Размещено на http://www.allbest.ru/

Ток I, протекающий в цепи диода, определятся формулой

, (2.13)

где U - приложенное напряжение, q - заряд носителей, Т - абсолютная температура.

При положительном напряжении ток резко экспоненциально возрастает. При отрицательном - слагаемое будет стремиться к нулю, поэтому график будет стремиться к значению тока, равному - Io. Это так называемый обратный ток p-n-перехода.

· Стабилитрон

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 изолятора, величина приложенного к изолирующему слою напряжения будет иметь некий предел, при превышении которого начнется электрический пробой. При этом обратный ток резко возрастает, что 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 и разрушения кристаллической решетки не происходит. Такой режим работы оказывается вполне устойчивым. На этом участке ВАХ, при изменении тока в больших пределах, напряжение практически постоянно. Поэтому такие приборы 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

~. (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

(2.15)

где S - площадь обкладок конденсатора, d- расстояние между обкладками, -диэлектрическая проницаемость среды.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поскольку d является функцией от напряжения (*), следовательно, и емкость С будет зависеть от приложенного напряжения:

~, (2.16)

Такой прибор, величиной емкости которого можно управлять с помощью напряжения, называется варикап (от английского «vary capacity» - «переменная ёмкость»). На рис.30б. приведен график зависимости емкости от напряжения на варикапе. Его используют в системах автоматической подстройки частоты радиоприемников, телевизоров, регулируемых фильтров и др.

· Светодиод

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 квантов света - фотонов. Таким образом 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если на изолирующий слой направить свет, то в этом p-n переходе при поглощении фотонов будут рождаться пары электрон-дырка. Этот процесс обратный тому, что происходит в светодиодах. Образовавшиеся электроны и дырки под действием электрического 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):

n = n0exp(-Eg/kT)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чем выше температура, тем больше концентрация свободных носителей , а значит тем выше проводимость материала (2.1):

у= nqм

Поэтому эти приборы очень чувствительны к изменению температуры. Терморезисторы используют как высокочувствительные датчики для измерителей температуры и систем терморегулирования.

· Фоторезистор

Кроме температуры изменять концентрацию носителей заряда может так же свет (рис.33.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

При облучении светом энергия фотонов передается электронам и они могут переходить в зону проводимости. Чем больше световой поток, тем больше образуется свободных электронов, тем выше проводимость полупроводника. Т.е. фоторезистор является светочувствительным прибором.

Эти приборы применяются в устройствах автоматического 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.

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.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Приложим к нему некоторую растягивающую силу F. Под действием силы материал удлинился до длины l . Разность длин

?l = l - l0 , (3.1)

называют абсолютным удлинением образца, а отношение

?l/l0 = дl = е , (3.2)

относительным удлинением дl или деформацией образца е.

Если обозначить сечение образца за S, то механическое напряжение у будет определяться отношением

у = F/S , (3.3)

При малых растяжениях между деформацией е и напряжением у существует линейная зависимость:

е = k у, (3.4)

где k - коэффициент податливости,

или

у = E е, (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.

Участок ОА - зона упругости. Здесь зависимость линейна в соответствии с законом Гука. График круто возрастает.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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, 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 у - деформация е. Эта диаграмма имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства материала.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Характерные точки на диаграмме количественно определяют свойства материала:

Наибольшее напряжение (точка А ), до которого материал следует линейному закону Гука, называют пределом пропорциональности уп.

Пределом упругости уу называют наибольшее напряжение(точка У), до которого материал не получает остаточной деформации. На данном участке, если силу растяжения убрать, то образец вернется в первоначальную форму. Если же приложить большую силу, то появится остаточное удлинение образца.

- следующий участок текучести (точка В ) определяет предел текучести ут

- максимально достигаемое значение напряжения (точка С ) характеризует предел прочности или временной предел ув.

- 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 у0,2. Это величина напряжения, при котором величина остаточной деформации образца равна 0,2%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

По виду диаграммы напряжение-деформация различают хрупкие и пластичные материалы. Рассмотренная выше диаграмма характерна для пластичных металлов и сплавов.

Для хрупких материалов диаграмма выглядит иначе (рис.38.). У таких материалов отсутствует участок пластической деформации. При 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 испытательной машины, без разрушения образца.

У хрупких материалов при сжатии наблюдается разрушение, с образованием трещин по наклонным и продольным плоскостям. Но предел прочности на сжатие, как правило, намного больше , чем при растяжении.

2.2 Твердость

Размещено на http://www.allbest.ru/

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:

[Па]. (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() эмпирическим соотношением:

для стали и чугуна ~ 0,4НВ,

сплавов меди и алюминия ~ 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.

2.3 Теоретическая и реальная прочности кристалла

Рассмотрим металлический кристалл, состоящий из положительных ионов и отрицательного газа электронов (рис.41а.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Можно приближенно рассчитать усилие F, которое необходимо приложить к образцу, чтобы его разорвать. Для простоты будем считать, что в узлах кубической кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы, а посередине между двумя ионами сосредоточены электроны. 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 . Тогда притяжение двух зарядов будет определяться силой Кулона:

., (3.7)

Таких пар ион-электрон будет множество. Общая сила притяжения сложится из суммы всех взаимодействующих пар N:

, (3.8)

Число пар N найдем (рис.41б.) поделив сечение образца S на площадь, приходящуюся на один ион (для кубической решетки a2):

, (3.9)

тогда сила взаимодействия равна

. (3.10)

Значит, напряжение определится через

(3.11)

По полученной формуле рассчитаем прочность кристалла железа, подставив параметр кристаллической решетки, известный из эксперимента:

Теоретический расчет дает величину предела прочности ~3,4Па. Однако реально наблюдаемая в экспериментах прочность железе ~2Па. 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.

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.

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?

III. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов

3.1 Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла

неметаллический материал полупроводник конструкционный

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 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.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 холоднодеформированного металла приводит к уменьшению твердости 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 железа 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 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

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. В результате образуется небольшое число очень крупных зерен и множество мелких. Такая разнозернистость снижает механические свойства металлов и является нежелательной.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 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 будет холодной деформацией.

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 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.

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.

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 химико-термической 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим процесс диффузионного насыщения поверхности металла легирующим элементом (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 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.

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Толщина образующегося диффузионного слоя зависит от условий протекания процесса насыщения. Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла, тем больше толщина слоя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рост толщины диффузионного слоя от длительности процесса при неизменных прочих условиях подчиняется квадратичной закономерности (рис.47а.):

, (3.12)

где ф - длительность процесса ХТО

А - константа

А зависимость от температуры, при постоянной длительности процесса и прочих условий, определяется экспоненциальной функцией (рис.47б.):

, (3.13)

где Q - энергия активации диффузии

T - абсолютная температура

k - постоянная Больцмана

B - константа характеризующая протекающий процесс

По названию внедряемого элемента процесс ХТО имеет разные названия:

при внедрении

Бора - борирование,

Хрома - хромирование,

Углерода - цементация, и т.д.

Рассмотрим основные процессы подробнее.

3.3.1 Цементация