 и т.д., которые указывают процентное содержание углерода в сотых долях процента. То есть в стали 85 содержится 63 СТАЛИ классификация по назначению Строительные Машиностроительные Инструментальные по содержанию углерода Малоуглеродистые < 0.3 % Среднеуглеродистые < 0.7 % Высокоуглеродистые > 0.7% по легированию др. элементами Низколегированные <5% Среднелегированные < 10 % Высоколегированные > 10 % по качеству Обыкновенного качества Качественные Высококачественные по степени раскисления (содержания кислорода) Спокойные Si до 0,3 % Полуспокойные Si < 0,15 % Кипящие Si < 0,05 % по структуре Доэвтектоидные С < 0,8 % Заэвтектоидные С > 0,8 % Аустенитные легир. Ni, Mn Ферритные легир. Cr, Si по прочности Нормальной < 1000 МПа Повышенной < 1500 МПа Рис.53. Классификация сталей. 64 Высокопрочные > 1500 МПа 0,85% углерода. Далее аналогично предыдущему добавляются обозначения спокойной, полуспокойной или кипящей стали. Этот класс сталей используется для изготовления конструкционных деталей в машиностроении: болтов, гаек, пальцев, валов, осей, и т.д. Углеродистые инструментальные стали Они являются высокоуглеродистыми сталями, обладающими высокой твердостью, износостойкостью. Они предназначены для изготовления режущего, штампового, измерительного инструмента. Такая сталь маркируются первой буквой У, и далее идут цифры, указывающие содержание углерода в десятых долях процента. Для высококачественных сталей в конце ставится буква А. Например, У10А – углеродистая инструментальная сталь, содержание углерода 1,0% , высококачественная. Легированные стали Они содержат легирующие элементы, улучшающие свойства этих сталей. В зависимости от количества и типа легирующих элементов эти стали по ГОСТу обозначают цифрами и буквами. Первые две цифры указывают на процентное содержание углерода в сотых долях процента. Далее идет перечисление легирующих элементов и их процентное содержание: Х -хром, Н –никель, Г –марганец, С –кремний, К –кобальт, М – молибден и т.д. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента около 1%. Далее могут следовать буквы: А – высококачественная сталь, Ш – особовысококачественная сталь. Если после обозначения стали не стоит никакой буквы, то мы имеем дело с качественной сталью. Например, сталь 20ХН3А – легированная сталь, содержание углерода 0,2%, другие легирующие элементы: хром – 1% и никель – 3%, высококачественная сталь. За счет легирования прочность таких сталей возрастает в 5-10 раз по сравнению с чистым железом, материалу можно придать коррозионную стойкость, жаропрочность и др. Легированные стали дорогие, поэтому их выпускают в относительно небольших количествах и применяют там, где требуются особые свойства материала: высокая механическая прочность, жаропрочность, коррозионная стойкость и пр. В табл.5. приведены механические свойства некоторых марок сталей. 65 Табл.5. Материал Механические свойства сталей НВ, Предел Пластичность, МПа прочности, % МПа Fe 800 250 50 Углеродистая сталь обыкновенного качества Ст1 370 31 Ст3 440 23 Ст6 600 12 Углеродистые качественные стали 10 1430 340 31 40 2170 580 19 80 2850 1100 6 Инструментальные стали У7 1870 630 21 У12А 2070 700 28 Легированные стали 40Х 1000 10 20ХГСНА 1850 13 03Н12К15М10 2500 6 03Н12К15М10 2500 Контрольные вопросы 1. Какие сплавы называют чугунами? 2. Какие фазы входят в состав сталей? 3. По каким признакам классифицируют стали? 4. Как маркируют углеродистые стали обыкновенного качества? 5. Цели легирования сталей? 6. Маркировка легированных сталей? 66 6 4.3. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ В предыдущей лекции мы рассматривали сплавы на основе железа, которые называют черными металлами. Все другие металлы (медь, алюминий и др.) и сплавы на их основе называют цветными. Цветные металлы обладают многими ценными качествами, например, такими как хорошая электропроводность, теплопроводность, легкость и др. которые используются в различных применениях. 4.3.1. Медные сплавы Медь – металл желтого цвета, высокотехнологичный, хорошо сваривается, паяется, обрабатывается давлением, обладает отличной пластичностью, характеризуется высокими теплопроводностью и электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью. Его недостаток – он плохо режется. Кроме того это тяжёлый металл, его плотность 8,9 г/см3. (Для сравнения, у железа плотность 7,8 г/см3) По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные. Так как чистая медь мягкая, поэтому как правило медь применяется в сплавах с другими элементами: Zn, Sn, Al, Be, Si, Mn, Ni. Сплавы меди подразделяют на 2 группы 1. Латуни – сплавы с цинком Zn 2. Бронзы – сплавы со всеми элементами, кроме цинка. Свойства медных сплавов приведены в табл.6. Табл. 6. Механические свойства медных сплавов. Материал σв , МПа δ, % НВ , МПа Медь литая 160 25 400 Медь деформированная 450 3 1250 Латунь Л68 320 55 550 Латунь ЛА77-2 400 55 600 Бронза БрОФ6,5-0,4 400 60 1000 Бронза БрАЖН10-4-4 650 35 1500(4000) 67 Латуни маркируются буквой Л (латунь) и цифрой, показывающей содержание меди в процентах. Маркировка Л68 – означает сплав с содержанием меди 68%, цинка 32%. При добавке других легирующих элементов в маркировке добавляется соответствующая буква (см. табл.7.) и цифра, указывающая его процентное содержание. Например, ЛА77-2 – означает сплав латунь, содержащий меди 77%, алюминия – 2%, остальные 21% цинк. Табл.7. Обозначения легирующих элементов. Zn Sn Al Be Si Mn Ni Pb Fe P Ц О А Б К Мц Н С Ж Ф Легирование цинком значительно повышает прочность и одновременно пластичность материала. улучшается технологичность. Поэтому латуни получили широкое распространение в качестве конструкционных материалов. Из латуни Л85 изготавливают краны , вентили и другое сантехническое оборудование. Латунь с 30% цинка называют патронной, т.к. из нее делают гильзы патронов. Добавка 1,5% олова придает сплаву стойкость к воздействию морской воды, поэтому латунь получила название морской, она идет на изготовление обшивки и деталей оборудования судов. Легирование 3% свинца значительно улучшает обрабатываемость резанием, в результате обработки получается гладкая чистая поверхность, из такой латуни получают тонкие детали часов, поэтому такую латунь называли часовой. Бронзы маркируются буквами Бр за которыми следуют буквы и цифра смысл которых такой же, как и в латунях. Названия бронзам дают по основным элементам входящим в состав. Например, маркировка БрОФ6,5-0,4 означает сплав бронза, оловяннофосфорная, с содержанием олова 6,5%, фосфора 0,4%. За счет легирования в медных сплавах удается получить очень хороший комплекс свойств. Например, бронза БрАЖН10-4-4 по прочности сравнима с углеродистыми сталями, твердость после закалки достигает 4000 МПа. При этом обладает коррозионной стойкостью, сохраняет высокую прочность при нагреве до 400 оС. Поэтому из неё изготавливают ответственные детали двигателей внутреннего сгорания работающие в условиях нагрева в химически агрессивных средах: клапана, части турбин, насосов и др. Интересными механическими свойствами обладает бериллиевая бронза БрБ2 (содержание бериллия 2%). Отличительной ее особенностью является очень высокий предел упругости σ 0,002 = 600 МПа (Т.е. после приложения напряжения 600 МПа остаточная деформация не превышает 0,002%). Из этого материала получаются отличные пружины для часов, измерительных приборов и пр. 68 Другой сплав Б16 называемый баббит (это сплав с оловом) имеет аномально низкий коэффициент трения со сталью: Ктр = 0.01 (0.005 со смазкой). Поэтому баббиты используются для изготовления подшипников скольжения для поддержки тяжелых турбин электростанций, достигающих массы сотни тонн. 4.3.2. Алюминиевые сплавы Алюминий –очень легкий серебристо-белый металл, его плотность 2.7 г/см3 , т.е. он в три раза легче меди. Алюминий обладает высокой пластичностью, хорошими теплопроводностью и электропроводимостью (Rуд = 27 нОмм). Замечательная коррозионная стойкость, поскольку на поверхности металла образуется прочная оксидная пленка Al2O3, которая защищает его от дальнейшего окисления. Хорошо обрабатывается резанием. Чистый алюминий мягкий, но его сплавы имеют хорошую прочность и твердость. Поэтому в основном используется в виде сплавов. Дешевле меди, из-за чего алюминиевые провода все шире применяют для электропроводки. Используется в судостроении и авиапромышленности для изготовления корпусов, обшивки, каркасов. Из него делают также трубы, радиаторы, теплообменники, электропроводящие шины, провода. В бытовых нуждах используется для изготовления рам окон, дверей, посуды. Свойства алюминия и некоторых его сплавов приведены в табл.8. . Табл.8. Механические свойства алюминиевых сплавов σв , МПа δ, % НВ , МПа Литой Al 50 45 150 AМц (1% Mn) 130 20 300 AMг6 (6% Mg) 340 20 700 Д16 440 18 1050 В95 600 8 1500 В96 700 7 1900 Легирование алюминия позволяет значительно повысить механические свойства. Так сплав АМг6, содержащий 6% примеси магния, имеет твердость и прочность 5-7 раз выше, чем у чистого алюминия. По механическим свойствам этот сплав близок к углеродистой стали, но легче его почти в 3 раза. 69 По соотношению прочности и плотности вычисляют удельная прочность материала: уд в , g (4.1) где в – предел прочности , – плотность материала, g – ускорение свободного падения. Она имеет размерность длины. По этому параметру алюминиевые сплавы находятся на уровне высокопрочных легированных сталей уд = 23 км (для легированных сталей уд = 27 км). Немецкий физик Альфред Вильм, живший в городе Дюрен, изучал свойства алюминиевого сплава легированного медью, магнием и марганцем. Для повышения прочности сплав закаляли, но опыты на давали желаемого результата. Помог случай. Однажды нерадивый лаборант не сделал вовремя измерений свойств образцов, просто забыв о них, и вернулся к измерениям только через неделю. Каково же было удивление ученых, когда обнаружили значительное увеличение прочности забытых образцов. Теперь этот процесс называют старением. А найденный сплав получил название дюралюминий, в честь родного города Вильма. Теперь этот сплав широко применяется. В таблице приведены примеры свойств дюралюминия марки Д16, высокопрочного дюралюминия марок В95, В96. При очень высокой прочности эти сплавы сочетают легкость алюминия. Другой сплав алюминия с кремнием называется силумин. Он даже легче чистого алюминия, его плотность 2,65 г/см3. Это хороший литейный сплав, из которого изготавливают корпуса насосов, компрессоров, картеры двигателей, теплообменники и пр. 4.3.3. Магний и его сплавы Магний – сверхлегкий металл, легче алюминия, плотность 1,74 г/см3 , температура плавления 651 оС. Химически чрезвычайно активен, при нагреве на воздухе воспламеняется и горит ослепительно белым пламенем, раньше использовался в качестве вспышки при фотографировании. В качестве конструкционных материалов используют сплавы магния. Сваривать его нельзя, поэтому из них делают несварные детали и обшивку для сверхлегких самолетов, гоночных машин, картеры двигателей, корпуса компрессоров, легкие фермы, челноки ткацких станков. Свойства магниевых сплавов МА5, МЛ5 приведены в табл.9. 70 Табл.9. Механические свойства магниевых сплавов σв , МПа δ, % НВ , МПа Магний (Mg) 120 8 300 МА5 (деформ., Al 8%) 320 14 МЛ5 (литейный, Al 8%) 255 6 4.3.4. Титан и его сплавы Титан – тугоплавкий металл серого цвета, температурой плавления t = 1665 оС, с высокой прочностью в = 250 МПа и пластичностью = 70% . При этом плотность его небольшая = 4,5 г/см3, в результате удельная прочность титана оказывается рекордно большой уд = 30 км. Это позволяет при изготовлении деталей из титана при равной прочности получать выигрыш по массе 40% по сравнению со сталью. К положительным качествам титана и его сплавов относятся хорошая обрабатываемость давлением, свариваемость, хладостойкость вплоть до абсолютного нуля температур. К отрицательным – плохо режется, низкая жаропрочность, интенсивно окисляется при температурах выше 600 оС. Свойства титана и его сплавов приведены в табл.10. Табл.10. Механические свойства титана и его сплавов. в, МПа , % НВ, МПа Иодидный титан (примесей <0,1%) 300 60 1300 ВТ1-0 (титан технический, прим.<0,3%) 600 25 2070 ВТ16 (примесь Al 3%, Mo 4,5%) 1400 5 Сплав Контрольные вопросы 1. Какие металлы называют цветными? Приведите примеры. 2. Охарактеризуйте общие свойства медных сплавов. 3. Каковы свойства и области применения алюминиевых сплавов? 4. Каковы особенности магниевых сплавов? 5. Области применения алюминиевых сплавов? 71 4.4. ОРГАНИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Неметаллическими материалами называют обширный класс веществ с неметаллическим типом химической связи между атомами, т.е. с ковалентной, ионной и поляризационной связями. По своим свойствам они кардинально отличаются от металлов, поэтому их выделяют в отдельную группу. По молекулярному строению они подразделяются на органические и неорганические материалы. К органическим материалам относятся разнообразные пластмассы, резины, компаунды, дерево , к неорганическим – стекло, графит, оксиды металлов и др. 4.4.1. Химический состав В качестве конструкционных материалов широко применяются органические полимеры. Органические полимеры – это вещества, молекулы которых состоят из длинной углеродной цепи к которой присоединены атомы водорода. Кроме того в этих веществах обычно содержатся кислород, азот, сера, фосфор, хлор. В их состав могут входить атомы других элементов: металлов, галогенов и пр. В этом случае материалы называют элементоорганическими. Полимеры обладают рядом ценных свойств, которые обуславливают их все более широкое применение. Имеют достаточную прочность, жесткость, эластичность при низкой плотности и легкости. Как правило отличаются высокими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью, стойкостью к коррозии и воздействию влаги. Являются хорошими тепло- и звуко- изоляторами. Есть полимеры со специальными свойствами: оптически прозрачные, антифрикционные, высокоэластичные и т. д. Существенный недостаток большинства органических материалов – их горючесть. Но в последнее время созданы практически негорючие элементоорганические полимеры. Важным достоинством полимеров является их технологичность, они легко формуются литьем, выдуванием, хорошо обрабатываются прессованием, вытяжкой, резанием. Это качество повышает экономичность и обуславливает широкое применения полимеров. Рассмотрим подробнее 4.4.2. Строение полимеров 72 Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из очень длинных цепочек атомов, называемых макромолекулами. Они состоят из многократно повторяющихся одинаковых звеньев – мономеров. Макромолекула может состоят от тысяч до миллионов атомов. Внутри молекулярной цепи атомы связаны весьма прочными ковалентными связями. Между собой молекулы связаны сравнительно слабыми поляризационными силами. Из-за такого строения полимеров обладают малой плотностью и прочностью по сравнению с металлами, и многие легко плавятся при нагреве. Полимеры различают по структуре молекул (Рис.54.): 1. Линейные, молекулы которых образуют длинные линии, цепочки. 2. Разветвленные – молекулярная цепочка разветвляется, образует многочисленные ответвления, по строению напоминая дерево. 3. Ленточные – атомы образуют ленточную или лестничную структуру. 4. Плоские – атомы соединяются между собой в плоскости, образуя атомные слои. 5. Пространственные – атомы объединяются в пространственную структуру, наподобие атомов кристаллов. Рис.54. Структуры молекул полимеров: а) линейная, б) разветвленная, в) ленточная, г) плоская, д) пространственная. 73 Полимеры с линейной структурой легкоплавки, эластичны, мягкие, они как правило растворимы в органических жидкостях. Это происходит из-за того, что молекулы соседних цепочек достаточно легко могут скользить друг относительно друга. Разветвленная, ленточная или плоская структура молекул увеличивает прочность и теплостойкость материала. Полимеры с пространственной структурой обладают наибольшей твердостью и прочностью. Они стойки к нагреву и органическим растворителям. По электрическим свойствам молекул полимеры делятся на полярные и неполярные. Полярные имеют дипольные моменты молекул или групп атомов, которые способствуют поляризации в электрическом поле. Следующие атомные группы расположены в порядке возрастания полярности или дипольного момента: CH < CN < CO < СF < CCl В неполярных материалах молекулы не имеют дипольного момента. Полярные полимеры имеют более высокие механические свойства, чем неполярные. Они обладают большей твердостью, механической прочностью и эластичностью, характеризуются хорошей химической стойкостью. Эти материалы притягивают влагу и полярные примеси, поэтому труднее поддаются очистке. По электрическим свойствам неполярные полимеры – лучшие диэлектрики. Они имеют большее электрическое сопротивление, меньшие диэлектрические потери, чем полярные, могут работать при высоких и сверхвысоких частотах. По отношению к нагреву полимеры подразделяются на термопластичные и термореактивные Термопластичные полимеры при нагреве постепенно размягчаются и переходят сначала в вязкое состояние, а потом в жидкое. При охлаждении процесс протекает в обратном направлении вплоть до твердого состояния. Повторный нагрев переводит полимер снова в жидкое состояние. В термореактивных полимерах при нагревании протекают химические реакции, которые приводят к образованию дополнительных связей между атомами. Вследствие этого свойства материала изменяются необратимо, он затвердевает и при повторном нагреве уже не размягчается. При сильном нагреве может обугливается или разрушаться. В органических растворителях термореактивные полимеры как правило нерастворимы. Термомеханическая кривая полимера Если термопластичный полимер подвергнуть постоянной механической нагрузке, то он будет деформироваться. 74 При низкой температуре полимер испытывает упругую деформацию на небольшую величину. При нагреве деформация будет увеличиваться. Чем выше температура – тем больше деформация. Таким образом получится график зависимости деформации о температуры, называемый термомеханической кривой полимера. На графике зависимости можно выделить (Рис.55.), три основных участка соответствующие разным состояниям полимера: 1. Стеклообразной состояние (СС) – на этом участке полимер деформируется на небольшую величину и ведет себя как хрупкое тело, трескается при больших нагрузках. Рис.55. Термомеханическая кривая полимера. 2. Высокоэластичное (ВЭС) – здесь состояние деформация возрастает во много раз, полимер ведет себя как эластичное упругое тело. 3. Вязкотекучее состояние (ВТС). При дальнейшем увеличении температуры полимер постепенно размягчается, деформация может увеличиваться до бесконечности. Полимер ведет себя как вязкая жидкость. Такая кривая типична для линейных полимеров и слабо разветвленных полимеров, которые не сшиты поперечными межатомными связями. В состав полимеров часто добавляют компоненты, которые улучшают свойства материалов. Рассмотрим их вкратце. 1. Стабилизаторы Полимеры – аморфные, термодинамически неустойчивые материалы, поэтому их свойства с течением времени изменяются. Ухудшается пластичность, возрастает твердость, появляется хрупкость и т.д. Такой процесс называют старением полимера. Для замедления старения в полимер добавляют специальные вещества, называемые стабилизаторами. 2. Наполнители – вещества добавляемые в полимерные композиции. Например, порошковые наполнители: мел, каолин, оксиды TiO2, SiO2, древесная мука. Их доля может достигать десятков процентов. Их применяют для снижения стоимости материала, плотности , повышения прочности, упругости и пр. Можно придать специальные качества материалу несвойственные полимеру, 75 например электропроводность, ферромагнетизм. Возможно повышение или понижение теплопроводности, снижение усадки, улучшение звукоизоляции и т. д. 3. Пластификаторы - вещества, добавляемые в полимерные материалы для повышения пластичности, эластичности, уменьшения хрупкости при охлаждении или морозостойкости, для улучшения формуемости при прессовании, штамповке. 4. Специальные добавки Например красители, для улучшения внешнего вида изделий. Иногда добавляют смазки, чтобы полимеры не прилипали к формующему оборудованию. Для материалов используемых в электротехнике применяют специальные добавки для снижения горючести или дугогасящие добавки. Эти вещества при нагреве выделяют газ, прекращающий или затрудняющий горение (фосфорнокислый аммоний, трехокись сурьмы, перхлорвинил и т. п.). 4.4.3. Свойства полимеров Рассмотрим общие свойства некоторых распространенных полимерных материалов (Табл.11.). Термопласты Полиэтилен – продукт полимеризации этилена, структура (–СН2–СН2–)n один из самых распространенных полимеров, обладает достаточной прочностью, стойкостью к действию влаги, кислот, щелочей, хорошо обрабатывается, дешев. Хороший диэлектрик. Широко применяется для изготовления бытовых изделий, химической посуды, труб, используется как изоляционный материал в электротехнике. Полипропилен– продукт полимеризации пропилена, структура (–С2Н4–СН2–)n . За счет бокового ответвления молекулы прочнее полиэтилена, более термостоек. Однако химически менее стоек, быстрее стареет. Полистирол – полимер со структурой (–СН(С6Н5)–СН2–)n, линейная цепочка с присоединенным бензольным кольцом. За счет громоздкого ответвления получается еще большая прочность материала. К недостаткам следует отнести невысокую нагревостойкость и склонность к растрескиванию. Политетрафторэтилен (фторопласт или тефлон) – полимер со структурой этилена, в котором атомы водорода заменены на атомы фтора (–СF2–СF2–)n . Прочность связи C–F очень велика 450 кДж/моль. В результате такого замещения получился молочно белый, 76 жирный на ощупь материал с замечательными свойствами. Он не горюч, не смачивается водой, химически чрезвычайно стоек, на него не действуют ни кислоты, ни щелочи, ни органические растворители. Его термостойкость рекордная для полимеров. Диэлектрические свойства фторопласта очень высоки и практически неизменны при нагреве и на высоких частотах. Его недостатком является холодная текучесть при механических нагрузках. Поливинилхлорид – полимер со структурой (–СН2–СНCl–)n . За счет сильно полярной связи с хлором, полимер полярный, что значительно увеличивает прочность материала. Изза наличия хлора практически негорюч. Его изоляционные свойства вполне удовлетворительны в низкочастотных полях. Табл.11. Материал Механические свойства полимеров в, МПа tmax, oC Термопласты Полиэтилен 10-20 80 Пилипропилен 26-38 100 Полистирол 40-60 70 Политетрафторэтилен 20-40 250 80-160 80 (фторопласт) Поливинилхлорид Реактопласты Фенолформальдегидные смолы 15-35 200 Полиэфирные 40-70 100 Эпоксидные 30-70 160 Полимер с наполнителем Гетинакс (фенолформ. смола 60-70 120 Текстолит (х/б ткань) 70-100 100 Стеклотекстолит (стеклоткань) 200-600 200-400 (3000) + наполнитель бумага) = 20-300 кг/м3 Пенопласт (газ) Реактопласты Фенолформальдегидные смолы являются основой большого количества пластмасс, лаков и клеев. В результате нагрева происходит химическая реакция, и получается полимер бакелит. Сам по себе он хрупок, поэтому его применяют с наполнителями. Из таких 77 пластмасс изготавливают корпуса приборов, педали, рукоятки, коллекторы электродвигателей, ролики и пр. Эпоксидные смолы затвердевают при реакции со специальными добавками, называемыми отвердителями. Для этого не требуется нагрева, поэтому они стали незаменимыми материалами в качестве компаундов, заливочных масс. 4.4.4. Полимеры с наполнителями Полимеры с наполнителями являются композиционными материалами, которые подробнее мы рассмотрим в следующих разделах. Здесь же приведем свойства некоторых из них. Гетинакс состоит из слоев бумаги пропитанных и склеенных фенолформальдегидной смолой. Он обладает достаточной прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Из него делают платы, панели, изоляционные прокладки, шайбы, каркасы катушек и др. Текстолит состоит из слоев хлопчатобумажной ткани пропитанных и склеенных смолой. Обладает большей прочностью , чем гетинакс. Применяется для изготовления тех же деталей. Кроме того из текстолита делают подшипники скольжения, и бесшумные скоростные шестеренки для редукторов, коробок передач, амортизационных прокладок для поглощения вибраций. Стеклотекстолит получается так же как текстолит, но в качестве наполнителя берется стеклоткань. Вследствие чего резко повышаются механические и электрические свойства, возрастает нагревостойкость, снижается влагопоглощение. Пенопласт – важная разновидность пластмасс, получаемая путем вспенивания и затвердевания полимера. Таким образом наполнителем является газ. Пенопласты являют самыми легкими конструкционными материалами, они радиопрозрачны, хорошие диэлектрики. Из них изготавливают обтекатели радиоантенн, тепло- и звуко- изоляционные перегородки в авиации, легкие конструкции в строительстве и упаковка в быту. 4.4.5. Эффективность применения полимеров Современные полимерные материалы все шире применяются в технике из-за их высоких свойств и технологичности. Так например, для изготовления детали из металла требуется сделать отливку, отрезать, обточить, отшлифовать, термоотбработать и т.д. Весь процесс может включать от 30 до 50 технологических операций. В случае изготовления детали из пластмассы зачастую достаточно одной операции формовки, после которой получается готовое изделие. В итоге трудоемкость изготовления снижается в 3-5 раз, стоимость деталей в 4-10 раз, масса в 4-5раз. Поэтому в настоящее время пластмассы 78 составляют 10-25% веса самолетов и 20-50% веса ракет, и эта доля продолжает увеличиваться. Контрольные вопросы 1. Каковы основные элементы, входящие в состав органических материалов? 2. Структура молекул полимеров? 3. Термомеханические кривые полимеров? 4. Приведите примеры термопластов? 5. Каковы характерные свойства реактопластов? 6. Цели использования наполнителей полимеров? 7. Перечислите преимущества при применении полимерных материалов. 79 4.5. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Примерами неорганических материалов являются графит, стекло, керамика, оксиды металлов и неметаллов и т.п. В их состав могут входит практически все элементы периодической системы Менделеева, и всевозможные их соединения. Среди положительных качеств неорганических материалов можно назвать тепло– , и химическую стойкость, высокую твердость и прочность, неорганические материалы обычно негорючи, многие огнеупорны, в отличие от органических материалов не подвержены старению. Но в то же время эти материалы, как правило, хрупкие, «боятся» резких скачков температур, довольно плотные и прочность на растяжение в несколько раз ниже прочности на сжатие. Рассмотрим подробнее свойства некоторых неорганических материалов. 4.5.1. Графит Графит – это материал состоящий из атомов углерода С, которые образуют слоистый кристалл (Рис.56.). Четыре электрона на внешней оболочке углерода образуют три ковалентные связи и одну металлическую. Прочные ковалентные связи объединяют атомы в атомные плоскости. Вследствие этого прочность кристалла графита вдоль этих атомных плоскостей очень высокая. Между собой атомные плоскости связаны слабыми Ван-дерваальсовыми силами. Отсюда прочность графита перпендикулярно атомным плоскостям весьма малая. Одна металлическая связь придает ему хорошую электропроводность. Такое необычное строение кристалла приводит к очень интересным сочетаниям свойств графита. Он сильно анизотропен: длина ковалентной связи 0 а 1,43 А , а атомными плоскостями больше и расстояние составляет между намного 0 с 3,35 А . Вследствие прочности ковалентных связей температура плавления графита чрезвычайно Графит высока является t пл 3700 0 С . абсолютным рекордсменом термостойкости среди всех существующих материалов. Слоистая структура графита и слабая Рис.56. Строение кристалла графита. 80 связь между соседними плоскостями обусловливают анизотропию всех физических свойств кристаллов графита во взаимно перпендикулярных направлениях. Графит встречается в природе в естественном виде, а также получается искусственным путем (технический и пиролитический графит). Потребительские качества природного графита невысоки, он содержит много примесей, порист, непрочен, его свойства почти изотропны. Используется только в качестве антифрикционного материала. Более чистый технический графит получают из нефтяного кокса и каменноугольного пека при нагреве до температуры 3000 0 С . Степень анизотропии его свойств достигает значения 3:1. Ещё более качественный графит получают в результате реакции пиролиза углеводородов (метана). Атомы углерода осаждаются на нагретых до температуры поверхностях, 2500 0 С изготовленных из технического графита или керамики. После охлаждения и кристаллизации получается пиролитический графит. В этом случае степень анизотропии свойств достигает значения 100:1 и более. Его свойства приведены в табл.12. Табл.12. , кг Свойства пиролитического графита в , МПа м3 Растяжение 2000–2200 , Вт ( м К ) , 10–6 1/К Сжатие // // // // – 120 470 120 2 370 24 0,023 где – плотность, в – прочность, – коэффициент теплопроводности, – коэффициент теплового расширения. Как видно, один и тот же материал обладает совершенно разными свойствами по разным направлениям. Например, если его сориентировать перпендикулярно атомным слоям, то это будет теплоизолятор, а если параллельно – теплопроводник. Проводящие свойства графита используются при изготовлении из него щеток электродвигателей, генераторов. Теплостойкость – при изготовлении сильно нагревающихся деталей конструкций летательных аппаратов и их двигателей, в энергетических ядерных реакторах. Из-за малого коэффициента трения графит используют в качестве антифрикционного материала, твердой смазки, которая сохраняет свойства при высоких температурах и при сильном охлаждении. Прочные углеграфитовые волокна добавляют в качестве наполнителя в композиционные материалы. 4.5.2. Стекло Стекло представляет собой затвердевший высоковязкий раствор оксидов кремния (Si), бора (B), фосфора (P) и других элементов. Кроме того для придания дополнительных 81 качеств в состав стекла добавляют металлы и их оксиды: Na, K, Al, Fe, Pb и др. Важнейшим отличительным качеством стекла является его прозрачность. Стекло, в отличие от кристалла, имеет беспорядочную которую структуру, называют аморфным состоянием (Рис.57.). При нагреве стекло плавится не сразу, а постепенно, размягчаясь все больше и больше, вплоть до жидкого состояния. Т.е. переход из твердого состояния в жидкое происходит температурном Рис.57. Нерегулярное строение стекла. в широком интервале. При температуре ниже tc , называемой температурой стеклования, аморфный материал ведёт себя как хрупкое твердое тело. При превышении температуры tc стекло переходит в вязкое пластичное состояние. В таком состоянии проводят формовку стеклянных изделий на производстве. При дальнейшем повышении температуры выше tр , называемой температурой размягчения, стекло уже переходит в жидкое состояние. Обычное стекло, которое часто встречается в повседневной жизни, в основе состоит из оксида кремния ( SiO 2 ) , и поэтому называется силикатным стеклом. Рассмотрим его свойства. Для силикатного стекла температура стеклования t c 400 600 0 С , температура размягчения t р 600 800 0 С . Стекло выпускают различное по химическому составу и по свойствам. В зависимости от назначения различают стекло техническое, строительное и бытовое. Технические стёкла идут на изготовление оптических приборов, линз, отражателей, подложек, химической лабораторной посуды, труб, светотехнических приборов и пр. Из строительного делают оконные стекла, витрины, стеклоблоки, облицовку. Из бытового стекла производят всевозможную посуду, стеклотару, бытовые зеркала и пр. Механические свойства характерные для стёкол приведены в Табл.13. Табл.13. , кг Механические свойства стекол в , МПа м 3 2200 – 6500 Твердость Растяжение Сжатие по Моосу 30-40 500-2000 5-7 82 ,10 6 9 1 К Термостойкость, 0 С 90-170 (10 у алмаза) Ввиду того, что прочность на растяжение сильно отличается от прочности на сжатие, изготавливают так называемое закаленное стекло. Закалка заключается в нагреве стекла до температуры выше температуры стеклования и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в масле. За счет закалки поверхностные слои испытывают сжимающие напряжения, из-за чего прочность стекла увеличивается в 3–6 раз. Его применяют например для изготовления стёкол автомобиля. Если лобовое стекло будет сделано из простого стекла, то при аварии стекло разобьется на крупные части и каждая из них острыми краями будет срезать все на своем пути. Если же поставить закаленное стекло, то при аварии оно распадается на мелкие осколки из-за больших напряжений на поверхности. В результате мелкие осколки нанесут намного меньше вреда. Сегодня при изготовлении лобовых стекол применяют два закаленных стекла, между которыми находится слой полимера, который не дает разлететься в разные стороны осколкам стекла. Такое безопасное стекло называют триплекс. Производят стекло также в виде волокон – стекловата. Это отличный теплоизолятор, которые выдерживает нагрев до 400оС, не боится сырости и грызунов паразитов. Стекловату применяют для тепло– и шумо– изоляции кабин самолетов, кузовов автомобилей, железнодорожных вагонов, тепловозов, электровозов, ею теплоизолируют различные трубопроводы и т. д. Стекло с добавками оксида свинца получается очень плотным 8000 кг/м 3 , оно не пропускает рентгеновское и – излучение. Из него делают смотровые окна для рентгеновских аппаратов, манипуляторов для работы с радиоактивными препаратами. Примесь оксида железа придает стеклу способность поглощать инфракрасное излучение, такое стекло необходимо для работы в горячих цехах, литейных и прокатных производствах. Необычны свойства так называемого кварцевого стекла, которое состоит из чистого оксида кремния SiO2 . Оно имеет аномально низкий коэффициент теплового расширения 0,510–6 1/К . Вследствие этого кварцевое стекло обладает огромной термостойкостью. Под этим свойством подразумевают способность материала выдерживать перепады температуры при резком охлаждении в воду. Для большинства стекол это около 100 оС, а у кварцевого 800–1000 оС. Кроме того оно характеризуется высокой химической стойкостью, поэтому из него изготавливают лабораторную посуду, тигли для плавки металлов, формы для точного литья. 83 4.5.3. Ситаллы Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или частичной кристаллизации с помощью добавок катализаторов. В результате доля кристаллической фазы составляет 30–90%, размеры кристалликов 1–2 мкм). Термин ситаллы образован комбинацией слов: стекло и кристаллы. Еще их называют стеклокерамикой или пирокерамами. Ситаллы подразделяют на фотоситаллы и термоситаллы. Фотоситаллы кристаллизуются под действием света. Они чувствительны к свету, соответственно, там, где произошло облучение, произойдет кристаллизация, а в других местах нет. Термоситаллы кристаллизуются под действием нагрева. Механические свойства ситаллов весьма высоки (Табл.14.). Табл.14. , кг Свойства ситаллов. в , МПа м 3 2400-3000 Растяжение Сжатие 110-160 700-2000 Твердость, Жаропрочность, о МПа 700010500 С 800-1200 ,10 6 1 К 0,7-12 Термостой кость, оС 500-900 Как видно из таблицы, плотность ситалла как у алюминиевых сплавов, твердость как у закаленной углеродистой стали, при этом он обладает высокой термостойкостью и химической стойкостью как у кварцевого стекла. Это прекрасный стабильный диэлектрик. Ввиду такого уникального сочетания свойств (очень легкий и при этом очень твердый и прочный) ситаллы находят всё более широкое применение. Из ситаллов изготавливают обтекатели радиоантенн летательных аппаратов, лопасти воздушных компрессоров, сопла реактивных двигателей; подшипники, детали двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности. Их используют в качестве жаростойких покрытий для защиты металлов от действия высоких температур и коррозии. Они применяются при изготовления калибров, оснований точных приборов, подложек микросхем. Фотоситаллы используют для изготовления фильер (пластины, в которых проделаны небольшие отверстия) для вытягивания синтетических волокон. Для этого на пластинке засвечивается те участки, которые должны быть закристаллизована. Соответственно те области, на которые не попал свет остаются в аморфном состоянии. Затем с помощью специальной жидкости–травителя растворяют аморфную фазу. В результате на очень твердой пластинке получаются отверстия нужной формы и размера. Затем через эти отверстия выдавливают синтетическое волокно. 84 4.5.4. Керамика Керамика — неорганический материал, получаемый путем обжига при высокой температуре 1200—2500°С. Первоначально керамикой называли обожженную глину, «керамикос» по гречески глиняный. Сейчас этот термин применяется к широкому кругу материалов с разнообразным химическим составом. В результате обжига или спекания формируется структура материала, состоящая из кристаллической и аморфной фазы, с газовыми включениями или порами. В результате изделия приобретает необходимые физико-механические свойства. Кристаллическая фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств. Аморфная фаза в количестве 1—10 % находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Стеклообразующие компоненты (или глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий. Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики. По количеству этой фазы керамику подразделяют на плотную и пористую. Наличие пор как правило нежелательно, так как снижается механическая прочность и другие свойства материала. Большинство видов технической керамики обладает плотной спекшейся структурой поликристаллического строения. По химическому составу керамику подразделяют на две большие группы: оксидная и бескислородная керамика. Керамика на основе оксидов В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: А12О3 (корунд), SiO2, ZrO2, MgO, CaO, BeO и др. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000 °С, поэтому такую керамику относят к классу высокоогнеупоров. Оксиды химически стабильные соединения не подверженные дальнейшему окислению при нагреве. Как и для других неорганических материалов, оксидная керамика обладает значительно большей прочностью при сжатии, по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе. Корундовая керамика (на основе А12О3) обладает чрезвычайной прочностью, которая сохраняется при высоких температурах. По прочности корунд занимает второе место, уступая только алмазу. Керамика химически диэлектриком. Другие её свойства приведены в Табл.15. 85 стойка, является отличным Табл.15. , кг м 3940 3 Свойства корундовой керамики. в , МПа Твердость, Сжатие HRA о 5000 92 2200 Жаропрочность, С Изделия из корундовой керамики широко применяют во многих областях техники. В электротехнике из неё изготавливают изоляторы, диэлектрические основания, платы. В машиностроении делают высокоскоростные резцы, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвейеров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания и т.д.. Керамику с плотной структурой используют в вакуумной технике, пористую – как термоизоляционный материал. В корундовых тиглях проводят плавку металлов. Керамика на основе оксида циркония (ZrO2) может работать до температуры 2200°С, имеет малую теплопроводность. Она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве теплозащитных покрытий металлов. Керамика на основе оксида бериллия (BeO) напротив отличается высокой теплопроводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Прочность материала невысокая. Применяется для изготовления тиглей для плавки металлов, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах. Бескислородная керамика К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом — карбиды, с бором — бориды, с азотом — нитриды, с кремнием — силициды и с серой — сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500— 3500°С), твердостью (иногда как у алмаза), износостойкостью и химической стойкостью по отношению к агрессивным средам. Их недостатком является хрупкость. Сопротивление окислению при высоких температурах карбидов и боридов составляет 900—1000°С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300—1700°С. Карбиды. Широкое применение получила керамика из карбида кремния — карборунд (SiC). Он обладает полупроводниковыми свойствами, высокой жаростойкостью до 1600°С, твердостью, устойчивостью к кислотам. При подключении к нему электрического 86 напряжения, протекает значительный ток, и материал греется. Этот эффект используют для изготовления нагревательных стержней из карбокорунда. Карбид бора B4C легкий и прочный материал, используется как керамическая броня для бронежилетов. Слой 6 мм по эффективности защиты заменяет 10 мм металлической брони, при этом сам жилет становится в 4 раза легче. Силициды тоже полупроводники, отличаются окалиностойкостью, стойкостью к действию кислот и щелочей. Например, дисилицид молибдена MoSi2 используется в качестве электронагревателя в печах, который стабильно работает в течение нескольких тысяч часов при температуре 1700°С. Из такой керамики изготовливают лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши реактивных двигателей; её применяют для защитных покрытий тугоплавких металлов от окисления при высоких температурах. Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их электропроводность очень высокая. Они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике получили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiB2, ZrB2 и др.). Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его используют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2000°С в агрессивной среде. Покрытия из боридов сильно повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий. Нитриды. Неметаллические нитриды являются огнеупорными материалами, имеют низкие теплопроводность и электропроводность. Так нитрид бор (эльбор) очень твердый и прочный материал, это заменитель алмаза. Но алмаз стоек к окислению при нагреве до 800°С, а эльбор – до 2000°С. Другой материал нитрид кремния Si3N4 устойчив к окислению до 1600°С , очень прочен, обладает малой плотностью. Этот материал рекордсмен по удельной прочности при высоких температурах. При этом он в несколько раз дешевле жаропрочных металлических сплавов. Из него изготавливают керамические детали для двигателей внутреннего сгорания работающие в условиях нагрева: поршни и цилиндры. Контрольные вопросы 1. Приведите примеры неорганических материалов. 2. Каков химический основной химический состав силикатного стекла? 3. Свойства стекла? 4. Что такое ситаллы? 5. Какие материалы называют керамикой? 6. Каков фазовый состав керамики? 87 4.6. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Композиционными называют материалами, состоящие из двух (и более) материалов. При таком сочетании возможно совмещение положительных качеств каждого составляющего, и получение нового материла с улучшенными прочностными свойствами. Композиционные материалы (КМ) состоят из матрицы (или связующего) и упрочняющего (или армирующего) материала. В зависимости от рода входящих в состав материалов различают металлические и неметаллические композиционные материалы. По способу упрочнения подразделяют дисперсноупрочненные и волокнистые КМ. 4.6.1. Дисперсноупрочнённые композиционные материалы В дисперсноупрочненные КМ состоят из основного материала (матрицы) и вкрапленых в неё мелких частиц 10–500 нм (Рис.58.). Матрица несет основную нагрузку, а дисперсные частицы затрудняют движение дислокаций. Для достижения высокой прочности частицы должны быть равномерно распределены по матрице. В качестве дисперсных частиц используют тугоплавкие нерастворимые оксиды металлов в количестве 5–10% от массы. У металлических КМ предел за счет упрочнения прочность повышается на 50100% , увеличиваются модуль, упругости и жесткость, жаропрочность приближается вплотную к температуре плавления 0,9–0,95 tпл. Снижается вероятность трещинообразования, устраняется хрупкому Рис.58. Дисперсноупрочнённые практически склонность разрушению, активно тормозятся частицами. Это важное к внезапному т.к. трещины дисперсными положительное качество композиционных материалов. композиционные материалы. В качестве примера рассмотрим широко применяемый спеченный алюминиевый порошок САП. Он изготавливается из алюминиевого порошка, который спекается при высокой температуре под давлением. Частицы порошка алюминия покрыты тонким слоем прочного тугоплавкого оксида Al2O3 . При прессовании и спекании пленки разламывается на кусочки и распределяется по алюминиевой матрице. Получается дисперноупрочненный КМ. САП обладает следующими свойствами. 88 1) предел прочности σ = 400 МПа 2) пластичность около 3% 3) прочность при высоких температурах (250–500 ºС) 50 МПа. САП материал легкий, как алюминий ρ = 2700 кг/см3 , у него прочность при температурах 250–500 ºС, как у титана и сталей. Т.е. он сочетает легкость и высокую прочность . По этим свойствам он заменяет титан при температурах до 500 ºС, а по стоимости он намного дешевле его. Другой пример КМ на основе никеля, который упрочняется тугоплавкими частицами оксида тория или оксида гафния. Получается очень хороший жаропрочный и коррозионностойкий материал сохраняющий высокие свойства до температуры tраб = 1200 ºС. 4.6.2. Волокнистые композиционные материалы Волокнистые композиционные материалы представляют собой относительно мягкую матрицу, которая связывает прочные волокна (Рис.59.). Основную механическую нагрузку несут волокна, а матрица равномерно распределяет её. Упрочняющие (или армирующие) волокна могут быть диаметром d = 10 нм – 100 мкм , как длинные, так и короткие. Если отношение длины волокна к диаметру (l/d) = 10 – 1000, то такие волокна называются дискретными. Если (l/d) > 1000 , то такие волокна называют непрерывными. В процентном содержании волокна могут составлять 20–80% массы материала. а) б) Рис.59. Волокнистые композиционные материалы и способы укладки волокон: а – однонаправленная, б – сотканная, в – объёмная. 89 в) В зависимости от способа укладки волокон различают структуры композиционных материалы: 1. Однонаправленные – волокна укладываются вдоль одного направления. 2. Сотканные – волокна уложены перекрестно в двух направлениях, как в 3. Объемные –пространственная укладка волокон. Волокна сшиваются в ткани.. объёмную структуру в трёх и более направлениях. Сотканные и слоистые материалы анизотропны, прочность вдоль слоев волокон заметно больше, чем в поперечном направлении. Наибольшей прочностью обладают материалы с объемной структурой. Они почти изотропные, т.е. в разных направлениях свойства одинаковы. В качестве армирующих волокон используются сверхпрочные борные волокна, углеродные, карбидные, нитридные, оксидные и т.д. Из металлических материалов для армирования применяют проволоку из вольфрама, молибдена, углеродистой стали. В качестве матрицы используются как металлы, так и не металлы, органические и не органические соединения – все подряд. При этом материалы выбираются таким образом, чтобы комбинировать и получить определенные сочетания положительных свойств матрицы и армирующих соединений. Рассмотрим примеры волокнистых КМ композиционных материалов. Бор – алюминий Алюминиевая матрица . Алюминий мягкий материал. Борные волокна – это прочный материал, но хрупкий. В сочетании эти два материала дают вязкий и прочный композиционный материал. С пределом прочности σв = 1300 МПа. Т.е. по прочности как легированная сталь, по весу как алюминий. Алюминий – сталь Алюминиевая матрица. Стальные волокна. Обладает пределом прочности σв = 1600 МПа. Т.е. прочность ещё выше, но значительно легче стали. Никель-вольфрам Никель – матрица, вольфрамовая нить – армирующий материал. Это жаростойкий материал. Имеет прочность σв = 700 МПа. Высокая прочность при высоких температурах. Углепласт Углеродные волокна , которые пропитываются связующим – полимерной смолой. 90 После полимеризации смолы получается сверхпрочный материал углепласт σв = 1000 МПа. При этом он чрезвычайно легкий ρ = 1500 кг/см3, легче алюминия, сохраняет прочность при кратковременном нагреве до температуры 2200 ºС . Борноволокнистые материалы Для армирования используют борные волокна. Такой КМ обладают еще большей прочностью σв = 1300 МПа, легкий ρ = 2000 кг/см3, выдерживает длительный нагрев до температуры tраб = 300 ºС. Композиционные материалы благодаря своим уникальным свойствам все более широко используется в самых разнообразных областях. Это современные перспективные материалы, которые востребованы в первую очередь авиационной, автомобильной , ракетной технике. Их стоимость снижается и потому они все шире и чаще используются для изготовления легких конструкций и деталей в строительстве, машиностроении, бытовой техники и т.д.. Контрольные вопросы 1. Какие материалы называют композиционными? 2. Строение дисперсноупрочнёных композиционных материалов. 3. Принципы упрочнения волокнистых материалов. 4. Способы укладки волокон. 5. Преимущества композиционных материалов? 6. Приведите примеры композиционных материалов. 91 Список литературы 1. Шарипов И.З. Физика металлов: учебное пособие для студентов вузов – Уфимский гос.авиац.техн. ун-т, Уфа, 2005 – 89 с. 2. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для студентов вузов под ред. Чередниченко. – 2-е изд. , перераб. – М.: Омега-Л, 2006. – 752 с. 3. Колесов С. Н., Колесов И. С. Материаловедение и технология конструкционных материалов : учебник для студентов вузов– Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 2007 .— 536 с. 4. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова.— 7-е, стереотип..-М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. – 648 с. 5. Материаловедение и технология металлов. Под ред. Фетисова Г.П. – М.: Высшая школа, 2001. – 638 с. 6. Белоус М.В. Физика металлов: Учебное пособие для студентов вузов. – Киев: Вища школа,1986.-343с.:ил.;22см. 7. Ермаков С.С. Физика металлов и дефекты кристаллического строения: Учебное пособие для студентов вузов. – Ленингр. политехн. ин-т им. М.И.Калинина.-Л.:Издво ЛГУ,1989.-271с.:ил.;22см. 8. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. Учеб. пособие для втузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Высш. школа», 1977. 288 с. с ил. 9. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. Учеб.пособие для вузов / 3-е изд., перераб. и доп.-М.:Металлургия, 1983 . – 232 с. 10. Курс материаловедения в вопросах и ответах: учебное пособие для студентов высших учебных заведений / С. И. Богодухов, В. Ф. Гребенюк, А. В. Синюхин. -Изд. 2-е, испр. и доп..-М.: Машиностроение, 2005. – 288 с. 11. Ржевская С. В. Материаловедение: учебник для вузов / -Изд. 4-е, перераб и доп..М.: Логос, 2004. – 424 с. 12. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. —3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990. – 528 с. 13. Журавлева Л. В. Электроматериаловедение: учебник /-2-е изд., стереотип..-М.: Academia, 2004. – 312 с. 92 14. Технология конструкционных материалов. Под ред. Дальского А.М. М.: Машиностроение, 1993. – 448 с. 15. Коровский Ш. Я. Авиационное электрорадиоматериаловедение., М.:«Машиностроение», 1972 – 356 c. 16. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники: Учебник для студ. вузов. 3-е изд. — СПб.: Издательство «Лань», 2001. — 368 с. 17. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учеб. пособие.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. школа. 1991.— 622 с. 18. Лачин В. И., Савёлов Н. С. Электроника: Учеб. пособие. - Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000. — 448 с. 19. Тареев В.М. Электрорадиоматериаловедение. - М.: Машиностроение, 1986- 384 с. 20. Электротехнические и конструкционные материалы. Под.ред.. Филикова В.А – М.: Мастерство: Высшая школа, 2000.– 280 c. 21. Калинин Н.Н., Скибинский Г.Л., Новиков П.П. Электрорадиоматериалы. – М.:Высшая школа, 1981. –294 с. 93 Учебное издание ШАРИПОВ Ильгиз Зуфарович МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Редактор З.Г. Кашаева Подписано в печать 18.04.2008. Формат 6084 1/16. Усл. печ. л. 4,7. Усл. кр.-отт. 4,7. Уч.-изд. л. 4,6. Гарнитура Times New Roman. Тираж 100 экз. Заказ № ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Редакционно - издательский комплекс УГАТУ 450000. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12 94