Материаловедение в приборостроении

Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Факультет МТ (Машиностроительные технологии) Кафедра МТ8 (Материаловедение) С.А. Пахомова Материаловедение в приборостроении Конспект лекций Электронное учебное издание Москва, 2013 1 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» УДК 620.22 (075.8) ББК 30.3 Рецензент: доцент, к.т.н. Манаев Олег Иванович Пахомова С.А. Материаловедение в приборостроении: конспект лекций. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. 144 с.: ил. Электронное учебное издание содержит сведения о строении и свойствах материалов, фазовом составе сплавов, способах изменения свойств путем воздействия на материалы нагревом, пластической деформацией и химической средой. Особое внимание уделено способам повышения эксплуатационных характеристик материалов приборостроения как функциональных, так и конструкционных. Содержание учебного издания соответствует учебному плану и программе МГТУ им. Н.Э. Баумана для студентов факультета РЛ «Материаловедение в приборостроении» и может быть полезно студентам всех приборостроительных специальностей. Рекомендовано НМС МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронное учебное издание № гос. регистрации 0321300322 Светлана Альбертовна Пахомова канд. техн. наук, доцент Материаловедение в приборостроении 2 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Оглавление Оглавление .....................................................................................................................................3 МОДУЛЬ 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ .....................................................4 Лекция 1. Кристаллические и аморфные вещества....................................................................4 Лекция 2. Влияние сил межатомной связи на свойства кристаллов ......................................11 Лекция 3. Изменение структуры и свойств металлов при пластической деформации ........15 Лекция 4. Формирование структуры материалов ....................................................................26 Лекция 5. Фазы в сплавах ...........................................................................................................32 Лекция 6. Основные типы диаграмм .........................................................................................37 Лекция 7. Термообработка сплавов, имеющих переменную растворимость ........................41 Лекция 8. Диаграмма железо-цементит ....................................................................................46 Лекция 9. Термообработка и основные превращения сплава, обладаюшего полиморфизмом ...........................................................................................................................48 Лекция 10. Химико-термическая обработка и ее воздействие на свойства поверхности ....60 Вопросы для самопроверки по модулю 1 .................................................................................69 МОДУЛЬ 2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ ......................................................71 Лекция 11-14. Магнитные материалы .......................................................................................71 Лекция 15-16. Материалы с особыми электрическими свойствами. Проводники ...............94 Лекция 17. Полупроводниковые материалы ...........................................................................102 Лекция 18. Диэлектрики ...........................................................................................................106 Лекция 19. Конструкционные материалы приборостроения ................................................113 Лекция 20. Стали .......................................................................................................................118 Лекция 21. Материалы с высокими упругими свойствами ...................................................126 Лекция 22. Материалы малой плотности ................................................................................129 Лекция 23-24. Материалы с высокой удельной прочностью ................................................133 Лекция 25-26. Коррозионностойкие материалы .....................................................................143 Вопросы для самопроверки по модулю 2 ...............................................................................150 Основная литература .................................................................................................................153 Дополнительная литература .....................................................................................................153 3 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» МОДУЛЬ 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ЛЕКЦИЯ 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И АМОРФНЫЕ ВЕЩЕСТВА В природе существуют 2 разновидности твердых тел, различающиеся по свойствам: кристаллические тела и аморфные тела. Кристалл - это построение из атомов или молекул, определенным образом расположенных в пространстве. В кристалле элементарные частицы, из которых построен кристалл, сближены до соприкосновения. Кристаллы имеют дальний порядок, когда существует определенное периодическое расположение атомов вдоль любого направления. Остаются твердыми до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении - процесс идет в обратном порядке. Аморфные вещества имеют ближний порядок. При нагреве размягчаются в большом температурном интервале. При охлаждении процесс идет в обратном порядке: из жидко-вязкого состояния такие тела переходят в густо-вязкое и затвердевают. При повторном нагреве или деформации нестабильность аморфных тел проявляется в частичном или полном переходе в кристаллическое состояние. Примером тому может служить помутнение неорганических стекол и оптики. Кристаллические тела Аморфные тела Структура кристаллов В кристаллических материалах свойства кристаллов зависят от структуры. В понятие структуры входят:  электронное строение атомов и характер их взаимодействия в кристалле;  пространственное расположение элементарных частиц;  химический состав, размер и форма кристаллов. В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления, существуют следующие виды структуры:  тонкая структура (изучают электронным микроскопом);  микроструктура (изучают микроскопом); 4 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении»  макроструктура (изучают визуально). В кристалле атомы располагаются на определенном расстоянии друг от друга. Это расстояние определяется взаимодействием сил, действующих в кристалле. Виды взаимодействия атомов и электронов: а) притяжение между ядрами и электронами собственных атомов и электронами соседних атомов; б) отталкивание между ядрами соседних атомов. Расстояние, потенциальной соответствующее энергии термодинамическую и минимуму обеспечивающее стабильность кристалла, называется параметром решетки а. Порядок расположения атомов в кристалле характеризуется кристаллической решеткой. Она образуется при проведении плоскостей через все атомы. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой - это элементарный объем при многократном повторении которого воспроизводится вся кристаллическая решетка. Кристаллические решетки Характеристики кристаллической решетки Для ячейки описания используют элементарной три линейных параметра: а, в, с - расстояние до ближайших атомов по трем осям координат; и три угловых параметра: , ,  - это углы между линейными направлениями. Места, занятые атомами – узлы, пространство не занятое атомами – междоузлия. В идеальном кристалле пустых узлов нет, в нем все частицы соблюдают 5 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» дальний порядок, т.е. существует определенная периодичность расположения атомов вдоль любого направления. Кроме линейных и угловых элементов, используют дополнительные характеристики кристаллической решетки, вытекающие из ее геометрии и отражающие плотность упаковки элементарных частиц в кристалле. k – координационное число – число ближайших атомов, удаленных от данного на равные расстояния (число ближайших равноудаленных соседей), k меняется от 2 до 12. Например, ОЦК – К8 (буква К – кубическая решетка); ГЦК – К12 (в справочниках не пишут тип решетки, а указывают «К»); Гексагональная: ГПУ - плотноупакованная Г12 (с/а=1,633), не плотноупакованная Г6 (с/а >1,633). q – коэффициент компактности – отношение объема частей атомов, входящих в одну элементарную ячейку, ко всему объему ячейки: q = Vат / Vяч. Простой куб: q = 0,52, т.е. половина пространства куба пуста - это поры; ОЦК – q = 0,68; ГЦК – q = 0,74; Гексагональная: плотноупакованная - q = 0,74, не плотноупакованная - q < 0,74. Вывод. Чем больше k и q, тем более плотно упакована решетка. Оставшееся от атомов пространство образует поры, которые бывают: октаэдрические и тетраэдрические. Чем больше поры по размеру, тем больше может поместиться атомов внедрения. В ГЦК: R окт. поры = 0,41  r ат. R тетр. поры = 0,25  r ат. В ОЦК: R тетр. поры = 0,29  r ат. Поэтому в Fe (ОЦК) может поместиться до 0,2 % С, а в Fe (ГЦК) – до 2,14 % это важная особенность, с помощью которой можно управлять свойствами сплавов на основе железа. 6 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Индексы плоскостей и направлений Началом координат служит узел кристаллической решетки. Направление прямой можно задать лишь одной точкой. Координаты направлений выражают целыми числами [UVW] в единицах отрезков а, в, с и заключают в квадратные скобки. Отрицательные значения индекса обозначаются знаком «минус» над индексом. Z _ (010) [111] (111) (010) _ [110] [ 010] y x [110] Положение плоскости в пространстве определяется отрезками, отсекаемыми плоскостью по осям X Y Z. Эти отрезки выражают целыми числами m, n, p. Индексы плоскостей заключают в круглые скобки (mnp). Если плоскость отсекает по осям отрицательные отрезки, то это обозначают знаком «минус» над индексом. Виды решеток Всего существует 230 видов кристаллических решеток. Самые распространенные системы: кубическая и гексагональная. Разновидности кубической решетки: простая и сложные (ОЦК и ГЦК). О степени сложности судят по числу частиц, приходящихся на 1 элементарную ячейку: n = 1 – простая (n = 1/8  8); n > 1 – сложная. n определяется из условия, что элементарная ячейка находится в окружении таких же ячеек. ОЦК (а=в=с, , , = 90°); n = 1/8  8+1=2. ОЦК решетка у следующих металлов: Na, K, Fe, Ti, Zr, W, Nb, Mo. ГЦК (а=в=с, , , = 90°); n = 1/8  8+1/2  6 граней = 4. 7 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» ГЦК решетка у металлов: Al, Cu, Fe, Au, Ag, Pt, Pb. Гексагональная ГПУ (шестиугольная) – состоит из 3-х элементарных ячеек (а =в=с, углы 90 и 120°); n = 1/6  12+1/2  2 + 3= 6. 3 атома располагаются в лунках оснований – в центре. ГПУ решетка у следующих металлов: Mg, Be, Ti, Zr, Zn, Cd. Для описания такой решетки используют систему координат, у которой в нижней плоскости 3 направления (под углом 120°), т.е. всего 4 направления. Монокристаллы и поликристаллы Вещество может состоять из одного кристалла (монокристалл) или множества (поликристалл). Монокристалл обладает анизотропией свойств, вследствие различного расстояния между атомами в разных направлениях. Анизотропия присуща всем свойствам: механическим, электрическим, магнитным. Например, в монокристалле меди: σв = 150  450 МПа; δ = 10  50 % Поликристаллический материал изотропен, т.к. его свойства являются суммой свойств разнонаправленных кристаллов и усредняются. Дефекты кристаллического строения Идеальных кристаллов не существует. В кристаллической решетке множество дефектов и от них напрямую зависят свойства материалов. Поэтому знание дефектов 8 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» кристаллов необходимо для понимания поведения металлов при обработке (особенно при обработке давлением) и эксплуатации. По геометрическому признаку дефекты подразделяют на: точечные (нольмерные); линейные (одномерные); поверхностные (двумерные); объемные (трехмерные). Точечные дефекты Виды точеных дефектов: а) вакансии – пустой узел в кристаллической решетке, б) дислоцированный атом – расположен не в узле решетки, а между узлами (в поре), а также и примесные атомы внедрения или замещения. В зоне вакансии и лишнего атома решетка искажена. Причины возникновения вакансий:  вакансии образуются в результате термического испарения атомов материалов;  в результате облучения (происходит «радиоактивное разбухание»);  при термической обработке (закалке). Причины возникновения дислоцированного атома:  действие внешней силы, в т.ч. электромагнитной! Точечные дефекты оказывают существенное влияние на физико-химические свойства: повышается электросопротивление, снижается коррозионная стойкость и существенно ускоряются диффузионные процессы. Мех. свойства кристалла мало зависят от точечных дефектов при их естественной концентрации. Но если искусственно повысить плотность вакансий (до 5 %), то мех. свойства тоже начинают меняться. Точечные дефекты очень подвижны, не устойчивы (соседние могут аннигилироваться); не наблюдаются в микроскопе (их исследуют по физическим свойствам). 9 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Линейные дефекты Краевая дислокация Винтовая дислокация Линейное нарушение расположения атомов в кристаллической решетке называют линейным дефектом. Линейные дефекты – дислокации – бывают краевые и винтовые. Краевая дислокация – край лишней полуплоскости. Винтовая дислокация – сдвиг атомов по спирали. Вокруг дислокации – область искажения решетки. Мера искажения решетки b – вектор Бюргерса. Он определяет незавершенность контура вокруг дислокаций по сравнению с идеальной решеткой. Энергия, возникающая в области дислокации: E = Gb2/2. Подвижные дислокации могут перемещаться по решетке. Свойства дислокаций: 1) способность к перемещению под действием напряжений и осуществлению пластической деформации; 2) способность к торможению на различных объектах структуры. Причины возникновения дислокаций: 1) неоднородность процесса кристаллизации (напряжения и примеси); 2) механическое воздействие на кристалл (пластическая деформация). Если в реальном металле их ~106 см-2, то после пластической деформации 1012. Дислокации значительно влияют и на физические и на механические свойства металлов. Справа кривая Одинга: зависимость прочности от количества дефектов. 10 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Поверхностные дефекты Поверхностными дефктами принято назыывать зоны с искаженной кристаллической решеткой на стыках отдельных кристаллов, т.е. границы зерен. α - угол между направлениями соседних кристаллов (зерен). Если α > 8°, то границы большеугловые, если α < 8°, то малоугловые. . Энергия границ E =  · S. Границы зерен тоже подвижны, но менее чем дислокации. Чем меньше угол, тем проще движение дислокаций. Границы зерен влияют на мех. свойства: чем больше суммарная протяженность границ (поверхностных дефектов. Вывод. Чем мельче кристаллы, тем выше прочность материала. Объемные дефекты Виды объёмных дефектов: а) трещины; б) поры. Причины возникновения объемных дефектов:  в результате слияния вакансий,  уменьшение объема материала при кристаллизации,  в результате механических воздействий. Влияние на свойства: объемные дефекты ухудшают все свойства материалов. Вывод. Практическое значение дислокаций: прочность реального кристалла и сплава в 1000 раз ниже теоретической прочности вследствие наличия дефектов структуры. В результате становится возможным пластическое деформирование металла (ковка, штамповка и др.). ЛЕКЦИЯ 2. ВЛИЯНИЕ СИЛ МЕЖАТОМНОЙ СВЯЗИ НА СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ Типы связи в кристаллах: 1. Молекулярная 2. Металлическая Возможны и комбинации, но название 3. Ковалентная кристаллу дает та, которая превалирует. 4. Ионная 11 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Тип связи в кристалле определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Молекулярный тип связи (силы Ван-дер-Ваальса) - осуществляется за счет слабых сил мгновенной поляризации. - Возникает между электрически нейтральными частицами: N2, H2, Cl2, H2O, CO2, CH4. При сближении частиц возникают диполи, т.е. образуются мгновенные связи. А + А” + - + -+ - + + -++ + - -+ - + + -++ +++ - ++ - + + + - ++ - Электроны (-) будут сосредоточены в одной части, ионы (+) – в другой. Возникает взаимное притяжение. Каждый атом стремится притянуть как можно больше частиц, т.е. не определенное количество атомов, а произвольное и максимально возможное. Свойства: - ненаправленная связь; - слабые силы связи обусловливают низкие температуры плавления и испарения (у жидкости (H2O) – при комнатной температуре); - низкий модуль упругости (Е) и высокий коэффициент линейного расширения; - такая связь характерна для диэлектриков. Металлический тип связи Возникает между атомами металла и структурными составляющими металлов и сплавов – фазами. При (сближении) взаимодействии происходит перекрытие валентных энергетических зон, образуются свободные электроны, которые принадлежат всем атомам (т. е. электронный газ). Перекрытие оболочек происходит из-за незаполненных внутренних уровней. 12 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Свойства: - металлическая связь – ненаправленная; - кристаллическая решетка: ОЦК, ГЦК и ГПУ: Ni, Ag, Cu, Au, Fe, Pt, Al, Pb; - возможен полиморфизм; - наличие электронных зон обеспечивает очень хорошую теплопроводность и электропроводность (характерная для проводников); - электронная эмиссия (испускание электронов) даже при комнатной т-ре; - положительный коэффициент электропроводности (при нагреве коэффициент увеличивается); - механические свойства: хорошая пластичность (пластическая деформация остается после снятия нагрузки). Ковалентный тип связи Осуществляется за счет обобществления валентных электронов соседними атомами. Характерна для элементов III, IV, V группы таблицы Менделеева: C (алмаз), Si, Ge, Sn и соединениям SiC, AlN. Количество атомов, с которыми данный атом объединяет свои электроны n= 8. Связь очень прочная, для превращения электрона в электрон проводимости нужна дополнительная энергия Е (энергетический барьер) в виде тепла либо света. Поэтому при нагреве проводимость увеличивается, а электросопротивление – уменьшается. Свойства: - это направленная связь с низкой плотностью; - кристаллы с ковалентной связью обладают высокой твердостью, - низкая плотность упаковки (q = 0,34), - высокие температуры плавления и испарения (Тпл алмаза = 5000 °C), - высокий модуль упругости, - низкий коэффициент линейного расширения - ковалентные кристаллы – полупроводники или диэлектрики. Алмаз: не элементарная ячейка (1/8 часть эл. ячейки): а = в = с, k = 4. Графит: слоистая решетка ГП, в которой 1 из 4-х атомов находится на значительном удалении. В плоскости – ковалентные связи, а между основаниями – слабые молекулярные силы Ван-дер-Ваальса. При деформации в 1-ю очередь разрушаются они, 13 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» поэтому у графита низкая твердость. А также большой к-т линейного расширения. Алмазом можно резать стекло, а графитом писать! В графите два типа связей: молекулярная и ковалентная. Ионный тип связи Возникает за счет электростатических сил сближения. Образуется между металлами (малой валентности) и неметаллами (высокой валентности). Металлы отдают свои валентные электроны при сближении, становясь положительно заряженными ионами. Неметалл, принимая электрон, заряжается отрицательно. В результате возникает электростатическое взаимодействие. Na+ Cl-, Mg4+Si4-, Fe2+O2-. Свойства: - связь сильная, ненаправленная, - характерна для диэлектриков или полупроводников; - высокая твердость, повышенная хрупкость, - высокая температура плавления и температура испарения, - высокий модуль упругости. Для ионных кристаллов координационное число определяется соотношением радиусов металлических и неметаллических ионов, т.к. каждый ион стремится притянуть к себе как можно больше ионов противоположного знака. В решетке ионы укладываются как мячи разных диаметров.  неМе >  Ме. Например, ионы кислорода образуют решетку ГЦК, а ионы железа помещаются в порах. Поэтому в ионных кристаллах нельзя выделить пару ионов, которые можно молекулой. Примеры: NaCl, было бы считать FeO. Решетка типа «шпинель» – не элементарная ячейка (1/8 часть), а = в = с. k = 6, определяет число ионов противоположного знака, которые окружают данный ион. При нагреве Ме и неМе расширяются по-разному. Это приводит к полиморфизму соединения (т.е. полиморфизм свойственен не только чистым элементам). Например, шпинельный FeO превращается в Fe2O3 с ромбоэдрической решеткой. От этого зависит коррозионная стойкость железа, которая резко снижается с образованием Fe2O3 при 500 С. Большая плотность упаковки ионов в решетке FeO способствует высокому сопротивлению химической коррозии. (FeO: Fe2O3 : Fe3O4). 14 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Полиморфизм Способность менять кристаллическое строение при изменении температуры или давления, или и того и другого вместе, называется полиморфизмом. Переход от одной решетки к другой – полиморфное превращение. Модификации обозначают начальными буквами греческого алфавита: , , . Им обладают 32 элемента. Например: Fe, Co, Ti, Zr, Sn, U (имеет 3 модификации). (Показать на примере Fe). ОЦК ГЦК Значение полиморфизма: он лежит в основе Fe ОЦК Fe Fe изменения свойств сплавов при термической 911 обработке. 1392 1539 С Например, у сплавов железа и титана можно значительно повысить твердость и прочность, если использовать полиморфные превращения. Благодаря полиморфизму у железа при быстром охлаждении (закалка) твердость повышается в 10 раз, а у алюминия, у которого нет полиморфных превращений, всего на 10 %. Также в некоторых сплавах можно получить явление памяти формы. Некоторые неметаллы также обладают полиморфизмом. К примеру, всем известный углерод: графит – низкотемпературная модификация с гексагональной решеткой, и алмаз – с кубической кристаллической решеткой. Графит – мягкий, алмаз – очень твердый. Более стабильным является графит, поэтому бриллианты со временем могут превратиться в графит. Полиморфное превращение бывает необратимым (алмаз – графит) и обратимым (железо). ЛЕКЦИЯ 3. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ Изменение внешних и внутренних факторов приводит к возникновению в телах остаточных напряжений. Внешний фактор – приложенная сила. Внутренние факторы связаны с изменение структуры. Причины возникновения остаточных напряжений: 1) действие внешней силы; 2) изменение объема при кристаллизации; 3) изменение удельных объемов при полиморфном превращении; 4) разрушение кристаллической решетки под действием радиации. 15 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Остаточные напряжения определяют сопротивляемость материала разрушению. Под воздействием напряжений происходит деформация тел: либо упругая, либо пластическая. Упругая исчезает после снятия нагрузки, а пластическая – остается. Зачем нужна пластическая деформация? 1) Это способ изготовления многих деталей. (Это и прокатка, и обработка давлением, и ковка, и штамповка, и волочение). 2) Позволяет упрочнять металл – до 300 %! Вы должны знать, как технология пластической деформации влияет на структуру и свойства металла.  Р  Fo lo   т  пц в у  , % Характеристики прочности и пластичности А. Прочность Простой и наиболее распространенный метод определения прочности и пластичности – испытание на растяжение. Рассмотрим диаграмму растяжения.  = Р/ Fo [МПа] Пунктир из-за уменьшения истинного сечения по сравнению с Fo. в = Рmax / Fo – временный предел прочности, предельное напряжение. Характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению. Меняется у различных металлов от 50 (у Аl) до 500 МПа. у – пределом упругости называется напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданной малой величины, установленной условиями. Часто используются значения остаточной деформации 0,005; 0,02 и 0,05% Это важная характеристика для пружинных материалов, которые используют для упругих элементов приборов и машин. т – площадка текучести. Площадки может и не быть, тогда это , которое соответствует пластической деформации 0,2 % ( 0,2). пц/ = tg = E – модуль нормальной упругости. Это важная характеристика вещества, она не меняется под действием пластической деформации. Б. Пластичность lо lк 16 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении»  = (lк – lo) / lo  100 % – относительное удлинение; 30-60 % - весьма пластичный материал; 10 % - достаточно для надежности материала.  = (Fo – Fк) / Fo  100 % – относительное сжатие (для стекла). В. Ударная вязкость КСU, КСV, КСТ - это коэффициент сопротивления удару. Характеризует сопротивление материала разрушению при динамических нагрузках по форме надреза образца. Образцы для испытания на удар: 1) с U-образным вырезом 2) с V-образным вырезом 3) с V-образным вырезом и трещиной Это были стандартные характеристики прочности. Все расчеты ведутся ниже т  т / 1,5 (так рассчитывается сечение детали). В справочниках все данные указаны для стандартных образцов – стержней l = 100 мм, S=10 мм2, при комнатной температуре. Механизмы пластической деформации ? Какие напряжения вызывают пластическую деформацию (т.е. сдвиг): нормальные или касательные? Р Касательные! Виды сдвигов: Р А) Скольжение Б) Двойникование В) Межзеренное скольжение Р Р Г) Переползание А) Скольжение Это самый распространенный тип сдвига, присутствует как правило при любом нагружении. Скольжение в монокристалле Чистый сдвиг - это сдвиг в идеальном бездефектном кристалле на одно межатомное расстояние одной части кристалла относительно другой. Теоретически несложно подсчитать количество атомов, которые одновременно сдвигаются и необходимое для этого напряжение кр. = 0,16 G. Но практические измерения показали, 17 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» что в действительности эти напряжения в 1000 раз меньше! Это связано с двумя факторами: 1) благодаря наличию дислокаций, 2) скольжение не связано с диффузией, т.е. нет переноса массы! В реальном кристалле происходит не чистый сдвиг, а эстафетный сдвиг. Механизм Т.О.: пластической деформации – сдвигово-дислокационный. Дислокация легко движется в плоскости, где находится ее дислокационная линия и ее вектор Бюргерса. Пример эстафетного движения - вагоны грузового поезда. В области дислокации существует поле упругих напряжений. В реальном металле плотность дислокаций: 106- 108 на см2. Под влиянием плоскости дислокации перемещаются многие дислокации. Существует два условия их движения. 1 3 ГЦК Первое условие движения дислокаций: 2 4  > расположенные критических. в Сначала благоприятных движутся дислокации, направлениях, затем включаются и другие направления. Второе условие: в первую очередь перемещаются те дислокации, где короче расстояние между атомами (меньше совершаемая работа). Это плоскости наибольшей упаковки (перескакивать легче маленький ров, чем большой). Направления этих плоскостей называются системой скольжения. В ОЦК их 48, в ГЦК – 12  3 · 4 = 12. Если на одной линии несколько дислокаций, то образуется ступенька. Ее видно в микроскоп. Это – линия скольжения. Несколько линий параллельно – полоса скольжения. В монокристалле кремния на полированной поверхности видны ямки травления – это вышедшие на поверхность дислокации. Чем больше таких дефектов, тем хуже качество полупроводников. 18 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Скольжение в поликристалле Поликристаллы бывают однофазные (с малоугловыми или большеугловыми границами) и многофазные. В многофазных – каждая фаза имеет свои системы скольжения и свои критические напряжения (поэтому у сплавов ниже пластичность). Сначала деформируются зерна с благоприятным направлением кристаллических линий, затем уже другие зерна, поэтому при малых степенях пластическая деформация неоднородна (т.е. зерна деформированы по-разному – часть деформирована, а часть нет). При больших степенях – все кристаллы деформированы приблизительно одинаково: кристаллы меняют форму – вытягиваются. Какие кристаллы деформируются в первую очередь? Продолжительная пластическая деформация приводит к росту количества дефектов. С увеличением плотности дислокаций, сопротивление материала сдвигу увеличивается. Объясняется это тем, что затрудняется движение дислокаций. Они взаимно препятствуют перемещению друг друга в кристаллической решетке из-за действия сложных напряжений при движении в разных направлениях. С увеличением степени деформации значительно возрастает плотность дислокаций, так как в процессе деформации возникают, то есть генерируются новые дислокации. Этот генератор называется источником Франка-Рида. Дислокационные петли расходятся как круги по воде. Вывод: пластическая деформация повышает прочность металла, так как затрудняет движение дислокаций. Б) Двойникование Это редкий случай сдвига. Происходит перестройка части кристалла в новое положение - зеркально симметричное к его недеформированной части. Плоскость зеркальной симметрии называется плоскостью двойникования. 19 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Условия двойникования: а) при комнатной температуре двойникование может идти в металлах с ГПУ решеткой; б) в кубических решетках ОЦК(б) и ГЦК(а) (К8 и К12) – при низких температурах или высоких скоростях нагружения (наряду со скольжением). В) Межзеренное скольжение Это смещение одних зерен относительно других. Условия: 1) очень мелкие зерна; 2) двухфазная структура (1:1); 2) малая скорость нагружения; 3) высокая температура. Межзеренное скольжение важно для сверхпластичности! Г) Переползание – это движение вакансий. Условие: подвижность вакансий при t > 0,3 Т пл. Переползание дислокаций происходит обычно при больших температурах и больших временах выдержки под нагрузкой, когда велика диффузионная подвижность атомов. Изменение структуры в процессе деформирования А. Микроструктура Зерна ориентированы в пространстве по-разному. ? В каком зерне первом начнется деформация? В зерне, в котором плоскость наибольшей упаковки расположена под углом 45. Затем более близкие к 45º и т.д. Б. Макроструктура Текстура – это ориентировка кристалла в поликристаллическом теле. Границ зерен нет. Текстура возникает не всегда. Возникновение текстуры зависит от двух факторов: 1) типа кристаллической решетки; 2) вида нагружения – часто при волочении и выдавливании. Например, в шестерне при штамповке. 20 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Текстура возникает в процессе деформации, когда кроме сдвига по плоскостям скольжения происходит поворот плоскостей скольжения в направлении растягивающей силы. Деформация как правило нежелательна. Исключение – трансформаторная сталь. Микроструктура 0% 1-2 % Появление линии скольжения Макроструктура 20 % - 60 % 80 % Волокнистые зерна Текстура Схема структуры металла, подвергнутого обработке давлением: а — волокнистая после волочения проволоки или прутка; б — фильмовая после прокатки листа В. Тонкая структура При пластическом деформировании меняется и тонкая структура – внутри зерен образуется ячеистая структура. Границы ячеек – это скопления дислокаций стенки. Ячеистая структура способствует повышению контактной выносливости, благодаря демпфированию контактных нагрузок. Особенности изменения многофазных материалов В зависимости от вида, размера вторичной фазы и ее количества, возможны 3 варианта: 1) Частицы редкие – с большим расстоянием между ними. В этом случае пластичность не снижается, т.к. дислокации могут их огибать, оставляя петли. 2) Частицы частые – затрудняют движение дислокаций, т.к. блокируют их. Надо увеличивать силу Р. 3) То же, если происходит перерезание крупных частиц. 21 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Схемы перемещения дислокаций в двухфазном сплаве при перерезании частиц второй фазы (а), при образовании дислокационных петель(б): А-А – плоскость движения дислокаций, 1-5 – последовательные стадии перемещения дислокаций Изменение свойств в процессе деформирования При перегибом сгибании гнуть ее проволоки, становится с каждым все труднее: твердость растет, а пластичность падает. Такое изменение свойств при пластической деформации – увеличение твердости и снижение пластичности – называется наклепом. Все, что тормозит движение дислокаций, упрочняет металл! Причинами торможения дислокаций являются: 1) сами дислокации, расположенные в других кристаллических плоскостях, встречающихся на пути ее движения; 2) упругие напряжения, возникающие вокруг каждой дислокации; 3) границы зерен – отталкивают дислокации; 4) частицы вторичной фазы – для преодоления ее влияния нужно увеличение нагрузки. При достижении в дальнейшее деформирование невозможно, так как металл будет разрушаться. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК решеткой. Меняются и другие свойства. С ростом степени деформации: - растет удельное электросопротивление; - уменьшается магнитная проницаемость; 22 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» уменьшается плотность металла. Из-за неоднородности деформации, - различно изменение плотности, поэтому возникают участки сжатия и растяжения; - облегчается коррозия; - появляется анизотропия свойств. Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей. Снижение пластичности при наклепе используют для улучшения обрабатываемости резанием вязких и пластичных материалов (например, у алюминия, меди и их сплавов). ?Можно ли повысить пластичность, если нужно продолжить деформирование? Да. Нагревом. Изменение структуры и свойств при нагреве деформированных металлов Форма детали восстанавливается. не Анализируя кривые, можно сделать вывод о трех процессах: 1 - возврат 2 - первичная рекристаллизация 3 - собирательная рекристаллизация. Возврат может протекать двумя путями: в виде отдыха или полигонизации. Отдых – снятие напряжений на уровне элементарных частиц, в пределах зерен, групп атомов. Твердость при этом не меняется. Уменьшается количество дефектов (аннигилируются соседние +) и напряжения! Полигонизация – это дробление зерна на субзерна (полигоны). Т.к. есть участки сжатия и растяжения, то дислокации уходят из сжатых участков и выстраиваются в стенки. Это и есть границы полигонов. Если началась полигонизация, то рекристаллизация уже не пойдет! Этот процесс может идти не во всех металлах: у меди – нет, у Fe и Al – да. Первичная рекристаллизация начинается после нагрева до некоторой температуры. Это процесс зарождения и роста новых зерен (как при кристаллизации). Решетка не меняется. 23 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Трекр = а х Тпл; чистый металл а = 0,1-0,2 техническая чистота 0,3-0,4 сплавы 0,5-0,6 сплав + карбид 0,7-0,8 Тпл – характеризует природу металла, силу межатомной связи; а – коэффициент, зависящий от чистоты металла. Например, для железа: Тпл = 1539 оС = 273+1539 К; Трекр = (1812 х 0,4) – 273 = 450 оС. Условия рекристаллизации: 1) t > Трек; Тр 2)  >  кр (2-8 %). При структура больших степенях настолько деформации неустойчива,  кр. что , % достаточно низких температур. Изменение микроструктуры в процессе рекристаллизации Возврат, отдых, видимых изменений нет. Появились зародыши новых зерен в местах субмикроскопических участков с ближним порядком. На месте прежних выросли новые равноосные зерна. t < Трекр t = Т нр t = Т кр отдых первый этап рекристаллизации (первичная) Укрупнение зерна при повышении температуры, т.к. термодинамически крупные зерна (форма – соты) более устойчивы. (Покупать лучше крупные апельсины – меньше энергии затрачиваешь на их очистку!) t > Трекр второй этап рекристаллизации (собирательная) На стыке зерен больше вероятность, что в хаосе дефектов найдутся участки с правильным строением атомов и внутренняя энергия там больше. Собирательная протяженности их рекристаллизация. границ и Рост зерен соответственно объясняется сокращением зернограничной энергии (термодинамического стимула роста). Зерно растет за счет поглощения более мелких соседей. При этом происходит спрямление границ и приближение углов к равновесным. До этого этапа лучше не доводить, так как твердость уже низкая, и прочность, и пластичность. А наша цель – вернуть равноосную структуру. Размер зерна имеет большое значение и после рекристаллизации зависит от следующих факторов: 1) температуры отжига, 24 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 2) продолжительности отжига, 3) степени деформации. От скорости охлаждения размер зерна не зависит, если нет полиморфного превращения. Влияние температуры нагрева и продолжительности отжига на величину зерна: чем выше температура и длительнее отжиг, тем крупнее зерно. До кр нет рекристаллизации и зерно не растет, так как некоторое количество дефектов кристалл может как бы «впитать» (дислокации + аннигилируют). Резкий рост при  > кр происходит из-за неоднородности пластической деформации: наличия недеформированных зерен (т.е. термодинамически устойчивых), которые являются зародышами и увеличиваются за счет присоединения атомов из соседних деформированных (неустойчивых). Этот процесс идет вместо образования зародышей новых зерен и их роста. Таким образом, при желании можно вырастить очень крупное зерно (до нескольких сантиметров), можно и почти монокристалл! Например, нить накаливания в лампочках перегорает на границах зерна. Чтобы уменьшить риск, надо уменьшить продолжительность границ, т.е. укрупнить зерно. А лучше – получить монокристалл. Повторив 10 раз (3-4 % деформации + отжиг), получим очень крупное кристаллическое строение вольфрамовой нити. Срок службы лампочек увеличится, при этом сократится их выпуск – одним хорошо, другим (производителям) плохо. В лампах накаливания вообще вакуум, т.к. вольфрам быстро окисляется на воздухе, а оксидная пленка испаряется. Рекристаллизация многофазных сплавов Это более сложный процесс. Особое значение имеет размер частиц вторичной фазы и расстояние между частицами. Чем они ближе, тем больше тормозится миграция границ зерен. Рекристаллизация затрудняется и поэтому возрастает температура и время процесса. Если частиц мало и расположены они далеко друг от друга, их роль незначительна. Тормозящее влияние дисперсных частиц вторичной фазы на рекристаллизацию успешно используют в промышленности для увеличения рабочих температур. 25 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Холодная и горячая деформация Т деф. < Трек - холодная деформация; Т деф. > Трек - горячая деформация. Например, для железа это Т деф. > 460 С, а для олова - Т деф. > 20 оС. ? Возможен ли наклеп при горячей деформации? Нет! Наклеп снимается одновременно с протекающей рекристаллизацией. Вот почему невозможно упрочнить олово. Сверхпластичное состояние Оно проявляется при горячем деформировании (Т > 0,5Тпл) у двухфазных металлов с ультрамелким зерном до 10 мкм (1:1, тогда максимальная сумма границ). Это эвтектические или эвтектоидные смеси. При низких скоростях деформирования металл течет равномерно, не упрочняясь, благодаря сочетанию зернограничного скольжения и обычного скольжения внутри зерна. Пример – из сплавов титана, свинца изготавливают детали сложной формы с деформацией до 1000 %. ЛЕКЦИЯ 4. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ Формирование литых материалов Переход металлов из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Вторичная кристаллизация – это изменение (образование) новых кристаллов в твердом веществе (из твердой – новая твердая фаза). Например, а) полиморфное превращение Fe в Fe и б) рекристаллизация. Процесс любой кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов: 1) зарождение кристаллов; 2) рост кристаллов. Самопроизвольная кристаллизация Несамопроизвольная кристаллизация (на имеющихся готовых центрах) Самопроизвольная кристаллизация Это процесс, который происходит в веществах под действием естественных механизмов без постороннего вмешательства. В природе существует принцип минимума свободной энергии: при заданной температуре из всех возможных состояний вещество 26 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» будет стремиться перейти в то агрегатное состояние свободная энергия которого минимальна. Любое состояние характеризуется вещества термодинамическим потенциалом G. Снижение G – движущая сила любого процесса. кристаллизация Самопроизвольная обусловлена стремлением жидкого металла перейти в более устойчивое состояние, а у твердого металла внутренняя энергия меньше. С повышением температуры, Gж и Gтв уменьшаются. Тр – температура при Gж = Gтв – называется равновесной Т,  V 2 V 1 ж  тв. Т1 Т2 Тр Т кр1 температурой Q кристаллизации. Это теоретическая температура кристаллизации. Реальная кристаллизация может 2 1 время идти, если Gтв < Gж, т.е. при переохлаждении до температуры Т < Тр. Плавление - наоборот: при Т > Тр, т.е. при перегреве. При Т = Тр кристаллизация начаться не может. Так как у жидкого металла – ближний порядок атомов с большей внутренней энергией, чем у твердого металла со структурой дальнего порядка, то при кристаллизации выделяется теплота Q. Она различна у разных металлов – в зависимости от сил межатомной связи. Например, у Na, К – 2,5, у W – 20 кДж/моль. Q компенсируется отводом тепла. Так, например, при выпадении снега становится теплее! На кривой охлаждения процессу кристаллизации соответствует прямой участок. Т1= Тр – Ткр. – степень переохлаждения. Обычная степень переохлаждения равна 1030 о С. Если V2 > V1, то и Т2 > Т1. И площадка короче по времени 2 < 1. Вывод: Чем больше Vохл., тем меньше температура кристаллизации. Появление зародышей кристаллов В жидком состоянии атомы перемещаются беспорядочно, поэтому могут образовываться группировки близкие к кристаллическому строению. При Т > Тпл. они не устойчивы. При переохлаждении некоторые из них становятся 27 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» устойчивыми и способными к росту. Это и есть центры кристаллизации (зародыши). Эти участки разного размера. Не каждый способен к росту в кристалл, лишь тот, который имеет размер R > Rкр. Для большинства металлов Rкр ~ 10 атомных диаметров. Рост зерна идет по направлениям наибольшей упаковки решетки – там прочнее связи. Параметры кристаллизации: 1) скорость зарождения – С.З. (в единицу времени в единице объема); 2) скорость роста зародышей – С.Р. (увеличение линейного размера в единицу времени). И 1) и 2) зависят от температуры (подвижность атомов). а) при Тр - (равновесная температура, Т=0), С.З. и С.Р. = 0 – кристаллизации нет. б) Т1 (мала) - С.З. – мала, С.Р. – несколько больше С.З., поэтому структура крупнозернистая, а продолжительность кристаллизации - большая. в) Т2 (большая) - С.З. и С.Р. – большие, поэтому: структура – мелкозернистая, а процесс кристаллизации – быстрый! г) При очень большом переохлаждении СЗ может упасть до нуля. Металл переходит в аморфное состояние. Медленное охлаждение – реализуется в формы с малой теплопроводностью (шамотные, песчаные). Быстрое охлаждение – в металлические формы, водоохлаждаемые, с маленькой толщиной стенок отливок. Несамопроизвольная кристаллизация В реальных условиях процессы кристаллизации и характер структуры зависят от имеющихся готовых центров кристаллов. Центрами служат: 1) тугоплавкие частицы оксидов, интерметаллидных соединений, примесей; 2) стенки формы. Наличие центров уменьшает размер кристаллов. Другая возможность уменьшить размер кристаллов – искусственно: поместить в жидкий металл перед разливкой посторонние частицы - этот процесс называется модифицирование. Есть два модификаторы вида создают модификаторов: объемные дополнительные 28 центры Оглавление и поверхностные. кристаллизации. Объемные Для железа Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» модификатор – вольфрам. Поверхностные модификаторы прилипают к поверхности кристалла, препятствуя росту новых кристаллов. Для железа модификатор – бор. У модификаторов более высокая температура плавления, чем у основного металла, а напряжения на границе раздела между посторонними включениями и зародышем зерна меньше, чем поверхностное натяжение на границе раздела «родного» зародыша и жидкой фазы (из-за когерентности последних). Форма кристаллов и строение слитка Рост зерна происходит по дендритной (древовидной) схеме. Особенностями являются максимальная скорость роста кристаллов: 1) по плоскостям и направлениям с наибольшей плотностью упаковки; 2) в направлении обратном отводу тепла. В последнюю очередь затвердевает жидкость между осями. Поэтому, если недостаточно металла – например в усадочной раковине вверху слитка, - дендритную структуру кристалла хорошо видно. Таким образом и была установлена закономерность его роста. Дендриты растут до соприкосновения друг с другом. На границах накапливаются примеси, поры, дефекты строения. Если есть направленность отвода тепла, образуется вытянутый (столбчатый кристалл). Если нет – при равномерном охлаждении – равноосный кристалл. Получение монокристаллов и их свойства Преимущества монокристаллов: в монокристалле нет границ зерен и поэтому – минимум структурных несовершенств! Это особенно важно для свойств приборов, так как процессы на границах зерен вызывают неконтролируемые изменения электрических и магнитных свойств. Метод Бриджмена: Условия: Температура в печи равняется (Тпл + 50) С; скорость линейная и угловая, угол конуса тигля. Тигель с коническим дном. В нем образуется зародыш, преимущественное направление которого совпадает с направлением движения. Рост остальных кристаллов подавлен. Скорость движения тигля меньше скорости кристаллизации сплава. 29 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Метод Чохральского. Условия: Температура в печи равняется (Тпл + 50) С; скорость линейная и угловая. Максимальное качество – в космосе: вакуум + невесомость. Получение аморфных металлов и их свойства Такую структуру могут иметь: 1) легкоплавкие металлы (Sn, Pb, Al); 2) переходные металлы (Fe, Co, Cr); 3) редкоземельные металлы; 4) сплавы со сложным составом Ме80А20: А – аморфизаторы: B, C, Si, P, S (чтобы мешать кристаллизации). Например: Fe70Cr10P15B5; Fe40Ni40S14B6. Аморфные металлы образуются при очень высокой скорости охлаждения: более 106 /с. При этом диффузионные процессы замедляются: подавляется и образование зародышей, и рост кристаллов. Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной жидкости: атомы оказываются замороженными в тех положениях, которые они занимали в жидкости. Такую скорость охлаждения можно осуществить разными способами, получая материал разной формы: фольга лента порошок проволока - катапультировать капли жидкого металла на холодную поверхность; - подавать струю металла на внутреннюю или внешнюю поверхность быстро вращающегося барабана (который изготовлен из металла с высокой теплопроводностью; прокатать струю металла между холодными валиками с заданной толщиной; распылять струю газом или жидкостью (получается). Аморфный порошок можно компактировать (порошковая металлургия); получить методом Тейлора сразу в стеклянной оболочке Можно получить тонкие аморфные пленки на поверхности обычных металлов: - расплавлением поверхности лучом лазера (несколько мкм). Отводит тепло сам металла; - осаждением из газовой среды (на водоохлаждаемый металл); - электролизом; - катодным распылением. 30 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Свойства аморфных металлов: 1. Очень хорошее сочетание прочности, твердости и пластичности, т больше в 2 раза: до 4500 МПа (у стали до 2500 МПа). 2. Высокая износостойкость, коррозионная стойкость – в 3-4 раза. 3. Высокая усталостная прочность. Трещины не образуются, так как вязкость приближается к вязкости жидкости. 4. Высокое удельное электросопротивление – в 3-4 раза выше обычного. Важно уникальное сочетание высоких  и HRC. 5. Аморфные магнитомягкие материалы имеют высокую магнитную проницаемость, узкую прямоугольную петлю гистерезиса (очень малые потери на перемагничивание), Нс равен доли эрстед. При этом магнитные свойства стабильны во времени. Магнитные характеристики можно улучшить в магнитном поле. Преимущества аморфных металлов связаны с отсутствием кристаллической решетки. У них нет кристаллической анизотропии, отсутствуют границы зерен и другие дефекты структуры. Недостатки: 1) главный – это состояние нестабильно и при определенной температуре (при Т > 0,5Тпл.) или давлении аморфная структура переходит в кристаллическую, 2) малый размер заготовок, 3) низкая свариваемость, 4) высокая стоимость. Применение: Элинвары: сейсмодатчики, датчики скорости, весы, часовые механизмы, пружины, мембраны;  Армирование трубок высокого давления; высокопрочные композиты;  Кабели в морской воде;  В сердечниках – потери в 20 раз ниже;  Магнитозаписывающие головки: аудио и видео;  Сверхпроводящие кабели и т.д. (Кабели экранированы аморфными лентами по спирали для защиты от внешних магнитных полей, которые наводят в кабелях паразитные токи). 31 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» ЛЕКЦИЯ 5. ФАЗЫ В СПЛАВАХ Большую часть материалов, применяемых в промышленности, составляют не чистые металлы, а сплавы. Сплав – это сложный по химическому составу материал, содержащий несколько компонентов. Сплав может состоять из металлов (Fe-Ni), а также металлов и неметаллов (Fe-C). Основные способы получения сплавов:  Смешивание расплавов;  Порошковый метод;  Напыление в вакууме;  Лазерное вжигание;  Электролиз и т.д. Сплавы могут быть однофазные и многофазные. Фаза сплава – часть объема вещества со своей кристаллической решеткой и свойствами, ограниченная поверхностью раздела, при переходе через которую скачком меняется структура, химический состав, свойства вещества. Различают 3 разновидности фаз: 1) чистые компоненты; 2) твердые растворы; 3) промежуточные фазы. Твердые растворы Твердые растворы - фазы, в которых атомы одного компонента располагаются в кристаллической решетке другого (растворителя). Всегда имеют переменный состав и решетку растворителя. Атомы растворяемого элемента меняют параметры решетки, искажают ее. Твердые растворы существуют в определенном интервале концентраций. Различают следующие виды твердых растворов:  твердые растворы внедрения,  твердые растворы замещения. Также твердые растворы делят на:  растворы с ограниченной и неограниченной растворимостью,  упорядоченные и неупорядоченные растворы,  растворы переменного и постоянного состава. В твердых растворах внедрения свойства меняются более значительно, чем в твердых растворах замещения. Условия образования твердых растворов внедрения:  32 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении»  , где Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной растворимости. Твердые растворы замещения могут быть и ограниченной и неограниченной растворимости. Твердые растворы с неограниченной растворимостью образуются у компонентов с близкими размерами атомов и одинаковой кристаллической решеткой. Например, Au-Cu, Ni-Cu, Fe-Cr. Условия неограниченной растворимости:   Многие твердые растворы замещения могут находиться в упорядоченном состоянии, когда разносортные атомы располагаются не хаотично, а в строгом порядке – слоями. Упорядоченный сверхструктура твердый образуется раствор при или следующих условиях:  при низкой температуре,  при медленном охлаждении,  соотношении компонентов АВ или АВ3. Например, в сплаве Au-Cu упорядочение заключается в выстраивании составляющих компонентов слоями. Оно приводит к значительному изменению свойств:  возрастает электропроводность;  повышается прочность;  снижается пластичность;  некоторые сплавы становятся из немагнитных магнитными. Промежуточные фазы Главное отличие промежуточных фаз от твердых растворов - у них формируется своя собственная решетка, отличная от решеток компонентов. Это фазы переменного 33 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» состава АxВy или постоянного АmВn. Свойства фазы резко отличаются от свойств компонентов. К примеру, железо, имеющее решетку ОЦК и твердость примерно 80 HB, соединяясь с углеродом в виде графита или алмаза, образует карбид железа Fe3C, который имеет сложную кубическую решетку и твердость 800 HB. В промежуточных фазах обычно смешанная межатомная связь, что приводит к сочетанию в них свойств металлов и неметаллов: от металлов – блеск и электропроводность, от неметаллов, ионной или ковалентной связи – повышенная твердость, хрупкость. Виды промежуточных фаз 1. Фазы с ионным типом связи Пример – оксид железа FеО. Имеет структуру с большим дефицитом металлических ионов, тогда как все кислородные узлы заняты, что определяет полупроводниковые свойства. Большая плотность упаковки ионов в решетке способствует высокому сопротивлению хим. коррозии. 2. Фазы с ионно-ковалентным типом связи Пример – сульфид цинка ZnS. Такие фазы обладают полупроводниковыми свойствами. 3. Фазы внедрения Их образуют H, В, С и N с переходными металлами. Это гидриды, бориды, карбиды и нитриды. Этим фазам свойственна металлическая или ковалентная связь, которая обуславливает высокую твердость. Это тугоплавкие соединения. 4. Электронные соединения Такие фазы обычно являются упрочняющими фазами. Примеры: CoAl, CoZn3, Ag5Cd8. 5. Фазы Лавеса Их образуют переходные металлы. Фазы имеют стехиометрию типа АВ2 (NbFe2, MoFe2, TiCr2) присутствуют в структуре некоторых жаропрочных сплавов и способствуют их упрочнению. 6. Сигма-фазы Это металлические соединения (Ni-Cо, Fe-Cr). Они находятся на границах зерен и охрупчивают сплав, снижают свойства. 34 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ Диаграмма состояния – график, описывающий изменение структурного и фазового состава сплава при изменении температуры. Диаграммы состояния строятся в координатах температура – химический состав. Именно состав фаз и их количественное соотношение определяют свойства сплавов! Диаграмма состояния позволяет:  определить оптимальную температуру заливки при литье,  оценить возможность обработки давлением,  определить режим термической обработки,  определить состав полупроводника и жидких кристаллов. Построение диаграммы состояния двухкомпонентного сплава Ликвидус 1 Ж жА 2 А В Солидус Для чистых Ме Диаграммы Экспериментальное сплав 1 состояния Сплав 2 строят построение 100 % А экспериментальным возможно потому, или что 100 % В расчетным фазовые путем. превращения сопровождается изменением механических свойств, изменением плотности , изменением объема V (в критических точках). Например, компоненты А и В полностью растворяются друг в друге → . Для построения диаграммы надо взять ряд сплавов и определить температуру начала и конца кристаллизации. Их определяют по кривым охлаждения. Верхняя линия называется ликвидус, солидус – линия конца кристаллизации. Область между ними – температурный интервал кристаллизации. Эти линии разделяют диаграмму на области с различным фазовым составом: ж, ж+, . Фаза  является твердым раствором с неограниченной растворимостью, поэтому такая диаграмма называется диаграммой неограниченной растворимости. Существует несколько основных типов диаграмм состояния сплавов металлов. Типовые диаграммы состояния классифицируются по образующимся фазам. 35 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Правила анализа диаграмм 1. Правило фаз (правило Гиббса) – указывает какое число фаз может одновременно существовать в системе. С–1=К–Ф - С – число степеней свободы, т.е. число внешних и внутренних факторов, которые можно менять, не нарушая равновесия, т.е. фазового состава. Под внешними К=1 С=1 ж Ж А К=2 Ж А С=0 Ф=2 факторами подразумевают давление Р и температуру t. Т.к. С=1 Ф=2 Р=const, введена «- 1» (- 1 вариант); внутренний фактор – концентрация. - К – число компонентов. - Ф – число фаз, участвующих в превращении. В однокомпонентной системе Фmax=2 (при С=0, tпл.=const). Если С=1 меняется температура, то Ф=К=1. В двухкомпонентной системе Фmax=3 (при С=0, т.е. при определенном составе и т-ре). Если Ф > 3, то сплав не находится в равновесии. 2. Правило концентраций - определяет хим. состав фаз, участвующих в превращении. N Для этого через точку сплава N, которая отвечает определенной концентрации и температуре, проводят коноду – горизонтальную линию до пересечения с границами фазовой области. Проекция точек пересечения на ось концентраций и определяет хим. состав фаз: а - В% в А a’ c в’ B ж.; в - В% в . 3. Правило отрезков (правило рычага) – определяет количественное соотношение фаз (по массе). Точка сплава N делит коноду на два отрезка, пропорциональные количеству присутствующих в фазовой области фаз (противолежащих отрезкам): t1 t2 к Ж K Ж+ N l  L По мере кристаллизации, состав расплава меняется по линии ликвидус, а  - по линии солидус. Значит, первые оси кристаллов обогащены компонентом В, но содержали 36 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» малое количество компонента А. Неоднородность зерна по хим. составу называется дендритной ликвацией. В реальных условиях дендритная ликвация остается, если не проводить отжиг, и чем больше интервал кристаллизации, тем сильнее выражена дендритная ликвация. При последующих технологических операциях она приводит к анизотропии свойств. ЛЕКЦИЯ 6. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДИАГРАММ 1. Диаграмма состояния для компонентов, ограниченно растворимых в твердом состоянии и образующих эвтектику Возможны два типа задач:  провести фазовый анализ,  провести структурный анализ. Для фазового анализа применяем правило концентраций. Очевидно, структура сплавов 1…6 различна, так как они испытывают различные превращения. Для определения структуры нужен структурный анализ – построение кривых охлаждения, для чего необходимы все три правила. Сплавы 1 и 6 кристаллизуются точно так же, как и в предыдущей диаграмме, в них образуются твердые растворы  или . Предельная растворимость определяется линиями CK (переменная – зависит от температуры) и EL (не изменяется). Сплав 2. Строим кривую охлаждения: критические точки сносим на ось температур. После полного затвердевания в точке 2’, состав  не меняется до точки 3’. Дальнейшее охлаждение ведет к уменьшению концентрации В. Содержание В уменьшается за счет того, что В выпадает в виде включений. Эти выпадающие кристаллы  называют вторичными (вторичная кристаллизация – из твердого раствора, а не из расплава) и обозначают . Конечная структура сплава 2 37 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» состоит из 2-х фаз: +. Состав  остается постоянным;  - твердый раствор переменной концентрации в зависимости от температуры. Сплав 3 – доэвтектический. Эвтектической реакции предшествует выделение кристаллов  из расплава. Сплав 4. Этот сплав называется эвтектическим (в переводе с греческого – «легкоплавкий»). Он кристаллизуется с одновременным образованием 2-х твердых фаз определенной концентрации. Смесь этих двух фаз называют эвтектической. Эвтектическая реакция протекает при постоянной температуре и постоянном составе. Обычно эвтектика имеет вид чередующихся пластин и образует колонии. Принято считать эвтектику одной структурной составляющей, с присущими ей свойствами (хотя необходимо помнить, что она состоит из двух фаз. Сплав 5 – заэвтектический. Эвтектической реакции предшествует выделение кристаллов  из расплава. 2. Диаграмма состояния сплавов компоненты, которой ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют перитектику Сплав 2 – перитектический: ж+   - новая твердая фаза. Фаза, выделившаяся ранее, и окружающая ее жидкость превращаются в другую фазу. 3. Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов Эти сплавы имеют большое практическое значение, так как благодаря полиморфному превращению при термической метастабильное состояние с новыми свойствами. 38 Оглавление обработке можно получить Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 4. Диаграмма состояния сплавов компоненты, которой нерастворимы друг в друге и образуют промежуточную фазу постоянного состава Эту диаграмму можно представить как две диаграммы: 1) А – AmBn, 2) AmBn – B. Эвтектические превращения: 1) Ж  А + AmBn, 2) Ж AmBn + B. 5. Диаграмма состояния сплавов с полиморфным компонентов и эвтектоидным превращением 39 Оглавление превращением 2-х Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Из анализа диаграммы видно: после кристаллизации структура всех сплавов – твердый раствор , который испытывает эвтектоидное превращение. Эвтектоидным называется превращение, происходящее при постоянной температуре и состоящее в превращении одной твердой фазы эвтектоидной концентрации в две твердые фазы: В связи с переменной растворимостью компонента, в твердом растворе  выделяются вторичные кристаллы , и наоборот. Связь свойств сплавов с диаграммами состояния Свойства сплавов определяются их фазовым составом. Эти закономерности открыты Курнаковым. Для систем с непрерывными твердыми растворами – зависимость свойств от состава фаз изображается кривой линией с максимумом на 50 %, а для двухфазных смесей – прямой линией. Эти закономерности указывают на то, что у твердых растворов свойства (твердость, электросопротивление, коэрцитивная сила) всегда превосходит свойства исходных компонентов. Они максимальны у сплава с 50 %-ным содержанием компонентов. Твердые растворы благодаря однофазности обладают высокой прочностью в сочетании с хорошей пластичностью. Широко используют их высокие технологические свойства: хорошую обрабатываемость давлением – они относятся деформируемых сплавов. Литейные свойства у твердых растворов невысокие. 40 Оглавление к группе Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Наилучшими литейными свойствами обладают эвтектические сплавы из-за наилучшей жидкотекучести. Они относятся к группе литейных. Используются для фасонного литья. Промежуточные фазы АmВn обладают высокой твердостью и хрупкостью (карбиды, нитриды, бориды). Закономерности Курнакова являются основой для разработки состава сталей с заданными свойствами. Таким образом, по диаграммам состояния для любого сплава можно определить: 1) превращения при охлаждении, а значит и конечную структуру; 2) выбрать вид ТО и ее режимы; 3) оценить жидкотекучесть и определить оптимальнуюю т-ру заливки при литье; 4) оценить возможность обработки давлением. В зависимости от превращений в твердом состоянии, при нагреве для термической обработки, существуют три возможные ситуации:  в сплаве нет никаких превращений вплоть до т-ры плавления;  в сплаве есть переменная растворимость;  при нагреве в сплаве происходит полиморфное превращение, т.е. меняется кристаллическая решетка. ЛЕКЦИЯ 7. ТЕРМООБРАБОТКА СПЛАВОВ, ИМЕЮЩИХ ПЕРЕМЕННУЮ РАСТВОРИМОСТЬ У этих сплавов есть упрочняющая обработка: закалка + старение Фазовый анализ Любая термообработка проводится ниже линии солидус. 41 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» of – линия переменной растворимости – чем выше температура, тем больше атомов могут раствориться. Это твердый раствор замещения. Структурный анализ Исходная структура после литья: (K + AmBn). Свойства: грубые включения или разорванная сетка по границам зерна снижают пластичность и придают хрупкость. Превращения в сплаве при нагреве: (K + AmBn)  x. По мере увеличения температуры, количество фазы AmBn уменьшается,  обогащается элементом В. Отжиг и закалка Превращения в сплаве 2 при охлаждении: Медленное Это перекристаллизационный отжиг, его цель: измельчение зерна и охлаждение: равномерное распределение вторичных фаз. x  Свойства после отжига: высокая пластичность, низкая прочность, (K+ AmBn) отсутствие хрупкости. Быстрое Это закалка – нагрев до температур максимального растворения охлаждение: вторичных кристаллов, выдержка для выравнивания концентраций x  x твердого tзак. диффузионные процессы и образование вторичных фаз (V > Vкр). Ее tкомн. (пересыщенный раствора и быстрое охлаждение, подавляющее цель – получение неравновесной структуры. твердый Свойства: повышенная твердость (примерно 10 %. В сталях раствор) упрочнение гораздо больше из-за полиморфного превращения!); хорошая пластичность из-за однофазного состава. Поэтому эти сплавы подвергают ковке, штамповке и гибке в закаленном состоянии, в отличие от стали. Упрочнение снижает вязкость, поэтому резание производят после закалки. Старение Старение – это нагрев закаленного сплава, имеющего структуру пересыщенного твердого раствора. Цель – повышение твердости и прочности. Время выдержки при старении 1-10 ч. Все процессы, протекающие при старении, обусловлены неравновесным состоянием закаленного сплава. 42 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Старение по условиям проведения бывает естественным и искусственным. Естественное старение проходит при естественном вылеживании деталей (например, у Al сплавов это 5-7 суток; при этом прочность повышается в 2 раза!). Такой эффект обнаружил ученый Вильм. Не все сплавы склонны к такому упрочнению, либо оно реализуется за годы. Старение – диффузионный процесс. Поэтому оно ускоряется при нагреве. Нагрев для искусственного старения - ниже линии КСЕ. Изменения в структуре: из неравновесного твердого раствора выделяется фаза AmBn. Так как эта фаза имеет свою собственную кристаллическую решетку, ее образование требует диффузионного перемещения атомов и происходит в несколько стадий: 1) зоны Гинье-Престона (ГП) (эти зоны обнаружили Гинье и Престон независимо друг от друга); 2) метастабильные фазы (МФ); 3) стабильные фазы AmBn. 1 стадия – образование зон ГП. Атомы скапливаются в зоны, обогащенные «В». Если атомы различаются диаметрами значительно (например, Al и Cu) – это будут диски, а если размеры атомов близки, то форма зон сферическая 20-50 мкм (10-30 периодов). Из-за разницы в размерах атомов, решетка вблизи зон искажается, образуются поля упругих напряжений. При нагружении эти поля мешают движению дислокаций. Так повышается прочность и снижается пластичность. Чем больше пересыщение твердого раствора, тем больше возникает зон, тем выше прочность. Размеры зон зависят от температуры: выше температура, крупнее зоны. 2 стадия – образование метастабильных фаз (нестабильных). Фаза имеет решетку, как правило, отличную от решетки твердого раствора. Если у твердого раствора решетка кубическая, то у метастабильной – тетрагональная (в плоскостном изображении – прямоугольник). Особенность метастабильной фазы – собственная решетка, когерентная решетке матрицы. Это означает наличие общих кристаллических плоскостей. Граница может быть также и полукогерентной! Но в том и другом случае, возникают искажения решетки и поля упругих напряжений, которые при нагружении материала будут препятствовать движению дислокаций, т.е. вызывают упрочнение материала. Пластичность при этом снижается. 43 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 3 стадия – образование стабильных фаз в результате разрыва когерентности и образования границы раздела. В этом случае упрочнение связано с наличием внутри  твердого раствора другой кристаллической решетки (у стабильной фазы иной строй атомов). Существующая поверхность раздела вызывает торможение дислокаций. Затрудняется перемещение дислокаций и внутри новой фазы из-за разного строения. Но искажение решетки отсутствует, поэтому общее упрочнение становится меньше. Порядок появления фаз не всегда последовательный. Это конкурирующие процессы и реализация того или иного будет зависеть от трех факторов: 1) температура старения, 2) время, 3) степень пересыщения. Для образования зон ГП необходима минимальная энергия активации. А чем больше температура нагрева, тем больше внешняя энергия и больше вероятность образования метастабильных и стабильных фаз. Аналогично и при большей степени пересыщения – проще образование стабильных фаз. Кинетические кривые старения Это кривые изменения свойств (обычно НВ) от времени старения для разных температур старения. Они строятся экспериментальным путем. 1 - образование зон ГП; 2–образование метастабильной фазы(МФ); 3 - образование стабильной фазы AmBn; t0 - инкубационный период. Инкубационный период – время накопления энергии активации диффузионного процесса. Максимальное упрочнение достигается при образовании зон Гинье-Престона или метастабильной фазы. Значение имеет величина зон: если метастабильная фаза крупная, то основное упрочнение связано с зонами ГиньеПрестона. При больших выдержках достигается максимум упрочнения, после которого, если температура достаточна для образования стабильных фаз, сплав разупрочняется. Это явление перестаривания. 44 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Чем выше температура старения, тем быстрее достигается максимум упрочнения, так как ускоряются диффузионные процессы. При Т3 и Т2 разупрочнение связано с образованием стабильных фаз, а при Т1 – с коагуляцией (укрупнением) частиц. Коагуляция (коалесценция) осуществляется через твердый раствор. Мелкие (возникающие позже) и менее стабильные частички растворяются, образуя зоны повышенной концентрации легирующего компонента, из которых легирующие элементы диффундирует к более крупным частичкам. При этом структура становится более стабильной, а термообработка, приводящая к ней, называется стабилизацией. ? Имеет ли практическое значение такая не упрочняющая ТО? Она имеет значение, если деталь работает при высоких температурах. Ее проводят для стабилизации размеров детали и для повышения коррозионной стойкости. Уровень упрочнения сплавов при старении зависит от состава сплава. Не повышается твердость у однофазных твердых растворов. Далее твердость возрастает с увеличением количества легирующего элемента и соответственно количества частичек. НВ Снижение твердости происходит из-за уменьшения доли твердого раствора (который только и может упрочняться) и увеличения доли вторичных фаз (по правилу отрезков). Многие сплавы упрочняют термообработкой: закалка + старение. Это сплавы на основе: Al, Mg, Cu, Ni, Co. А также стали: мартенситно-стареющие и аустенитные. ? Можно ли придать этим сплавам еще большую твердость? Можно, пластической деформацией. Но проводить ее надо после закалки, а Тстар. < Т рекр. Максимальное упрочнение получится после обработки: закалка + пластическая деформация + старение. 45 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» ЛЕКЦИЯ 8. ДИАГРАММА ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ Диаграмма Fe-Fe3C является частью диаграммы железо-углерод. Фазовый анализ:  Ж – расплав Твердые растворы внедрения. Они требуют определенных междоузлий.  Fe(С) – феррит, обозначение – Ф или  (max 0,02 % С); Fe (С) - Ф (max 0,1 % С). В ОЦК размеры междоузлий малы. По свойствам – почти чистое железо: мягкая пластичная фаза; ферромагнитная! – до 768 С (точка Кюри).  Аустенит - Fe ГЦК – поры в 1,5 раза больше, поэтому % С до 2,14. Свойства: пластичная фаза, прочнее Ф (так как больше углерода); немагнитная фаза.  Промежуточная фаза Fe3C – цементит. Решетка ромбическая. Свойства – чрезвычайно хрупкая, твердая, слабо ферромагнитная фаза.  В отдельных сплавах (в чугунах) может присутствовать свободный углерод в виде включений графита. Изотермические превращения 1) HJB (1499 С) – перитектическое превращение. Точка I – перитектика. Это превращение состоит во взаимодействии ранее кристаллизовавшейся твердой фазы (Ф) с 46 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» окружающей жидкостью («пери» – вокруг). В результате образуется новая твердая фаза: Фн+ЖвАI. Необходимое условие: исходные фазы должны иметь определенное соотношение: Фн/Жв= IB/HI. 2) ECF (1147 С) – эвтектическое превращение. Точка С – эвтектика. Встречается только в чугунах. Превращение претерпевает фаза над эвтектической точкой: ЖсЛАЕ+Ц - это ледебурит. Имеет сотовое строение. Свойства: твердый и хрупкий. 3) PSK (727 С) – эвтектоидное превращение. Точка S - эвтектоид. Фаза претерпевающая превращение, лежит над точкой S. АSПФр+Ц. Перлит при наведении на фокус в микроскопе переливается как перламутр. Перлит имеет пластинчатое строение. С помощью термической обработки можно получить зернистый перлит (он пластичнее и более вязкий). Для травления используют пикрат Na, который придает цементиту бурый цвет, так как после обычного травления в 5 % HNO3 в спирте, феррит и цементит – светлые. Структурный анализ Конечная структура (их 7) любого сплава зависит от превращений в нем при охлаждении (состояние после отжига). После завершения кристаллизации все сплавы от 0 до 2,14 имеют одинаковое строение – состоят из аустенита! Сплавы железа с углеродом делятся на стали и чугуны. Стали – доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные. А) строим кривую охлаждения для технического железа. Структура Ф + Цш. Цш выделяется по границам зерна в виде тонкой разорванной сетки. Б) кривая охлаждения стали 40. Фα + Цш + П Фα + Ц. Жв / Фн = Н2/2В. В точке 2 – избыток жидкости! В) кривая для эвтектоидной стали – частично. Г) Кривая для заэвтектоидной стали. Свойства фаз: в, МПа 300 500600 , % Решетка Примечание 40-45 ОЦК Магнитная до 768 °С 40-45 ГЦК Немагнитная 800 0,5 Сложная ромбическая Хрупкая. Слабо магнитная до 210 °С 180 160 600 Фаза НВ Ф 80 А 160-200 Ц Ппл Пзер Л 47 Хрупкая! Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» ЛЕКЦИЯ 9. ТЕРМООБРАБОТКА И ОСНОВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ СПЛАВА, ОБЛАДАЮШЕГО ПОЛИМОРФИЗМОМ (на примере эвтектоидной стали С=0,8 %) Линии Превращение Критическая точка Нагрев/Охлаждение PSK A П A1 Ac1/Ar1 GS А  Ф+А A3 Ac3/Ar3 SE Ф  А+ЦIII Acm Accm/Arcm Основные превращения при нагреве стали У8:  Эвтектоидная сталь П [Ф+Ц] = [Fe (C) + Fe3C]  A [Fe (C)] В основе превращения лежит полиморфизм железа. Превращение идет по нормальному диффузионному механизму при нагреве выше температуры Ас1. Оно идет по законам кристаллизации: 1) образуются зародыши аустенита (А) на границе раздела фаз феррита (Ф) и цементита (Ц), 2) рост кристаллов А. При этом Ц растворяется в аустените, прежде всего тот, который ближе к зародышам А. Поэтому пластины Ц через какое-то время становятся прерывистыми. 48 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Из одного перлитного зерна получится много новых аустенитных зерен. Таким образом при отжиге происходит измельчение зерна – это одно из назначений отжига. Это перекресталлизационный отжиг. Скорость процесса зависит от температуры (от степени перегрева). Чем выше температура нагрева, тем быстрее идет процесс. Размер зерна аустенита зависит от химического состава и технологии получения стали. Существуют наследственно крупнозернистые (1) и наследственно мелкозернистые (2) стали. Например, к наследственно крупнозернистым относится сталь 40Х. Мелкое зерно предпочтительнее из-за большей твердости. Способы получения мелкого зерна: а) из технологических способов: основной – модифицирование, добавление при раскислении AlN; необходимо очень тщательно раскислять. б) элементы, легирование; кроме все легирующие Мn, уменьшают аустенитное зерно. Особенно эффективно действуют карбидообразующие: (ВФМБ) W, V, Mo, Nb. Действие легирующих элементов Схема роста зерна аустенита в стали, содержащей 0,8% С, при нагреве. d1 – исходное зерно бывшего аустенита; d0 – начальное зерно аустенита. объясняется теорией барьеров: очень мелкие карбиды и нитриды располагаются по границам аустенитного зерна и механически препятствуют его росту. При высоких температурах они растворяются, прекращается их действие. Происходит резкий рост зерна аустенита (по принципу собирательной рекристаллизации). Вывод: Чем меньше зерно аустенита, тем мельче будут продукты его распада и выше прочность. Если при перегреве получили крупное зерно, его можно исправить: при повторном отжиге при нагреве до оптимальной температуры. Превращение аустенита при охлаждении Возможны 3 варианта: А) диффузионное Б) бездиффузионное В) промежуточное (диффузионное + бездиффузионное) АП механизм перлитный, нормальный (при Т=const – изотермическое) АМ механизм мартенситный при непрерывном охлаждении А Б механизм бейнитный при непрерывном охлаждении 49 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» А) Перлитное (диффузионное) превращение Происходит в равновесных условиях (при медленном охлаждении или при изотермической выдержке). Сталь У8: Превращение основано на полиморфизме железа. При температуре ниже А1 A [Fe (C)]  [Fe (C) + Fe3C] = [Ф+Ц] П аустенит неустойчив (решетка ГЦК у Fe не может сохраниться) и превращается в [Ф+Ц]. Распад начинается с образования цементита: образуются зародыши цементита на границах зерен: там, где больше дефектов, там возможны флуктуации С (атмосферы Коттрелла). 1) Зерна цементита растут за счет диффузии углерода из близлежащих областей. 2) Обедненные области аустенита превращаются в феррит по нормальному механизму: а) зерна феррита образуются, б) зерна феррита растут. Чем больше степень переохлаждения Т, тем дисперснее смесь Ф+Ц (Перлит, Сорбит, Троостит), тем эффективнее торможение дислокаций и выше прочность и твердость. структура Перлит (а) Сорбит (б) Троостит (в) толщина пластин Δо, мкм 0,6…1,0 0,25…0,3 0,1…0,15 50 Оглавление Твердость, НВ 170…230 230…330 330…400 Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Б) Мартенситное (бездиффузионное) превращение Превращения исследуют путем построения термокинетических диаграмм. Характер кривых зависит от химического состава стали (у стали У8 нет бейнитного превращения). Их строят в координатах температура-время на основе V3 не пересекает кривые распада т.е. он сохраняется скорость охлаждения V1 печь Мн А  М. Эта – А  Ф+Ц  t2 до температуры Мн (начала мартенситного превращения), когда А1 Т1  t1 экспериментальных данных. аустенита, Т С минимальная V3 V4 масло V2 воздух АМ Мк скорость охлаждения, при которой весь А V5 вода и др.  М, называется критической.При V>Vкр время диффузионные процессы не идут, а полиморфное превращение идет при любых скоростях путем сдвига. После V4 структура М+Т. Механизм мартенситного превращения Мартенситное превращение протекает в условиях быстрого охлаждения (нет условий для диффузии.). Это бездиффузионное полиморфное превращение путем сдвига. При переохлаждении ниже Мн: A (ГЦК, Fe(С))  М (ОЦК, Fe(С)) Мартенсит – пересыщенный твердый раствор (внедрения) углерода в Fe, полученный при бездиффузионном полиморфном превращении. Мартенсит – особая фаза в сталях: мелкокристаллическая с огромным количеством дефектов (плотность дислокаций: 1011…1012 см-2). Вывод: мартенсит — это неравновесная фаза с предельно искаженной кристаллической решеткой. Условия получения мартенсита: 1) Нагреть до аустенитного состояния; 2) V охл > Vкр; 3) Непрерывно охлаждать в интервале температур Мн-Мк. Прекращение охлаждения останавливает превращение. Это объясняется увеличением объема вновь образующейся структуры (рыхлая структура), возникновением сжимающих напряжений, которые стабилизируют аустенит. 51 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» ГЦК (111) ГЦК (111) ОЦК (110) 60  0,258 нм 70  30 ` 0,259 нм ОЦК (110) Превращение состоит в коллективном сдвиге атомов на расстояния значительно меньшие межатомных. Атомы движутся в плоскостях, обладающих кристаллографическим соответствием, при сохранении когерентности решеток (исходной – аустенита и новой – мартенсита). Это плоскости (111) и (110) соответственно. Превращение приводит к упрочнению, называемому фазовым наклепом, т.к. упрочнение происходит в результате смены фаз (увеличение объема и когерентность решеток). Новая фаза (в виде иголок или пластинок) 1-аустенит, 2 - мартенситная игла зарождается на границе аустенитного зерна. Иглы растут со скоростью 107 м/с под углом 60, 120, 180 в объеме зерна. Рост игл останавливается на границе зерна или на растущей рядом игле. Если зерно аустенита крупное, мартенсит крупноигольчатый, если мелкое – мелкоигольчатый. Влияние углерода на структуру и свойства мартенсита Мартенсит стали – пересыщенный твердый раствор углерода в Fe. Атом С занимает октаэдрические поры. с/а – степень тетрагональности. Избыток углерода деформирует решетку ОЦК, она становится напряженной. тетрагональной С увеличением (вытянутой) и содержания С, тетрагональность и с/а увеличиваются. Микроструктура и кристаллическая решетка мартенсита Vкр, Мн и Мк зависят от химического состава стали, в первую очередь от % С. Если в стали > 0,6% углерода, то после закалки может остаться непревращенный аустенит - остаточный. 52 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Свойства: растут твердость и прочность, при этом снижаются пластичность и вязкость, а при С > 0,8 % сталь становится хрупкой. Низкоуглеродистые нелегированные стали (до 0,3 % С) не закаливают: 1) из-за слишком большой Vкр, в воде не закаливаются, только в щелочных растворах, при этом огромные напряжения, трещины; 2) из-за низкого содержания С, эффект упрочнения небольшой (мала степень пересыщения мартенсита). Влияние легирующих элементов на Vкр сталь 40 40ХМВФ Все легирующие элементы, кроме Со, сдвигают термокинетические кривые вправо, уменьшая Vкр. Поэтому легированные стали легче закаливать. Если для углеродистых сталей используют для закалки воду, то для вода масло легированных – масло, а высоколегированные могут закаливаться даже на воздухе! Вывод: Высокая твердость мартенсита объясняется: 1) пересыщенностью углеродом; 2) фазовым наклепом. В) Бейнитное (промежуточное) превращение Такую структуру получают, например, на роторных сталях: 40ХНМА, 37Х2Н3А, 30ХГСНА. Бейнитное превращение - это промежуточное превращение аустенита:  по температуре между П и М (250 - 500 С);  сочетает диффузионный и бездиффузионный механизм: 1) диффузионное перераспределение углерода в аустените с выделением мелких частиц цементита; 53 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 2) бездиффузионное полиморфное превращение обедненной матрицы в пересыщенный феррит. Вывод: Бейнит – это феррито-карбидная смесь, в которой феррит имеет игольчатое строение, как мартенсит, но с гораздо меньшими напряжениями (из-за меньшей пересыщенности). Бейнит образуется только в сталях, содержащих достаточно углерода: среднеуглеродистые и выше. Высокая прочность бейнита по сравнению с трооститом и сорбитом обеспечивается малыми размерами частиц и искажениями решетки из-за пересыщенности углеродом. Причем, в нижнем бейните мелкие карбиды находятся в зернах, а в верхнем – по границам зерен феррита. Микроструктуры и схемы образования верхнего (а) и нижнего (б) бейнита Основные виды термической обработки стали 1) Отжиг А) Перекристаллизационный отжиг А3 Его применяют для конструкционных сталей. А А+Ф Цель А+Ц А1 П+Ф П+Ц П  прочности, отжига: а также снижение НВ(твердости) повышение и пластичности. Перекристаллизационному отжигу подвергают слитки, фасонные отливки и деформируемые полуфабрикаты для облегчения последующей деформации. Охлаждение после отжига медленное. Оно реализуется, если охлаждать с печью (20-100 /ч). Применяется Т=Ас3+5070 С - для доэвтектоидных сталей. Б) Сфероидизирующий отжиг. Для заэвтектоидных сталей. Его цель: преобразование пластинчатого цементита в сферический. Отсюда и название отжига. Т=Ас1+5070 С, далее медленное охлаждение до 650 С, далее на воздухе для заэвтектоидных сталей. 54 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 2) Нормализация Это нагрев до аустенитного состояния, выдержка для А А3 А+Ф А+Ц А1 П+Ц П+Ф выравнивания концентрации С(углерода) в аустените и охлаждение на спокойном воздухе. Это наиболее дешевый вид обработки. Цель: подготовка к закалке. Т=Ас3+5070 С - для доэвтектоидных сталей; П 0,8 Т=Асcm+5070 С - для заэвтектоидных сталей 3) Закалка Это термообработка, которая состоит в нагреве до аустенитного состояния, выдержке и охлаждении со скоростью V  Vкр. Цель: получение мартенситной структуры. Выбор наилучшей температуры закалки  Доэвтектоидная сталь Т, С Структура при нагреве Ф+П Структура после охлаждения с VVкр Ф+П Свойства закалки нет, твердость не меняется закалка неполная, так как феррит снижает 750 А+Ф М+Ф твердость 850 А Ммелкоиг полная закалка перегрев; такой мартенсит особенно хрупок, 900 А кр. Мкрупноиг с низкой пластичностью и удельной вязкостью Вывод: лучшая температура для нагрева под закалку доэвтектоидной стали: T = 600 Ас3+3050 С.  Заэвтектоидная сталь 600 П+Ц П+Ц закалки нет, твердость не меняется 750 А+Ц М+Ц закалка неполная, цементит - зернистый 850 А М +Аост закалка неполная Вывод: лучшая температура для нагрева под закалку заэвтектоидной стали: T = Ас1+3050 С, так как цементит увеличивает твердость, а Аост. снижает. 55 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Среда охлаждения: для углеродистой стали – вода, для легированной – масло. Закаливаемость и прокаливаемость Не всякая деталь способна быстро остыть. В сердцевине массивной детали скорость охлаждения много меньше, чем на поверхности. И если на поверхности VVкр, то в сердцевине часто VVкр. Поэтому существует понятие эффективности закалки – закаливаемость. Это способность повышения прочностных характеристик в результате закалки, т.е. способность образования мартенситной структуры. Критерием является твердость. Закаливаемость зависит, в основном, от химического состава стали. На рисунке показаны эпюры скорости охлаждения по сечению детали и Vкр для разных марок стали: 1 – углеродистая сталь, 2 – легированная сталь. Поскольку в сердцевине V Vкр, то сталь 1 и 2 не закалится насквозь, т.е. там не образуется мартенсит по всему сечению. Способность стали закаливаться на определенную глубину называют прокаливаемостью. Прокаленным считается слой, в структуре которого 50 % мартенсита (толщина полумартенситной зоны). Прокаливаемость зависит: 1. От химического состава: у легированных – больше! 2. От охлаждающей среды. Чем она интенсивнее, тем выше прокаливаемость. Например, при охлаждении в воде и в масле: в воде прокаливаемость больше! 3. От размеров детали. Чем больше деталь, тем меньше прокаливаемость при прочих равных условиях. 56 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Dкр – критический диаметр прокаливаемости – диаметр прутка, который прокалится насквозь. 4. От структуры: карбиды увеличивают! Поверхностная закалка В зависимости от условий эксплуатации, часто необходимо иметь твердую износостойкую поверхность при сохранении мягкой, вязкой сердцевины. Тогда проводят поверхностную закалку. Например, в тех случаях, если деталь работает на износ и должна воспринимать ударные или циклические нагрузки: зубчатые колеса, шатуны, пальцы и т.д. Существует несколько способов нагрева под поверхностную закалку. Чаще всего это нагрев ТВЧ. Деталь помещают в медный индуктор, который повторяет конфигурацию детали. При этом в поверхностном слое появляются вихревые токи, которые разогревают поверхностный слой до температуры закалки. Особенности: чем больше частота тока, тем меньше глубина разогрева и меньше толщина закаленного слоя. После достаточной выдержки следует быстрое охлаждение. Для охлаждения водой имеются спрейеры, через которые после отключения тока подается вода (как душ). Если сталь легированная, ее нужно охлаждать в масле. В этом случае деталь отпускают, и она падает в бак с маслом. При закалке длинномерных изделий, индуктор и спрейер перемещают по длине детали. 4) Обработка холодом Стали, содержащие С  0,6 % (в том числе легированные стали) со структурой М+Аост, подвергают обработке холодом с целью превращения Аост в Мартенсите. Это делается по двум причинам: 1. Обеспечить стабильность размеров при эксплуатации деталей, так как Аост может превращаться в Мартенсит деформации. 2. Повысить твердость детали. Среда для обработки холодом - жидкий азот или сухой лед. Детали переохлаждают до температур Мк, т.е. до -40  -150 С, время: 40 минут. 5) Отпуск Закалка никогда не бывает последней операцией, так как в закаленном состоянии наряду с высокой твердостью детали имеют высокие напряжения и хрупкость. В то время 57 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» как для эксплуатации деталям необходимо сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости. Такие свойства можно получить, если после закалки сделать отпуск. Отпуском называют, нагрев закаленной стали ниже критических температур Ас1 с целью получения оптимального сочетания прочности и пластичности. Превращения при отпуске рассмотрим на примере эвтектоидной стали С=0,8 %, имеющей структуру М+Аост. Превращения при отпуске можно изучать с помощью дилатометра. Метод основан на том, что у фаз аустенита и мартенсита разный удельный объем: аустенита – min, мартенсита – max. l М + А ост l  распад М-та  l  А-та  l  ост. I П Ш без аустенита IV 80 170 260 450 650  С Поэтому при нагреве фазовые превращения, вызывающие распад мартенсита, уменьшают длину образца, а распад аустенита, наоборот, увеличивают его длину. Для исключения влияния теплового расширения, нагревают сразу два образца с одинаковыми коэффициентами линейного расширения (с фазовыми превращениями и без них). На дилатометрической кривой можно наблюдать несколько стадий. Уменьшение длины при 80170 С. Превращение происходит в мартенсите: образуется -карбид (Fе2С). В тех зонах, где образовался этот карбид, происходит обеднение углеродом. Такая структура (смесь низкоуглеродистого М + -карбид) называется Мартенсит отпуска. Увеличение длины при 170260 С благодаря: а) распаду аустенита на смесь Ф+Ц; б) дальнейшему обеднению углеродом мартенсита. В мартенсите настолько уменьшается количество углерода (0,02 %), что он становится Ферритом (решетка из тетрагональной становится кубической). Выходящий из мартенсита углерод, идет на формирование цементита зернистой формы. Смесь (Ф+Ц) называется Троостит отпуска. Постепенно снимается фазовый наклеп. Такая структура обладает высокой упругостью! Включения цементита укрупняются. Такая структура – сорбит отпуска. 58 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Изменение механических свойств при отпуске В процессе отпуска происходит изменение всех механических свойств. Растет пластичность, снижаются твердость и прочность. Увеличивается ударная вязкость, но при   Мех. св-ва после зак.  в после отж. Мотп 260 Тотп Сотп КСU 40ХН3А НВ в  т 650 Т  С 450 40 ХНВА 1 200-250 2 500 550 600 650 определенной температуре происходит ее резкое уменьшение. 1 – отпускная хрупкость 1 рода – необратимая. Она не зависит от химического состава и условий охлаждения, поэтому отпуск в этом интервале необходимо избегать. 2 – отпускная хрупкость 2 рода – обратимая (проявляется после медленного охлаждения). Если при повторной термообработке охлаждать быстро, ее можно избежать. К такой хрупкости склонны стали, легированные Cr, V, Mn. Например, 40ХН3А – надо охлаждать быстро после высокого отпуска. Мо и W (0,5…1 %) устраняют склонность к отпускной хрупкости 2 рода. Поэтому сталь 40ХНВА можно охлаждать медленно. Эту сталь используют для деталей, работающих при 550 С. Практика отпуска По температуре отпуск подразделяют на низкий, средний и высокий. 1. Низкий отпуск легированных и углеродистых сталей проводят при температуре (160200) С. Структура: Мзак  Мотп + -карбиды(Fе2С). Цель: получение максимальной прочности, твердости. Применение: для режущего инструмента; цементуемых деталей; подшипников. (высокоуглеродистые стали 0,71,2 %С) 2. Средний отпуск проводят при температуре (350500) С. Структура: Мзак  Троостит отпуска. Цель: высокая упругость с сохранением высокой прочности. Применение: для рессорно-пружинных сталей, некоторые виды штампов. (стали с 0,50,7 %С) 3. Высокий отпуск проводят при температуре (550650) С. 59 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Структура: Мзак  Сорбит отпуска. ТО: (закалка + высокий отпуск) называется «улучшение», т.к. после такой обработки свойства стали значительно улучшаются. Очень распространенный вид обработки. Цель: обеспечение максимальной ударной вязкости. Применение: для среднеуглеродистых сталей - для деталей типа валов и шестерней. (улучшаемые стали с 0,30,5 %С). ЛЕКЦИЯ 10. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ Химико-термической обработке (ХТО) подвергают только готовые детали. Это нагрев в определенной химической среде с целью изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали. Наиболее важные цели ХТО: повышение твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Самые распространенные виды ХТО: - цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом), - азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом), - нитроцементация, карбонитрация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом), - диффузионная металлизация (алитирование, хромирование и т.д.) – насыщение поверхностного слоя другими металлами. Закономерности ХТО ХТО проходит в 3 этапа: 1) Диссоциация: реакция в среде, с целью получения насыщающего элемента в активном состоянии (атомарном или ионном): 2СО – СО2 + С. 2) Адсорбция и абсорбция (осаждение и внедрение) насыщающего элемента в основной фазе, то есть растворение углерода в абсорбенте поверхности. 3) Диффузия – проникновение элемента вглубь. Все эти процессы зависят от температуры и времени. Диффузия – самая медленная стадия. Толщина слоя меняется по параболе, то есть в начале процесса – активный рост, потом – затухание: h2 = АD, 60 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» где: D – коэффициент диффузии; тоже зависит от температуры: D=D0е–Q/RT. Очевидно, для получения больших слоев необходима высокая температура. В зависимости от природы металла: Тхто = 5001500 С, время ХТО от 1 часа до нескольких суток. Зависимость толщины диффузионного слоя от температуры: Зависимость толщины диффузионного слоя от времени: Формирование диффузионного слоя: Цементация Это процесс насыщения поверхности деталей углеродом с целью повышения твердости и износостойкости при сохранении вязкой и мягкой сердцевины. Для обеспечения вязкости сердцевины, цементируют низкоуглеродистые стали (С  0,3 %): 20, 25, 20Х, 12Х2Н4А, 20ХН3А и др. По способу насыщения цементация подразделяется на твердую, газовую и ионную. 61 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Твердая цементация. Среда насыщения состоит из активирующих древесного угля процесс (ВаСО3, и солей, а2СО3). Древесный уголь выбирают с малой зольностью – березовый. Деталь ставят в печь с температурой 900 С на 10-12 часов. Слой получается 1 мм. Этот метод применяется в последнее время очень редко, так как он трудоемкий и продолжительный, а слой неравномерный – это недостатки. Достоинство - он незаменим только в единичном производстве. Газовая цементация проводится в конвейерных печах в среде науглероживающих газов: СО, СН4 и др. На практике используют биологические газы и газы от пиролиза нефтепродуктов. Поток газа через печь должен быть строго регламентирован как по составу, так и по скорости. Плох как недостаток, так и избыток газа! Недостаток газа увеличивает продолжительность процесса, уменьшает слой. Избыток приводит к тем же результатам, так как лишний углерод в виде сажи покрывает поверхность и замедляет процесс. Оптимальная толщина при газовой цементации: 2-3 мм, а продолжительность, в зависимости от температуры, 5-8 ч. Ионная цементация проводится аналогично ионному азотированию. Ионная цементация — цементация в сильноточном тлеющем разряде между катодом (изделием) и анодом в газовой среде при давлении ниже атмосферного (0,13-1,95 кПа). Поверхность науглероживания в результате бомбардировки ускоренными ионами, формируется в прикатодной области тлеющего разряда. В качестве газовой среды при ионной цементации используется пропан, метан и др. углеводороды в смеси с Аr, диссоциированными NH, или N2. Ионную цементацию осуществляют в две стадии: очистка поверхности и собственно науглероживание. Достоинства ионной цементации по сравнению с обычной газовой цементацией: ускорение процесса в 2-3 раза в результате повышения температуры процесса (10001050°С) и интенсификация реакции взаимодействия в газовой фазе и на поверхности насыщения; отсутствие внутреннего окисления цементованного слоя; простота управления процессом посредством изменения электрических параметров тлеющего разряда и состояния газовой среды. 62 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Термическая обработка цементуемых деталей Растворимость углерода больше в аустените благодаря большим по размерам порам. Это определяет температуру цементации (910960 С). Максимум насыщения углеродом – 0,8-1,3 %, т.к. большее приводит к охрупчиванию. Структура после цементации: Ф+П – в сердцевине и П+Ц – на поверхности. С приближением к поверхности, увеличивается (вслед за увеличение количества углерода) количество Перлита и Цементита, а потому и карбидов после всей термообработки. Свойства меняются в соответствии со структурой. В сердцевине сталь мягкая, пластичная, а на поверхности – твердая. Однако после цементации нельзя получить максимальную твердость. Поэтому проводят окончательную термообработку, включающую закалку и низкий отпуск. В связи с тем, что сталь имеет разный состав в сердцевине и на поверхности, необходимо две закалки, соответственно для доэвтектоидной и заэвтектоидной стали. Цели первой закалки: а) измельчить зерно сердцевины (после цементации оно стало крупным) для повышения вязкости, необходимой сердцевине; б) разбить цементитную сетку на поверхности для устранения его хрупкости. Цель второй закалки: повысить твердость и износостойкость поверхности. 63 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Низкий отпуск проводят для снятия внутренних напряжений. В результате: на поверхности структура: А3+3050  Мотп + включения Ц или К + Аост (т.к. С>0,6%); А3 твердость НRС = 62-63. Если деталь выполнена из природно мелкозернистой стали, закалку можно проводить одну и непосредственно с А1 температуры Цем.+закалка цементации после небольшого подстуживания. В н.отп обраб. хол. этом случае в структуре сохраняется Аост, а окончательная структура будет: Мотп + Аост + К. Если надо снизить количество Аост, после закалки проводят обработку холодом при температуре - 40  - 80 С. При этом Аост → в М. Цель:  повысить твердость;  обеспечить стабильность размеров,  исключить образование хрупкого мартенсита деформации. Параметры, по которым контролируют цементируемый слой: а) содержание углерода на поверхности; б) толщина слоя; в) твердость. Преимущества цементации: 1) большой слой 3 мм; 2) в слое существуют напряжения сжатия, которые повышают усталостную прочность, не позволяя расти усталостной трещине. Недостатки: 1) длительная и сложная термообработка, 2) деформация деталей из-за высокой температуры; 3) низкая теплостойкость из-за невысокой температуры последней термообработки (максимум 250 С). Азотирование Это процесс насыщения азотом с целью повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости. Азотируют только легированные стали, например, 38ХМЮА, 18ХГТ. Азотирование бывает газовое и ионное. Газовое азотирование проводят в герметичных печах, через которые пропускают аммиак NН3 – N + 3Н. Сердцевина сохраняется пластичной и вязкой. 64 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Температура азотирования 500520 С, время до 60 ч; слой 0,5 мм. Время азотирования можно сократить в 2 раза, если сделать трехступенчатое азотирование: 1) температура 500520 С; 2) кратковременно температура 560580 С; 3) 500520 С. Атомарный азот адсорбируется поверхностью металла и диффундирует вглубь, образуя азотистый феррит Fe(N) – твердый раствор внедрения и мелкодисперсные нитриды CrN, MoN, AlN. Вот почему при азотировании используют только легированные стали! Азотистый феррит повышает не только твердость и прочность, но и коррозионную стойкость сталей. В последнее время применяют ионное азотирование, при котором время процесса сокращается в 10 раз, а слой увеличивается в 1,5 раза. Это азотирование в тлеющем разряде. Его проводят в специальных контейнерах, стенки которого являются анодом, а деталь – откачивается катодом. воздух, Сначала а затем закачивается аммиак. Между катодом и анодом создают Схема содержит источник питания 1, электронную пушку 2, катод-деталь 3, вспомогательный анод 6, устройство подачи рабочего газа 4, анод 5. электрический разряд, который ионизирует газ. Активный газ сначала очищает поверхность от оксидных пленок (благодаря катодному распылению). Ионы также разогревают деталь до нужных температур. Схема термической обработки и азотирования 65 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Детали должны быть окончательно отшлифованы и обезжирены, так как азотирование – окончательная обработка и после нее никакой механической и термической обработки не делают. Перед азотированием делают закалку и высокий отпуск на сорбит. Структура после азотирования: Сотп + Нитриды. Две эти фазы когерентно связаны, что эффективно повышает твердость. Так как слой тонкий, то его твердость измеряют по Виккерсу с нагрузкой 100200 грамм. После азотирования контролируют:  химический состав;  толщину слоя;  твердость. Преимущества ионного азотирования перед газовым:  экологическая чистота;  ускорение процесса;  повышение качества поверхности;  повышение свойств благодаря равномерности слоя. Ионная цементация разработана позже и нашла меньшее применение (из-за более высокой температуры). Преимущества азотирования перед цементацией: а) выше коррозионная стойкость, б) отсутствует коробление; в) главное – выше рабочие температуры, так как намного выше температура последней термической обработки. Поэтому рабочие температуры азотированных деталей 550 С! Преимущества цементации перед азотированием: а) цементуют любые, в том числе и дешевые углеродистые стали, а азотируют только дорогие легированные; б) выше усталостная прочность, так как благодаря большему по глубине слою – выдерживает большие нагрузки. Нитроцементация Это одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом. Такое одновременное насыщение облегчает процесс проникновения и тех и других атомов в решетку железа. Скорость процесса насыщения поэтому увеличивается. Нитроцементации подвергают и простые углеродистые и легированные стали с 0,20,4 % С. 66 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Цель нитроцементации: повышение твердости, износостойкости и выносливости. Процесс возможен в различных средах:  газовая нитроцементация (одновременная подача азотирующих и науглероживающих газов);  жидкостная нитроцементация (цианирование, карбонитрация) в расплавленных цианистых солях: NаСN + Nа2СО3 (сода) + NаСl. Используется редко из-за токсичных солей и дороговизны процесса. NаСNО не токсичен.  в твердом карбюризаторе состава: древесный уголь и цианистые соли. Используется редко из-за низкого качества. Преимущество: незаменим в единичном производстве.  ионная нитроцементация – высокотемпературный процесс. По температуре процесс нитроцементации может быть низко- и высокотемпературным. Низкотемпературное цианирование при температуре 550600 С используют для мелких деталей из конструкционных и быстрорежущих сталей. Высокотемпературная нитроцементацию при температуре 850950 С проводится для более получения более глубоких слоев, до 2 мм. После Высокотемпературной нитроцементации проводят такую же термическую обработку, как после цементации: закалка + низкий отпуск. А низкотемпературная нитроцементация – окончательная обработка. Термическая обработка быстрорежущих сталей: Закалка + двухкратный отпуск (560 С) + нитроцементация. Особенность процесса: чем выше температура насыщения, тем больше в слое углерода и меньше азота и наоборот. Твердость выше после высокотемпературной нитроцементации за счет легирования твердого раствора азотом и образования мелких частиц карбонитридов. Диффузионная металлизация Насыщение поверхности разными металлами и неметаллами. Бывает твердая, жидкостная, газовая. Насыщение можно проводить:  хромом – хромирование (повышает коррозионную стойкость, кислотостойкость и жаростойкость);  алюминием – алитирование (повышает коррозионную жаростойкость до 1200 С). Существуют аналогичные процессы насыщения неметаллами:  бором – борирование (самая высокая твердость); 67 Оглавление стойкость, Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении»  кремнием – силицирование (самая высокая жаростойкость). Производительность этих процессов мала, даже несмотря на очень высокие температуры, из-за малой скорости диффузии металлов. Например, при алитировании слой глубиной 0,4 мм получается при 1000 С за 6 часов. Металлизацию проводят в порошках, содержащих летучие хлориды металлов, транспортирующих атомы металла к поверхности детали). 68 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Вопросы для самопроверки по модулю 1 1. Типы межатомных связей в твердых телах. Строение и свойства кристаллических тел с различными атомными связями. 2. Атомно-кристаллическое строение металлов. Элементарные кристаллические ячейки и их характеристики (параметры, атомная плотность, координационное число, коэффициент заполнения). Полиморфизм. 3. Кристаллизация сплавов. Факторы, влияющие на форму и размер кристаллов, строение слитка. 4. Строение и свойства аморфных, моно- и поликристаллических тел. Элементы кристаллографии. 5. Фазовый состав сплавов. Понятие твердых растворов и промежуточных фаз. 6. Диаграмма состояния системы сплавов с наличием ограниченной переменной растворимости компонентов в твердом состоянии. Термическая обработка сплавов данной системы. 7. Анализ диаграмм состояния сплавов железа с углеродом (стальной участок). Характеристика фаз и структурных составляющих сталей. 8. Диаграмма состояния для случая, когда компонент испытывает полиморфное превращение. Способы упрочнения и виды термической обработки сплавов данной системы. 9. Дефекты кристаллов (точечные, линейные, поверхностные), их влияния на свойства. 10. Влияние нагрева на структуру и свойства холоднодеформированного металла (явление возврата, рекристаллизации). Основные закономерности процесса рекристаллизации. 11. Понятие о сдвигово-дислокационном механизме пластической деформации. Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства металлов. 12. Назначение термической и химико-термической обработки металлов и сплавов. 13. Классификация и назначение видов термической обработки металлов и сплавов. 69 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 14. Виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, старение. Режимы проведения. 15. Термическая обработка сплавов, не имеющих превращений в твердом состоянии (диффузионный и рекристаллизационный отжиг). 16. Распад аустенита при непрерывном охлаждении с различными скоростями. Перлитный и мартенситный механизм распада; характеристика продуктов распада. 17. Выбор оптимальных температур нагрева под закалку для сталей с различным содержанием углерода. 18. Характеристика мартенситного превращения в сталях (критическая скорость охлаждения и температурный интервал превращения; строение и свойства мартенсита). 19. Термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. Строение и свойства продуктов распада. 20. Понятие о критической скорости закалки и прокаливаемости стали. Влияние химического состава на критическую скорость закалки и прокаливаемость стали. Практическое значение прокаливаемости. 21. Отпуск закаленной стали (виды отпуска; зависимость структуры и свойств стали от температуры отпуска). 22. Упрочняющая термическая обработка сплавов с ограниченной переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Изменение структуры и свойств сплавов в процессе старения. 23. Химико-термическая обработка сталей. Виды, назначение, сравнительная характеристика. 24. Конструкционные низколегированные цементуемые стали. Состав, марки, свойства, упрочняющая термообработка, применение. 25. Азотирование сталей: цели и режимы азотированных слоев. 70 Оглавление проведения, свойства Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» МОДУЛЬ 2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ Материалы для приборостроения включают функциональные материалы с особыми физическими свойствами и конструкционные материалы. К материалам с особыми физическими свойствами относят: - магнитные материалы; - материалы с особыми электрическими свойствами: проводники, полупроводники и диэлектрики. Конструкционные материалы предназначены для деталей машин и приборов с разными условиями нагружения и эксплуатации. ЛЕКЦИЯ 11-14. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Рассмотрим поведение различных материалов в магнитном поле. Магнитные свойства материалов зависят от их атомно-кристаллического строения. То есть поведение в магнитном поле зависит от магнитного момента атома. Магнитный момент (ММ) отдельно взятого атома без внешнего магнитного поля представляет собой сумму трех составляющих: ММ = ММ ядра + ММ электрона + ММ орбитальный ММ ядра пренебрежительно малая величина (в тысячу раз меньше, чем у электрона), ее не учитывают; ММ электрона – спиновый магнитный момент вращающегося электрона; ММ орбитальный – согласно правилу Ленца, в атоме возникает добавочный ММ за счет движения электрона – это величина отрицательная, так как направлена против магнитного поля, поэтому ее называют диамагнитной составляющей. Но это величина небольшая. Диамагнетизм присущ всем веществам. Магнитные свойства вещества При внесении макрообъема вещества во внешнее магнитное поле, оно будет усиливаться или ослабляться. Характеристика магнитного поля – Н А/м – напряженность магнитного поля. Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. 71 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Характеристикой намагничивания материала служит величина намагниченности J, равная суммарному магнитному моменту атомов единицы объема материала. Намагниченность J связана с напряженностью Н внешнего магнитного поля: J=kmH А/м, где km – безразмерный коэффициент магнитной восприимчивости материала, который зависит от строения атома и характеризует способность к намагничиванию данного вещества. В зависимости от знака и величины km, все материалы подразделяют на следующие типы магнитного состояния вещества:  диамагнетики,  парамагнетики,  ферромагнетики,  антиферромагнетики. Диамагнетики km 0 (от -10–4 до -10–7) Диамагнетики, электронов. Поэтому имеют четное количество каждому спиновому моменту соответствует антиспин. В результате сумма спиновых магнитных моментов электрона равняется нулю и остается только диамагнитная составляющая, которая направлена против поля, что и уменьшает внешнее поле. То есть диамагнетики - это материалы, которые намагничиваются противоположно внешнему полю и ослабляют его. Диамагнетики: - инертные газы, - диэлектрики (полимеры, стекла), - полупроводники (Ge, Si) и сверхпроводники, - а также непереходные Ме (Be, Pb; Cu и Ag – исключение – с нечетным количеством электронов). Парамагнетики km 0 (от 10–3 до 10–5) 72 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Это материалы, имеющие нечетное количество электронов: либо валентные, либо недостроенные. М электрона  М диамагнетика. Спиновые магнитные моменты расположены хаотично. Во внешнем поле магнитные моменты получают преимущественную ориентировку (это парамагнитный намагниченности эффект), что и материала. приводит Магнитное к поле увеличивается незначительно – на тысячные доли. Парамагнетики: - K, Na, Al – валентные, - Mo, W, Ti, Pt недостроенные, - О2, СаО, СоО. Ферромагнетики Fe, Ni, Со km  1 (например: у железа, никеля, кобальта km= 106). Они очень сильно увеличивают магнитное поле. Плотность магнитных линий внутри материала намного (в 106 раз) выше, чем в самом поле. Такой эффект получается из-за того, что недостроенные электронные оболочки соседних атомов перекрываются при образовании кристалла. При этом электрон может временно находиться ближе к чужому соседнему атому, чем к собственному. Энергия Е, возникающая в результате обмена электронами соседних атомов, называют энергией обменного взаимодействия. Эта энергия зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то есть от расстояния между атомами. На рисунке показано изменение Е от отношения межатомного расстояния (а) к диаметру незаполненной электронной оболочки (d). В зависимости от величины и знака энергии обменного взаимодействия возникает три вида ферромагнетиков: парамагнетики, ферромагнетики и антиферромагнетики. У антиферромагнетиков спиновые магнитные моменты располагаются параллельно, но в разные стороны. 73 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Е энергия обм. вз. Co Ni Fe a/d Mn Cr Антиферро- Вывод: природой Ферро- Парамагнетики ферромагнетизма и причиной самопроизвольной намагниченности является существование незаполненных внутренних электронных оболочек, диаметр которых меньше расстояния между ядрами в решетке. В результате в кристалле ферромагнетика возникают домены - области самопроизвольного намагничивания. Доменом называют область кристалла, в котором магнитный момент атомов ориентирован параллельно определенному кристаллографическому направлению. Такое состояние энергетически выгодно и кристалл в целом немагнитен: поскольку без внешнего поля разные домены намагничены в разных направлениях, то общий магнитный момент равен нулю. Между доменами существует переходный слой, называемый доменной стенкой, в которой магнитный момент плавно поворачиваются от одного направления к другому. Домены в кристалле принято изображать замкнутым контуром. 74 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Намагничивание монокристалла и поликристалла Намагничивание ферромагнетика по разным Мs направлениям кристаллической решетки неодинаковое. MS1 То есть магнитные свойства также, как и другие свойства в монокристалле – анизотропны. Например, [100] MS2 [111] рассмотрим монокристалл железа. МS1 – максимальное намагничивание в направлении [100] ребра куба, HS1 HS2 МS2 – максимальное намагничивание в направлении [111] диагонали куба. Анизотропия намагничиваемости характеризуется константой кристаллографической магнитной анизотропии К. Она представляет собой площадь между двумя кривыми: разность работ намагничивания в разных направлениях. Для железа К = 4,2·104 Дж/м3. Это очень много. В поликристалле свойства изотропны, так как домены намагничены в разных направлениях и в общем значения усредняются. Намагниченность зависит от величины зерна. Если зерно по величине совпадает с доменом, доменная стенка отсутствует. Нет поворота. Размеры самих доменов зависят от наличия неметаллических включений, границ зерен, скоплений дислокаций. Магнитные характеристики и процесс намагничивания ферромагнетика На рисунке отражена зависимость намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля – это первичная кривая намагничивания. В процессе намагничивания образца основную роль играют два процесса: 75 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 1) смещение доменных границ; 2) вращение векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля Н.  = В/Н [Гн/м] - магнитная проницаемость, характеризует интенсивность намагничивания материала при увеличении напряженности поля; н – начальная магнитная проницаемость при Н  0;  max – максимальная величина - на участке АВ;  =  / 0 – безразмерная относительная магнитная ферромагнетик парамагнетик проницаемость;  - точка Кюри – температура, при которой намагниченность исчезает и ферромагнетик становится парамагнетиком. Это происходит из-за того, что при нагреве, из-за теплового движения, увеличивается фактор разориентации спинов. Например, точка Кюри для железа  = 762 С. lк lн  - линейная магнитострикция – характеризует изменение линейного размера технического образца. намагничивания Это при происходит повороте в области доменов в направлении внешнего поля. При этом объем ферромагнетика не HHs Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» При намагничивании в больших полях, домены разворачиваются полностью, преодолев имеющиеся дефекты (вакансии и дислокации). А если поле убрать, домены сами не cмогут преодолеть все эти дефекты и повернуться в прежнее состояние. Поэтому при Н=0, В ≠ 0, а В=Вr Если приложить внешнее «отрицательное» поле, то В=0 при Нс. Нс – коэрцитивная сила – напряженность размагничивающего магнитного поля, при которой Вr становится равной нулю. Нс тем больше, чем в структуре больше дефектов. Вывод: Вr и Нс – служат показателями, то есть мерой дефектности материала. Дальше намагничивание и размагничивание происходит по петле, называемой петлей гистерезиса. Площадь, ограниченная петлей гистерезиса пропорциональна затратам энергии на перемагничивание, то есть потерям на перемагничивание. Чем шире петля, тем больше нужно затратить энергии. Для различных значений Н можно получить семейство петель гистерезиса. Петля при ВS называется предельной. Ферромагнетики с малым Нс (узкой петлей) – магнитомягкие, а с большой Нс – магнитотвердые. Если зерно совпадает по величине с доменом, доменная стенка отсутствует. Нет поворота стенки. Происходит вращение вектора намагничивания, что сопровождается небольшими изменениями намагниченности J и индукции В. Такие материалы имеют прямоугольную петлю гистерезиса. Эти материалы имеют большое значение в вычислительной технике: например, ячейки памяти. Такая же петля у текстурованных материалов – после поверхностного пластического деформирования. Вывод: Намагничивание магнитотвердых материалов происходит в основном за счет смещения междоменных стенок, а магнитомягких – за счет вращения вектора намагниченности. Магнитные характеристики: МS, ВS, S, , К - зависят только от химического состава ферромагнетика и не зависят от его структуры и обработки. Они называются структурно нечувствительными, мы их не можем изменить термообработкой и поверхностным пластическим деформированием. Характеристики: Нс, Вr, НS,  - структурно-чувствительные, зависят и от химического состава и от структуры, то есть их можно менять в широком диапазоне термообработки и поверхностно пластического деформирования. 77 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Классификация магнитных материалов Магнитные материалы Магнитотвердые материалы (МТМ) – с широкой петлей гистерезиса. Применение: постоянные магниты, элементы памяти. Магнитомягкие материалы (МММ) – с узкой петлей гистерезиса Применение: в трансформаторах, дросселях, электромагнитах. Низкочастотные (малые потери на вихревые токи) - Железо - Сталь - Пермаллой (Fe-Ni) - Альсифер (Fe-Si-Al) Высокочастотные (потери на вихревые токи – огромные) - Ферриты -магнито-диэлектрики Сплавы на основе редкоземельных металлов RCo5 Литые высококоэрцитив ные сплавы - Fe-Ni-Al - Fe-Ni-Co-Al 1. Магнитомягкие материалы (МММ) Эти материалы намагничиваются в слабых полях с небольшой коэрцитивной силой Нс <100 А/м, Hs<5104 А/м вследствие малых потерь на перемагничивание и из-за большой магнитной проницаемости . н<90 мГн/м, max<300 мГн/м. У них узкая петля гистерезиса. Применение: такие материалы в основном используют для сердечников катушек и трансформаторов. При перемагничивании ферромагнетиков возникает несколько видов потерь. 1) Потери на гистерезис - для магнитомягких материалов невелики. 2) Удельные тепловые потери Р на вихревые токи Фуко при перемагничивании: где: А – 2 f 2d 2 АBmax P [Вт/ кг]  коэффициент, Вmax – амплитуда магнитной индукции [Тл], f – частота внешнего магнитного поля [Гц], d – толщина ферромагнетика (также характеризует и объем),  - удельное электросопротивление [Омм]. Из формулы видно: чтобы снизить тепловые потери Р, нужно уменьшить толщину d или увеличить . Чем больше объем, тем больше возникает вихревых токов. То же самое и с магнитной индукцией. Например, в печи СВЧ посуда остается холодной, а продукты разогреваются мгновенно, так как возникают токи. 78 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Вывод: Как можно снизить потери? Надо уменьшить d (собрать деталь из пластинок) и увеличить . Потери в переменных полях. При высоких частотах происходит сдвиг по фазе индукции В по отношению к магнитному полю Н. Как бы происходит запаздывание, В не успевает дойти до максимума. В этом случае  =1 + i 2. Потери характеризует tg = 2/1. С ростом частоты поля, 1 уменьшается быстрее, чем растет 2 и потери растут. Желательно, чтобы tg < 0,1, так как если он будет больше 0,1, то магнитные материалы применять нецелесообразно из-за больших потерь. Например, в стрелочных приборах: возникает нагрузка, стрелка поднимается. Если нагрузка колеблется, стрелка колеблется и показания «размазываются», в результате прибор показывает мнимое значение нагрузки. Вывод:Р и tg, то есть потери, делят материалы на низко- и высокочастотные. 1.1. Низкочастотные МММ 1.1.1 Материалы с высокой индукцией насыщения Вs Применение: трансформаторы, реле, переключатели, работающие при f<100 Гц. Например, показатель поворотов в машине, а также в транзисторных приемниках не может быть больших полей. Это: железо различной степени чистоты, нелегированные электротехнические стали, легированные электротехнические стали. Эти материалы имеют Вs = 2,3 Тл – это очень большая величина, предел, только у редкоземельных металлов 3 Тл. а) железо Вs < 2,15 Тл, Нс=6,4-64 А/м, Нs=100-50000 А/м Железо %С Нс max Применяется в Карбонильное 26 6,4 0,0050,01 основном технически электролитическое 0,01 79 7,2 чистое железо из-за + переплав в вакууме своей дешевизны. электролитическое 19 28 0,020,025 технически чистое железо 9 64 0,020,04 Магнитные свойства улучшаются: при выращивании крупного зерна и в результате многократных переплавок в вакууме. б) нелегированные электротехнические стали По характеристикам и применению схожи с техническим железом. Отличаются: гарантированной Нс. То есть по марке стали можно выбрать нужный материал. Например, марки: 10895, 20895, 10864, 20864, 10848, 20848 79 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 1-я цифра: 1 – горячекатанная, изотропная, 2 – холоднокатанная, анизотропная; 2-я цифра: 0 - % кремния, Si < 0,03 %; 3-я цифра: 8 – шифр характеристики поставки - коэрцитивной силы Нс; 4-я цифра: 95 – величина Нс (64 и т.д.). Применение нелегированных сталей ограничивается их недостатком: большими тепловыми потерями из-за низкого  < 0,1 мкОмм. Возникает вопрос - как повысить ? Для устранения этого недостатка, сталь легируют элементом, повышающим . Например, 1 % Si повышает  на 0,12 мкОмм. Но при этом повышается хрупкость и снижается В. Добавление кремния – означает появление легированных сталей! в) легированные электротехнические стали Применение: трансформаторы, динамомашины, магнитопроводы до 400 Гц. Марка (толщина листа  0,5 мм) горячекатанные, изотропные 1311 1411 1511 холоднокатанные, изотропные 2011 2111 2211 2311 2411 холоднокатанные, анизотропные 3411 3416 Обозначение: 1-я цифра – тип обработки; В, Тл 1,48 1,48 1,46 1,6 1,58 1,56 1,52 1,5 1,79 1,9 Удельные потери Р1,5/50, Вт/кг 6,1 4,4 3,5 9 10 7 5,8 3,6 2,4 0,83 2-я цифра:  % кремния: 0 (0,4 %), 1 (0,4 0,8 %), 2 (0,9 1,8 %), 3 (1,92,8 %), 4 (2,9 3,8 %), 5 (3,9 4,8 %); 3-я цифра: шифр гарантированного свойства: 1 – тепловые потери при В = 1,5Тл и f = 50Гц; 4-я цифра: шифр, характеризующий величину тепловых потерь. Снижение потерь: - так как потери возрастают при загрязнении стали, поэтому необходима очистка; - потери снижаются с уменьшением толщины листа; - после всех технологических операций необходим отжиг, снижающий потери! Т= 900 С в водородно-азотной атмосфере для одновременного очищения стали; - свойства стали существенно улучшаются при создании магнитной текстуры. Вопрос: Бывает ли В больше 2 Тл? 80 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Ответ: У сплава 50КФ2 (Fe-50 % Co -V) Bs = 2,3 Тл, но дефицитность Со ограничивает его применение. Еще больше у редкоземельных металлов (РЗМ): Bs = 3 Тл., но они очень дорогие. 1.1.2 Материалы с высокой магнитной проницаемостью Они насыщаются в слабых магнитных полях с низкой Н < 100 А/м благодаря высокой начальной проницаемости. Это сплавы: пермаллои и альсиферы. Применение: в телефонии и радиотехнике при частотах до 25 кГц. а) пермаллои Сплавы Fe – Ni; Ni = 4583 %. Коэрцитивная сила Нс = 0,615 А/м – чрезвычайно узкая петля гистерезиса, поэтому очень малые потери на перемагничивание. Fe и Ni образуют непрерывный ряд твердых растворов, поэтому это очень пластичные сплавы и, следовательно, пластической деформацией можно получать очень тонкие листы и ленты – это достоинство! Их недостаток: высокая чувствительность к внешним напряжениям. При резкой намотке, даже напряжение равно 5 Мпа, что сильно (в 5 раз) снижает магнитные характеристики. ? Как исправить? Отжигом, снижающим внутренние напряжения. Пермаллои бывают: низконикелевые (4550 % Ni) и высоконикелевые (7983 %  Ni). Маркировка как у сталей, но содержание перед буквой. Такой состав из-за двух максимумов на кривой зависимости . 4050 7280% Ni Низконикелевые пермаллои (40-50 %) У этих сплавов - средние характеристики. Марка max, мГн/м 45Н 31 50Н 38 Довольно низкое , Вs, Тл н С увеличением содержания Ni, растет н, 2,8 1,5 но снижается Вs. 3,8 1,5 поэтому их не применяют при высоких частотах. Для повышения , легируют Mo, Cr, Si. Например, 50ХНС. Высоконикелевые пермаллои (72-80 %) Марка 79НМ 81НМ max , мГн/м 150 310 81 н 22 28 Оглавление Вs , Тл 0,75 0,5 Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса Это отдельная группа пермаллоев. Применение: реле, переключатели, ячейки памяти (Вs легко меняется с плюса на минус, коэффициент прямоугольности = Вr/Вs0,9). Существует два способа получения прямоугольной петли гистерезиса: 1) холодная пластическая деформация – создает анизотропию структуры и свойств. Этот способ хорош для любого диамагнетика; 2) термомагнитная обработка: закалка в сильном магнитном поле приводит к образованию текстуры вдоль поля. Этот способ годится только для сплавов, так как чистые металлы не закаливаются. Сущность процесса еще до конца не выяснена. Марки: 50НП, 65НП, 79НМП (П - пермаллой с прямоугольной петлей гистерезиса =Вr/Вs=0,850,9). Рабочая частота очень зависит от толщины ленты. толщина, мкм 3 1,5 0,10,01 – напыление в вакууме тонких пленок на подложку немагнитного Ме б) альсиферы f рабочая 700 кГц 1,0 МГц 1,5-3 МГц Al - Si – Fe; (85 % Fe, 5,4 % Al, 9,6 % Si). Такой сплав создан, так как у него К0; 0, а благодаря кремнию – большое . Большое преимущество этого сплава - отсутствие никеля, что объясняет его дешевизну и широкое применение! Но недостаток: высокая хрупкость из-за Al и Si. Поэтому сплав не подлежит никакой механической обработке, в том числе и резанию, а детали получают только литьем! Поэтому толщина стенок деталей не менее 2 мм. в) магнитодиэлектрики Существует новая технология аналогичная технологии пластмасс: размолоть в порошок и спекать под давлением. Так можно получить магнитодиэлектрики. Технология: при изготовлении порошка, каждая порошинка покрыта пленкой, то есть изолятором. В качестве связки: полистирол, жидкое стекло. При этом  возрастает на несколько порядков. Применение: магнитные экраны, корпуса приборов. 1.2. Высокочастотные магнитомягкие материалы Частоты до 800 МГц. У них на первый план выходят потери: tg < 0,1. Можно варьировать только ! 82 Оглавление P 2 АBmax f 2d 2  [ Вт / кг] Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Например, у пермаллоя =0,83 мкОмм, а у оксида Fe3O4 достигает =1012 Омм (разница 18 порядков), соответственно намного меньше потери. Из-за большого  они так же и диэлектрики. ферромагнетик антиферроММ=0 ферримагнетик ММ0 Это вещества с ионным типом связи: оксиды. Высокочастотные материалы – ферриты. Название феррит материал получил от понятия «ферримагнетик». У антиферромагнетика сумма магнитных моментов(ММ) равна 0, а у ферримагнетиков ММ>0, так как векторы намагниченности в доменной структуре антипараллельны, но не компенсируют друг друга. Строение. Природный феррит Fe3O4 это FeO  Fe2O3 (с двух- и трехвалентным Fe+2 и Fe+3), решетка типа «шпинель». Первая элементарная ячейка построена 32-мя ионами кислорода (то есть в узлах решетки кислород). У такой решетки два типа пор: тетраэдрические и октаэдрические. В этих порах и находятся ионы железа: - в тетраэдрических – (8 Fe+3 + 8 Fe+2) и - в октаэдрических (8 Fe+3). В октаэдрических порах – домены скомпенсированы, а в тетраэдрических не все, поэтому ММ>0. Для улучшения свойств ферритов, а именно дальнейшего повышения , их легируют оксидами двух валентных металлов: ZnО, MnО, NiО, MgО. Вывод: Магнитные свойства ферритов не стабильны, зависят от химического состава и технологии спекания (усилие прессования и температура). Их свойства можно менять в широком диапазоне (размер пор, размер зерна). Технология получения ферритов Металлокерамическая технология осуществляется в три стадии: получают порошок оксидов, который смешивают в нужной пропорции, затем прессуют и спекают при Т  1000 С. Механические свойства как у керамики: твердость, хрупкость, усадка при спекании. Можно шлифовать и полировать, режется только алмазным инструментом. Некоторые типы изделий из ферритов показаны на рисунке. 83 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 1.2.1 Ферриты для радиочастот Оксиды (MnО + ZnО) и (NiО + ZnО) ферриты марганец-цинковые (MnО + ZnО) fкр < 3 М Гц, =103105 Омм 2 группы: без добавок с добавками марки: 4000НМ, 1000НМ 1000НМЗ fкр < 3 МГц, fкр = 11,5 МГц 4000 = н Н – низкочастотные М – марганец-цинковый (Н – никель-цинковый) ВЧ - высокочастотный 3 (цифра) – разновидность по составу ферриты никель-цинковые (NiО + ZnО) fкр < 200 М Гц, =1011 Омм 3 группы: без добавок с добавками до 59 % Fe2O3 + СоО марки: 1000НН, 400НН 300НН, 600НН 100ВЧ, 30ВЧ2 fкр < 2 МГц ZnО и + до 8 % др. оксидов fкр < 200 МГц fкр < 55 МГц Вывод: Чем выше частота, тем ниже . 1.2.2 Ферриты для высоких частот Свойства: 200 < fкр < 800 МГц; =1011 Омм; Li2O  5Fe2O3 – шпинель. Не всегда бывает шпинель, есть исключение: решетка ГПУ у бариевого феррита (ВаСо)О  Fe2O3. 1.2.3 Ферриты для сверхвысоких частот fкр > 800 МГц. Это частота соизмеримая с частотой колебания атома. При этом резко возрастают тепловые потери tg. Это происходит из-за ферромагнитного резонанса: когда частота внешнего магнитного поля совпадает с частотой прецессии электрона. 84 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 1 (постоянное магнитное поле перпендикулярного направления) -Н +Н Но=const Но Прецессия это, например, когда ось волчка при определенной частоте описывает конус. Так и у электрона: при какой-то частоте электрон как бы «разбалтывается». 2 0,52max tg = 2 /1 ( =1 + i 2). В диапазоне Но применять феррит нельзя! Поэтому Ho надо сузить запрещенный диапазон Но. Это можно сделать Но двумя способами:  легировать оксидами с разной величиной константы магнитной анизотропии;  повысить плотность материала: строение не в виде порошка, а в виде сплава, а еще лучше монокристалла. Ферриты для СВЧ: 1 - 1СЧ1, 3СЧ4 1-длина волны в см, СЧ – сверхвысокочастотный, цифра в конце: 1 (4) – тип сплава. Н = 1540 кА/м при 9200 МГц. 30СЧ1, 30СЧ4 Н = 4,812 кА/м при 3000 МГц. 2 - ферриты-гранаты; 3Ме2O3  5Fe2O3 + РЗМ; монокристалл 08КГ ферриты-гранаты со структурой минерала «гранат», поликристалл либо монокристалл для сужения Н. У поликристаллов Н = 30 кА/м, а у монокристалла Н = 0,8 кА/м. Особое свойство – прозрачность в оптическом диапазоне. В видимой части спектра только в виде тонких монокристаллических пленок. 3 - ортоферрит; R Fe2O3 Ортоферрит с орторомбической структурой а=в≠с, == =90 (похоже на спичечный коробок) – состав один из самых дорогих, R – РЗМ (редкоземельные металлы) (It, Gd, Sm) редчайшие, самые дорогие элементы. Получают в виде тонких монокристаллических пленок. В перпендикулярном магнитном поле при определенной напряженности Н появляются домены определенной формы: лабиринтные, гантельные и цилиндрические (ЦМД- цилиндрические магнитные домены). 85 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Ортоферриты могут нести чрезвычайно много информации. Основное применение – в вычислительной технике. Каждый цилиндрик – ячейка памяти! Емкость отдельного стандартного чипа на ЦМД 105 бит. Н Н1 лабиринтные Н2 гантельные Н3 цилиндрические 4 - ферриты с прямоугольной петлёй гистерезиса (ППГ); марки: 10ВТ, 100 ВТ, 140ВТ. 10(100) – Нс в А/м Состав МgO  3МnО  3Fe2O3. Прямоугольность петли обусловлена не только химическим составом, но и термомагнитной обработкой: прессование и спекание в сильном магнитном поле, направленном вдоль легкого намагничивания.  = Вr/Вs = 0,90,93 (больше, чем у пермаллоя с ППГ). Основное применение – в вычислительной технике. 1.3. Магнитомягкие материалы с особыми свойствами 1.3.1 Материалы с большой магнитострикцией s - это свойство ферромагнетика значительно менять объем при намагничивании. Применение: головки звукозаписи, преобразователи магнитных колебаний в ультразвуке – это волноводы, эхолоты (отражение ультразвука на экране высвечивает очертание препятствия); для резки твердых сплавов; в биомедицине для склеивания костей. Нужны низкая коэрцитивная сила Нс и большое . Сплав s , мкОмм -6 Fe-13% Al 0,96 4510 -6 Fe-50% Co 0,96 7010 -6 Fe-Pt 20410 -6 У никеля s= -3710 , но = 0,08 мкОмм. Для повышения , легируют Mn, Со и W. При этом повышаются коррозионная стойкость и прочность. Новые сплавы: НКоМц4-1, НКоВо3-3 (3%Со и 3%W). Выпускаются в виде тонкой ленты. Применение: в мощных установках ультразвуковой технологии: ваннах очистки, ультразвуковых хирургических инструментах. 86 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 1.3.2 Термомагнитные сплавы У этих сплавов индукция насыщения Вs в районе точки Кюри Вs резко падает до «0». Применение: переключатели, выключатели, шунты. В основном это сплавы системы Fe-Ni-Cr-Al. Меняя химический состав, можно в широком диапазоне менять точку Кюри , то есть температуру отключения прибора!  Т, С Например, у сплава Fe+30% Ni,  = 100 С. 2. Магнитотвердые материалы (МТМ) Применение: для изготовления постоянных магнитов, т.е. для создания постоянного магнитного поля (например, в вольтметрах и амперметрах). В переменных полях они применяются редко. 1 Вr Магнитотвердые означает также и магнитожесткие. У них Br = 0,51,0 B Br Н Bд Нс Тл; Нс  560 кА/м, а намагничивают их в полях Н  1000кА/м. -Нс Нд Wmax W У магнитотвердых материалов широкая петля гистерезиса с большой площадью. Они трудно намагничиваются, но и трудно размагничиваются. Это от них и требуется. Для характеристики магнитотвердых материалов введена новая величина: магнитная энергия или магнитная мощность: W=BH/2 [кДж/м3]. В магнитотвердых материалах интересует участок 1 – кривой размагничивания, поэтому справа обычно изображают изменение удельной магнитной энергии от индукции. Еще одна характеристика – коэффициент выпуклости кривой размагничивания . W (удельная магнитная энергия) тем больше, чем выпуклее этот участок, т.е. чем больше Вr и Нс. А эти характеристики зависят от структуры. При размагничивании происходят те же два процесса, что и при намагничивании: 1) смещение доменной стенки (минимальные затраты энергии); 2) поворот векторов. Чтобы устранить (1), надо устранить доменную стенку – поэтому желательна однодоменная структура, когда домен совпадает с величиной зерна. Размер однодоменных зерен зависит от , К, Мs. (Например, у однодоменного железа размер зерна 0,05 мкм). На поворот векторов (2) влияет анизотропия структуры; их три вида. 87 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Виды анизотропии: 1) кристаллографическая магнитная анизотропия, измеряемая коэффициентом к, указывается в Нск. Например, у Fe Нск = 40 кА/м, Ni – 11, Co – 480 – самая большая. 2) анизотропия формы кристалла (круглая или вытянутая) указывается: Нсф. У железа (Fe) Нсф = 850 кА/м (максимум), Ni – 252, Co – 700. В вытянутом кристалле трудно моменту развернуться вдоль поля, если тем более возникает противоположное поле. 3) магнитная упругая анизотропия: Нсу, у Fe Нсу= 48 кА/м, Ni – 320 (max), Co –48. Т.О.: Общая Нс = Нск + Нсф + Нсу. Получается, что наилучший материал для магнитов сплав Fe-Ni-Co. Если взять в качестве магнита тонкую пластинку, в которой одно зерно и оно расположено вдоль, а также если использовать пластическую деформацию, то Нс еще больше возрастет! Многофазные магнитотвердые сплавы При получении таких материалов возможны 2 варианта:  ферромагнитная основа + неферромагнитные включения. Максимальное Нс для такого сплава будет в том случае, если матрица будет состоять из однодоменных зерен неравноосной формы, а включения по своим размерам будут соизмеримы с размерами доменной стенки и их будет небольшой количество в сплаве. Тем самым они будут выполнять роль стенки, которая фактически будет отсутствовать.  неферромагнитная основа + ферромагнитные включения. Максимальное Нс будет, когда в сплаве максимальное количество включений, которые должны быть однодоменными и вытянутыми по форме. Все истинные определяющие свойства магнитные характеристики, магнитотвердых Вr материалов, измеряются только на кольцевых образцах. Но кольцевые магниты не имеют смысла. Его нужно разомкнуть. Однако при BA размыкании в межполюсном пространстве появляется поле обратного направления. Появляется размагничивающий эффект , который зависит от следующих факторов: формы, объема, массы магнита и величины зазора. В результате образуется ВА – кажущаяся магнитная индукция (Вr – истинная – в круговом образце). Меняя эти факторы А ВА геометрии магнита (форму и зазор), можно сместить точку  А как можно ближе к максимальной W. НА 88 Оглавление W max Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 2.1. Литые магнитотвердые материалы Состав: Fe, Co, Ni + дополнительно: Cr, Ti, Al, Cu, Nb. Применение: крупногабаритные магниты в акустических динамиках. Недостатки: 1) хрупкость, 2) однодоменное зерно получить сложно, почти невозможно. Единственный выход: получить при литье столбчатую неравноосную структуру. После литья не обрабатываются, только термообработка: закалка с Т=1200С и отпуск Т=550 С. Самый перспективный способ литья – получение столбчатых кристаллов при направленном теплоотводе и в магнитном поле. Длина кристаллов до 300 мм. Марки ЮНДК4 ЮНДК8 ЮНДК18 ЮНДК35Т5Б ЮНДК35Т5БА «А» – анизотропный W, [кДж/м3] 3,6 5,1 9,7 16 Нс, кА 40 44 55 96 Вr, Тл ( мала) 0,5 0,6 0,9 0,75 36 110 1,02 2.2. Порошковые магнитотвердые материалы а) ММК – магнит металлокерамический. В отличие от сплавов ЮНДК, эти материалы применяют для мелких, повышенной точности магнитов – дорогих, т.к. у порошковой технологии нет отходов. Получают размалывают из в сплава порошок Fe-Ni-Co, неправильной который формы однодоменного строения, затем прессуют и спекают при Т = 1300 С. (Прессуют суспензию в магнитном поле.) На рисунке кривые размагничивания порошка сферической формы (1) и неравноосного, прессованного в магнитном поле (2). Изотропные Анизотропные Марка W, [кДж/м3] Нс, кА Вr, Тл ММК1 3 24 0,6 ММК6 5 44 0,65 ММК7 10 44 0,95 ММК11 16 118 0,7 б) ферриты магнитотвердые 89 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Изготавливают из оксидов Fe, Co, Ba однодоменного строения – их можно перемагничивать, т.е. применять не только для постоянных магнитов. Состав: ВаО 6Fe2O3, СаО 6Fe2O3 Б – бариевый Марка W, [кДж/м3] И – изотропн. 6БИ240 3 А- анизотр. 28БА190 14 6 (28) = ВхН – удвоенная 10КА105 5 магнитная энергия 14КА135 7 240 (190) – Нс в [кА] в) магниты из редкоземельных металлов (РЗМ) Нс, кА 240 190 105 Вr, Тл 0,19 0,39 0,23 135 0,28 Они обладают по своей природе большой индукцией и наибольшей магнитной энергией. К редкоземельным металлам относятся: Y (иттрий), Sm (самарий), Pr (празеодим). Состав: RCo5, R2Co17. R – один из РЗМ. Технология получения: берут порошок из РЗМ и сплав Sm + Со. В процессе спекания происходит расплавление сплава и заполнение микропор. Образуется монолитный магнит. Благодаря отсутствию пор, нет потерь на токи Фуко. Для получения анизотропии, прессуют в магнитном поле. Самая современная технология: плазменное напыление толстых (до 1 мм) пленок с последующей термомагнитной обработкой. Марка КС37 С37 – 37 % Sm, ост. Со (К) КС37Т СП37 - 37 % (Sm+ Pr) КСП37 г) композиционные магнитные материалы W, [кДж/м3] 55 65 65 Нс, кА 1000 1000 800 Вr, Тл 0,8 Получают из выше указанных порошков и полимерной связки. Магнитопласты - с пластмассой, магнитоэласты - с каучуком. Магнитные свойства ниже, но их преимущество заключается в высокой технологичности при формообразовании. Применение: магниты сложной формы. 2.3. Деформируемые магнитотвердые материалы а) пластичные сплавы: магниты получают пластическим деформированием, т.е. простой штамповкой. Характеристики у них хуже, но благодаря простой технологии изготовления, они очень дешевые. Формирующаяся при штамповке текстура повышает магнитные характеристики. Применение: крупные магниты, а также магниты в виде лент и проволоки. Наименование Хромко Викалой Кунико (Cu-Ni-Co) Кунифе (Cu-Ni-Fe) Платинакс Состав 30Cr, 25 Co, 45Fe 52Co, 13V, 35Fe 50Cu, 21Ni, 29Co 60Cu, 20Ni, 10Fe 78Pt, 22Co 90 Оглавление Марка 30Х25К 52К13Ф 78ПлК W, [кДж/м3] 7,7 5,5 6,5 6,7 40 (но дорогой!) Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» б) углеродистые стали (С  1 %) - дешевые материалы, но и самые слабые по магнитным свойствам. Применяют для изготовления крупногабаритных постоянных магнитов. Термообработка: закалка + отпуск. Свойства объясняются наличием анизотропии формы кристаллов мартенсита, его напряженным состоянием и большим количеством немагнитной фазы Fe3С. Состав Марка 3 % Cr ЕХ3 5Cr, 5Co ЕХ5К5 15Co, 2 Мо ЕХ9К15М2 Е - электротехническая магнитная сталь. W, [кДж/м3] 1,2 1,6 2,4 Материалы с особыми тепловыми свойствами Это материалы с аномальным, необычным поведением. К ним относят:  инвары - сплавы с заданным ТКЛР (температурным коэффициентом линейного расширения ),  элинвары - сплавы с заданным КМУ (коэффициентом модуля упругости). 3.1. Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения Аномальное поведение характеризуется Fe Ni тем, что у инваров температурный коэффициент линейного расширения не увеличивается с  +Ж ростом температуры, а изменяется по сложной  кривой (рис.). Это позволяет создавать сплавы с малым температурным коэффициентом линейного расширения, который стремится к 0.  100% 20 Fe и Ni имеют диаграмму с непрерывным рядом твердых растворов. Видно, что минимальный температурный коэффициент у обычного материала линейного 10 расширения у сплавов с 2945 % Ni. 29 Сущность (природа) инварности имеет ферромагнитный характер и объясняется 45 max 25% 36% -min большой объемной магнитострикцией парапроцесса s. Как известно, существует два вида намагниченности: до Нs – техническая намагниченность, изменяются линейные размеры образца, но объем остается тем же V1=V2. При Н > Hs– парапроцесс, когда увеличивается 91 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» и объем образца V3 > V1. Линейный размер обычных веществ зависит от температуры T: АT = Ао (1+ T). Ао – зависит от энергии связи атомов. Для ферромагнетиков, у которых есть парапроцесс,  состоит из двух частей:  = T + m. Самопроизвольно, без внешнего магнитного поля каждый домен инвара намагничен до насыщения, т.е. до А Ао m t Ао  t парапроцесса. Это значит, что каждый домен увеличен в объеме на величину s  m (магнитострикции) вплоть до температуры точки Кюри Т < . Получается, что А t Ао истинный размер такого ферромагнетика не известен. При нагревании T > 0, а m < 0 (происходит разориентация  t,K спиновых моментов) и обе эти величины меняются с одинаковой интенсивностью. АT = Ао + Ао T - Ао m Т, тепловая магнитная Поэтому у инвара АT=const до Т < . Так у сплава 36Н: = 1,510-6 1/С (в интервале –60100С). Применение: в осцилографах. Недостаток инвара – это то, что на его свойства очень вредное действие оказывает углерод, который вызывает ползучесть коэффициента , т.е. нет уверенности в поведении инвара. Для снижения влияния С и стабилизации , инвары легируют Co и Cu. Свойства суперинвара 32НДК (4% Cu , 1% Co): = 1,010-6 1/С (в интервале –60100 С). В приборостроении часто нужны сплавы с точно известным температурным коэффициентом линейного расширения. Применение: ввод электрода в стекло должен расширяться одинаково с ним. Инвар с заданным ТКЛР можно получить, меняя хим. состав сплава, а именно содержание никеля! Так, например, для пайки со стеклом служит сплав ковар 29НК: = 28,510-6 1/С (в интервале –70420 С). Для пайки с тугоплавкими стеклами и керамикой = 32,510-6 1/С (в интервале -70420 С); а используют ковар 32НК: для пайки стекла и платины сплав 47НД (платинит): = (4248)10-6 1/С (-70400 С). Если взять биметаллическую пластину, получится готовый терморегулятор. При нагреве пластинка биметалла сильно искривляется и замыкает либо размыкает электрическую цепь. По надежности такие реле превосходят любые другие электронные. 92 Оглавление (25%Ni) 25Н 36Н (36%Ni) Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении»  3.2. Сплавы с заданным коэффициентом модуля упругости  Et Е  у упругая область  E м Ео Е t у м  t, K Во всех твердых телах модуль упругости при нагреве уменьшается. А в элинварах – аномалия – он не меняется до температуры Кюри. Применение элинваров: пружины, резонаторы, точность которых не зависит от температуры нагрева. Природа элинварности тоже ферромагнитного происхождения. Растягивающие напряжения действуют на ферромагнетик подобно магнитному полю, ориентируя магнитные домены. В этом случае магнитострикцию называют механострикцией. В результате общая деформация  под действием  будет =у + м. Таким образом, в элинварах модуль упругости занижен: ЕТ = Ео - Ем. И если у обычных материалов при нагреве он снижается, то у элинваров – почти не меняется до точки Кюри ЕТ = Ео (1+Т), где  - термоупругий коэффициент, который зависит от химического состава. У инваров с 29 и 36 % Ni 0. Экстремальная зависимость – недостаток, т.к. небольшое изменение по составу, резко меняет . Можно снизить зависимость добавкой хрома. Это сплавы элинвары. В сплаве  29 36 % Ni 36НХ (36% Ni + 12 % Cr) низкая 0%Cr прочность. Для ее повышения легируют Ti, Al, которые имеют переменную растворимость в аустените и становится возможным  5%Cr 10%Cr упрочнение сплавов термообработкой (закалка + старение). Например, 42НХТЮ и 44НХТЮ с рабочей температурой 100 и 200 С,  = +1,510-5 1/С. 15%Cr Применение элинваров: в качестве упругих элементов с постоянным модулем упругости в интервале температур: в часах, барометрах. Надо знать, что во внешнем магнитном поле свойства инварности и элинварности исчезают. 93 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» ЛЕКЦИЯ 15-16. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ. ПРОВОДНИКИ В зависимости от величины удельного электрического сопротивления, с точки зрения электрических свойств, материалы подразделяют: =10-810-5 Омм – проводники (с высокой электропроводимостью) =10-5108 Омм – полупроводники =1081016 Омм – диэлектрики. Проводимость твердых тел Проводимость любого твердого тела определяется электронным строением и взаимодействием атомов в кристаллической решетке. Проводимость зависит от: - типа связи, дефектов, напряжений, примесей. Нахождение электрона на определенном подуровне определяется распределением: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6… Каждый электрон на своем подуровне имеет Е область А строго свою энергию и в нормальном состоянии никуда перейти не может. Но при сближении атомов в кристаллической решетке, соседние атомы влияют друг 3p 3s на друга, выдавливают электроны, что приводит к расщеплению оболочек и тем больше, чем они ближе. 2p 2s Например, такое перекрытие, как область А – характерно для металлического типа связи. В области А появляются электроны, способные переходить с заполненного уровня на свободный 1s a 2a уровень (валентных электронов). И эти электроны могут двигаться по всему объему металла, что и определяет электрическую проводимость твердых тел. Проводимость металлов разная и зависит от типа связи между атомами: 1). Металлы с металлическим типом связи: а) непереходные металлы - Cu, Ag, Au, Al, Na. У них валентная зона заполнена не зона проводимости полностью. 10-28 Дж Поэтому для перехода из заполненной зоны в незаполненную требуется очень малая энергия активации: достаточно небольшой разности напряжения. 94 Оглавление заполненная зона Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» б) переходные металлы Fe, Ni, Cr обладают несколько меньшей проводимостью. Они имеют незаполненный внутренний подуровень d. Так что если приложить разность потенциалов, то с 4s заполняется 3d. Это уменьшает число электронов проводимости и тем самым повышает удельное электросопротивление. Почти все элементы с металлическим типом связи являются проводниками. 2). Элементы с ковалентным типом связи (например, у кремния) заполненная зона и зона проводимости отделена запрещенной зона проводимости, (валентная) 10-19 Дж (невелика) заполненная зона зоной. В нормальном состоянии электроны не могут перескакивать. К тому же зона проводимости полностью заполнена. Однако из-за небольшой величины Е, уже при небольшом энергетическом воздействии, электроны могут переходить и быть носителями зарядов. Все металлы с ковалентным типом связи относятся к полупроводникам. 3). Элементы с ионным типом связи Е зона проводимости столь велика, что электроны ни при каком  большая воздействии не могут перейти на другой заполненная зона уровень. Перейдут только после разрушения материала (диэлектрический пробой). То есть электросопротивление очень высокое. Это диэлектрики. Влияние различных факторов на электропроводимость Факторы: температура, химический состав, пластическая деформация. - Температура С повышением температуры, электропроводность уменьшается. Сопротивление, наоборот, возрастает:  Т = о (1+ Т), где:  - температурный коэффициент, где: о и Т - при комнатной и повышенной температуре. t Т С С повышением температуры, периодичность кристаллической решетки нарушается из-за: а) увеличения количества вакансий; б) повышения амплитуды колебаний атомов. Так что с повышением температуры электросопротивление растет, причем линейно. 95 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» - Химический состав В идеальном кристалле электроны движутся беспрепятственно от атома к атому. Сопротивление возрастает при нарушении регулярности, создаваемом атомами примеси (черный атом), так как удлиняется путь электрона. В сплавах сопротивление меняется по известному закону Курнакова, отражающему зависимость физических свойств от типа диаграммы состояния. запомнить по Закон его просто графическому изображению. Вывод: Из графиков видно, что для катушек сопротивления и резисторов – лучше тип 1 с максимальным значением  и минимальным значением . А для проводников лучше сплавы типа 2, так резисторы проводники как у них легко подобрать . - Пластическая деформация С увеличением степени деформации, повышается плотность  дефектов. В результате увеличивается . 3 1 – Т (чистая медь, 100 % Cu) 2 – L (сплав Сu + 1% Ni) 2 3 - деф. (сплав Сu + 1% Ni + пластическая деформация). 1 Т, К Проводниковые материалы В зависимости от назначения материалов и величины электросопротивления, материалы делят на 5 групп: 1 – металлы и сплавы высокой электропроводности; 2 – припои (то, чем их соединяют); 3 – сверхпроводники; 4 – контактные материалы; 5 – сплавы с повышенным электросопротивлением. 1. Металлы и сплавы высокой электропроводности Это проводники. Требования к ним:  низкое электросопротивление,  чистый элемент, 96 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении»  высокая прочность,  высокая коррозионностойкость,  высокая износостойкость,  технологичность, в том числе паяемость. В качестве проводников применяют следующие металлы: Ag 0,006 Cu 0,017 Au Al Fe 0,022 0,028 0,096 , Омм 0,004 0,06 , 1/С Ag и Au – дорогие материалы, их применяют в единичном производстве.  Медь Основной проводник - медь. Ее электропроводность принимают за единицу. У нее высокая технологичность. Марки: б - бескислородная (кислород самая вредная примесь для проводимости). Марки М00б  примесей 0,01 % М0б 0,03 % Комментарии в = 230  280 Мпа, можно повысить пластической деформации 340350 Мпа) (после в = М1 0,1 % ММ медь мягкая Применяют, если нет требований по прочности МТ медь твердая Недостаток меди: высокая плотность. Провода большого сечения не выдерживают собственного веса (+ обледенение). А в приборостроении медь применяют очень широко. Еще шире применяют сплавы на основе меди, так как у них выше прочность, лучше механические свойства, а проводимость ненамного хуже: - латуни - сплавы с цинком: Cu+Zn, в >400 Мпа - бронзы (с любым другим элементом): Cu+Cd, Cu+Be, Cu+Ni (мельхиор).  Алюминий Марки АД0000 АД000 АД00 АД0 Особой чистоты Технически чистые:  примесей 0,02 % 0,2 % 0,3 % 0,5 % Преимущества: 1) материал легкий, 2) с высокой коррозионной стойкостью, 3) дешевле меди. Чаще применяется в бытовой технике, чем в приборостроении. Если медный провод заменить на алюминиевый, то при =const, диаметр провода увеличится в 1,5 раза, а масса уменьшится в 2 раза. 97 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 4) Алюминий очень технологичный металл. Из него можно получить очень тонкую фольгу для конденсаторов. Но есть недостаток (другая сторона пластичности): очень низкая механическая прочность: в =60 Мпа. Для повышения прочности можно применить сплавы Al-Mg-Si (в=300 МПа) и пластическую деформацию, после которой прочность вырастет в 2 раза (в=600 МПа).  Железо Основное достоинство железа – низкая стоимость и высокая прочность. Но есть большой недостатки: 1) низкая коррозионная стойкость. Для проводов чаще применяют сплавы железа с углеродом С=0,10,15, то есть сталь; в=300700 Мпа. Используют при небольших токах или большом сечении (рельсы в метро). 2) Fe - высокие потери. Один из приемов сохранить в и сталь Cu снизить , это применение биметаллических проводов. Присутствует скин-эффект (скин – кожа). Применение: передача переменных токов повышенной частоты. Преимущества биметаллического провода: снижение потерь (от внешнего слоя), большая прочность (от внутреннего). Покрытие создается гальваническим способом или плакированием. 2. Припои Назначение: соединение проводников. Требования:  малое переходное сопротивление в месте контакта,  высокая механическая прочность  высокая коррозионная стойкость  Тпл < Тпл соединяемых проводов  низкий интервал кристаллизации. Данным требования удовлетворяют следующие сплавы на основе Sn, Pb, Zn, Ag. Материал подбирается так, чтобы элементы имели эвтектику, так как у эвтектических сплавов маленький интервал кристаллизации и низкая температура плавления Тпл. Припои бывают: низкотемпературные и высокотемпературные. Высокотемпературные обладают высокой механической прочностью. Из-за высокой температуры, сам металл диффундирует в основу, поэтому резко возрастает адгезия. Это полупайка-полусварка. 98 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» низкотемпературные (ниже 400 С) для пайки Al и его сплавов 1) ПОС – припои оловяно-свинцовые Состав: Sn+Pb Марки: ПОС18, ПОС30, ПОС40, ПОС50, ПОС90 (% Sn) Тпл = 183 С  = 0,140,21 мкОмм 2) ПОЦ – припои оловяно-цинковые Состав: Sn+Zn Марки: ПОЦ40, ПОЦ60, ПОЦ90 (% Sn) Тпл = 199 С 3) Тпл может быть ниже, но чем она ниже, тем меньше прочность! Сплав Bi+Pb+Sn+Cd Тпл = 100 С Высокотемпературные (свыше 700 С) для пайки любых проводников 1) Припои системы Cu+Zn; Марки: ПМЦ36, ПМЦ48, ПМЦ54 (%Cu) Тпл = 825880 С,  = 0,030,04 мкОмм Для пайки медных проводов. Чтобы избежать окисления при пайке используют флюс – канифоль. 2) Cu-P - без флюса, так как не окисляется Марки: ПМФ7 (% Р) 3) Cu-Ag – для пайки любых проводов. Марки: ПСр10, ПСр45, ПСр61, ПСр72 (% Ag). Тпл = 779920 С 3. Сверхпроводники С понижением температуры у всех металлов  сопротивление монотонно снижается. Но есть особая группа сверхпроводник материалов, у которых при Ткр сопротивление падает до Ме нуля. Это явление имеет название сверхпроводимость. Помимо характеристики: Ткр существуют Iкр А/м2 другие (критический критические ток), Нкр А/м (критическое магнитное поле) . Ткр. 293 Т,К Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и 1000 сплавов. При обычных температурах ее нет. Переход в сверхпроводящее состояние связан с фазовыми превращениями, когда два электрона с разнонаправленными спиновыми моментами объединяются в пару. Пара становится нейтральна по отношению к атомам и решетке и беспрепятственно перемещается в ней. Сопротивление  0 и в замкнутом контуре проводника ток циркулирует бесконечно долго. Переходя в сверхпроводящее состояние металл становится идеальным диамагнетиком. Применение: в сверхмощных полях, приборах самонаведения. В магнитном поле появляется эффект левитации, когда сверхпроводник выталкивает магнитные линии. Применяют в гироскопах: якорь из сверхпроводника как бы плавает в магнитном поле и поездах на магнитной подушке. 99 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 4. Контактные материалы Предназначены для изготовления контактов, которые могут быть:  разрывные – для реле;  скользящие – реохорды в реостатах, а также в троллейбусах;  неподвижные – в зажимах и клеммах. Требования к контактным материалам:  малое переходное сопротивление (основное!);  износостойкость;  коррозионная стойкость;  эрозионностойкость. В зависимости от тока и мощности, контакты делят на слабо- и высоконагруженные. 4.А. Слабонагруженные разрывные контакты Служат для замыкания и размыкания электрических цепей. В месте контакта возникают искры, а иногда и дуга! (зависит от мощности). Это приводит к тому, что место контакта разогревается и окисляется, что повышает сопротивление и приводит к дальнейшему разогреву. А также это способствует к переносу материала с одного контакта на другой (это называется электрической эрозией). В результате на одном из контактов образуется кратер, а на другом – игла, площадь контакта уменьшается, что приводит к повышению сопротивления, разогреву и т.д. Материалы: благородные металлы Au, Ag, Pt, Pd. Они и называются благородными, т.к. не подвержены окислению и коррозии. Но их недостаток – малое сопротивление электрической Исключение эрозии, которая составляет Ag, всегда у присутствует, которого даже т.к. существует окисел искрение. электропроводный (электросопротивление при окислении не меняется). Поэтому контакты часто серебрят. Еще один недостаток – низкая механическая прочность, быстро изнашиваются. Чаще всего применяют медно-серебрянные контакты. 4.Б. Высоконагруженные разрывные контакты Для размыкания-замыкания высоковольтных цепей, прерыватель-распределитель автомобиля, реле поворота. Условия: высокий ток (500600 А), большой разогрев, сильная дуга в момент размыкания. 100 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Материалы: тугоплавкие металлы и сплавы на их основе: Mo, W, Ta. Для размыкания используют эффект взрыва! При возникновении дуги, образованный на W оксид испаряется. Очень часто используют композиционный материал W-Cu (вольфрамовую губку пропитывают расплавленной Cu; так же можно пропитывать Ag, но это дороже). Еще один композиционный материал: СОМ-10– «серебро-окисленная медь» (50 ч при 700 С сплав окисляют в кислороде). Такой сплав хорошо препятствует «свариванию», т.е. эрозии контактов. 4.В. Скользящие контакты Требования: троллейбуса), высокая коррозионная износостойкость стойкость, (например, механическая башмак прочность, искрогашение (сопротивление возникновению искр). Меняют конструкцию: заменяют скольжение на качение ролика). Материалы: - медь, латунь; – серебро - для низковольтной аппаратуры; - МГ3, МГ5 (Медь-Графит) - для высоковольтной аппаратуры (троллейбусы). Получают спеканием порошков. - СГ3, СГ5 (Серебро-Графит). Графит – для смазки, а также у него хорошее искрогашение. - бронза БрБ2В самых напряженных случаях. 4.Г. Неподвижные контакты Например, аккумуляторы в автомобилях. Материал самый разнообразный (медь, латунь, цинк). Легко подобрать. Проблема в окислении. 5. Сплавы с повышенным электросопротивлением Подразделяют на реостатные и для нагревательных элементов. Применение: катушки, резисторы, реостаты, шунты, термопары, тензодатчики, спирали утюгов и т.д. (Тензодатчик измеряет напряжение через измерение сопротивления. На деталь наклеивается спираль, которая при возникновении деформации растягивается. При этом изменяется ток через проволоку). Требования:  большое сопротивление (основное!);  минимальная термоЭДС в паре с медью;  жаростойкость;  технологичность. 101 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Этим требованиям удовлетворяют сплавы с неограниченной растворимостью, имеющие максимальное удельное электросопротивление, на основе Cu-Mn-Ni. Материалы: для прецизионных (высокоточных) резисторов до 200 С манганин МНМц 3-12 (Медь-НикельМарганец, 3 % Ni, 12 % Mn) сплав Ag+10 % Mn + 8 % Sn до 500 С константан МНМц 40-1,5, применение в термопарах для нагревательных элементов до 1100 С до 1200 С нихром Х20Н80 хромаль Х23Ю5 =0,43 мкОмм  =210-3 1/С =0,5 мкОмм  =310-3 1/С =0,48 мкОмм  =0 1/С =1,1 мкОмм =1,37 мкОмм силит SiC, MoSi2 =10-510-8 Омм тугоплавкие* W, Mo, Ta * Тугоплавкие металлы можно применять либо в вакууме, либо в защитной до 1500 С атмосфере (аргон), т.к. они образуют летучие окислы. ЛЕКЦИЯ 17. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ Классификация полупроводниковых материалов Полупроводниковые материалы принято делить на три группы. Первая группа 12 элементов Ш, IV, V, VI групп. Классические полупроводники Ge и Si. Каждый их атом образует только ковалентные связи в решетке типа алмаза. E = (0,2…8) 10-19 Дж. Соединения АIVВIV (например, SiС). Окраска кристаллов и тип проводимости зависит от примесей. E = 4,5 10-19 Дж. Применение: варисторы, резисторы, вентильные разрядники, силитовые нагреватели, работающие при температурах до 1500 С (срок службы – тысячи часов). Вторая группа Ковалентно-ионные соединения АШВV с алмазоподобной решеткой. Наиболее перспективными являются арсениды и антимониды GaAs, GaP. E = (0,4…2,4) 10-19 Дж. 102 Оглавление Третья группа АПВV1 – сульфиды и селениды металлов переменной валентности ZnS, CdS, ZnSе, CdSе. Применение: фоторезисторы, люминофоры. Оксиды и смеси оксидов FeО, ZnО (n- тип), Cu2O (pтип). E = (2,4…6)10-19 Дж Применение: выпрямители, фотоэлементы, реле времени, пожарная сигнализация. Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Проводимость полупроводников Свойства полупроводников могут быть объяснены с помощью зонной теории проводимости. E для полупроводников невелика и после энергетического воздействия электрон легко попадает в зону проводимости. Типы воздействия, приводящие к появлению проводимости, могут быть различными, например: - разность потенциалов; - нагрев; - световое воздействие. Как только электрон попадает в зону проводимости, материал становится проводником. Проводимость полупроводников может быть собственной или примесной. Собственная проводимость полупроводников объясняется тем, что подвижность носителей электрического тока (электронов и дырок) определяется температурой. Этот тип проводимости трудно контролируется и практического применения не имеет. 103 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Основное значение имеет примесная проводимость. В зависимости от валентности примеси, может получаться либо дырочная, либо электронная проводимость. Электронную создают элементы с большей валентностью (например, As для Ge, т.к. у Р лишний электрон – без пары, который участвует в проводимости). Такой вид примесной проводимости также называется донорным (n-типа). Дырочная (акцепторного типа, «p»-типа) проводимость образуется, например, когда основа – Si, а примесь – B. При переходе электрона от Si к B образуется дырка. Примеси, примесями и создающие имеют дырочную меньшую проводимость валентность. называются Акцепторные акцепторными примеси образуют дополнительные дополнительный уровень вблизи заполненной зоны. Для получения нужного типа проводимости, кристаллы легируют в микродозах (10–5 %). Например, для SiС (АIVВIV) примеси Ш и П групп являются акцепторными, а V и VI – донорными. 104 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Основные характеристики полупроводников 1. Np, Nn – концентрация примесных носителей. 2. p, n – подвижность носителей заряда – это количество носителей, проходящих через 1 м2 в 1 секунду при разности потенциалов U = 1 В. Например, у Ge при 20 С: n=0,38 [м2/Вс]; р=0,18 [м2/Вс]. Подвижность определяет быстродействие полупроводника. Уменьшают подвижность дефекты, примеси, тепловые колебания, границы зерен – именно поэтому максимальная подвижность у сверхчистых монокристаллов. 3. ж – время жизни носителя заряда – это период от возникновения до рекомбинации, не менее 10-9 с. 4. lж – диффузионная длина – пробег за время жизни – может быть от 0,2 до 3,0 м (при толщине пластины 50 мкм). 5. E - ширина запрещенной зоны: чем она шире, тем выше рабочие температуры. 6. Электрическое сопротивление , R и проводимость . Эти характеристики зависят от температуры (см. рисунок). Вывод. Все характеристики зависят от чистоты металла и количества дефектов, поэтому к полупроводниковым материалам предъявляются следующие требования: особая чистота исходных компонентов, особая точность химического состава, и технология получения, обеспечивающая минимальное количество дефектов (получение монокристаллов). 105 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» ЛЕКЦИЯ 18. ДИЭЛЕКТРИКИ Диэлектрики – это вещества, у которых заполненная зона отделена от зоны проводимости широкой запрещенной зоной, которую электроны преодолеть не могут (только при пробое, т.е. деструкции). Важнейшими твердыми диэлектриками являются керамика, полимеры и стекло. Тип связи: ионный или ковалентный (нет свободных электронов). Характерной особенностью диэлектрика является его способность к поляризации во внешнем электрическом поле. Поляризация – это образование диполей. Оно приводит к появлению внутреннего поля, противоположного внешнему (оно как бы сопротивляется ему). Емкость конденсатора , Емкость конденсатора с диэлектриком ε – диэлектрическая проницаемость; показывает, во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше, чем с вакуумом.  =312 – установочные диэлектрики (конструкционные);  =12100000 – конденсаторные диэлектрики. Основные виды поляризации В твердом диэлектрике могут проявиться несколько видов поляризации одновременно. Электронная поляризация Возникает при деформации электронных оболочек атомов и молекул: 106 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» электроны смещаются к «+», атомы в другую сторону к «-». Основной вид поляризации в ковалентных кристаллах. Время действия поляризации очень мало п =10-15 с, поэтому она не зависит от частоты поля. Е – напряженность электрического поля [В/м]. Ионная поляризация Возникает при упругом смещении ионов на расстояния меньше межионных: отрицательные к (+), положительные к (-). Время действия при нормальных температурах очень мало п =10-13 с, поэтому она не зависит от частоты поля. Однако, при повышенных температурах, когда добавляется диффузионное движение – поляризация зависит от частоты поля. Такая поляризация называется ионно- релаксационной – происходит смещение на расстояния больше межатомных. Дипольно-релаксационная поляризация Проявляется в полярных диэлектриках. Хаотичное расположение диполей сменяется их поворотом при наложении поляризация поля и наоборот. появляется и Эта исчезает значительно медленнее, чем рассмотренные выше, так как требуется преодоление сопротивления молекулярных сил. Такая поляризация зависит от частоты поля. Самопроизвольная (спонтанная) поляризация Наблюдается только у одного класса – сегнетоэлектриков (название от сегнетовой соли, имеющей такие свойства; иностранное название - ферроэлектрики – аналогично ферромагнетикам) принадлежащих к классу активных диэлектриков, которые используются для генерации и преобразования электрических сигналов. Известно около 500 сегнетоэлектриков. Все их свойства меняются нелинейно и максимальны вблизи точки Кюри, в том числе и диэлектрическая проницаемость. У сегнетоэлектриков при охлаждении ниже точки Кюри возникают области – домены - самопроизвольной поляризации. При отсутствии внешнего поля они расположены хаотично и суммарная поляризация Р = 0. Во внешнем поле Е происходит ориентация доменов. Возникает сильное внутреннее поле с максимальной поляризацией Рmax. При этом  увеличивается до максимума и вновь уменьшается. При изменении внешнего поля до 0, внутреннее поле в ноль не возвращается, т.е. существует остаточная поляризация Рr. Таким образом образуется петля гистерезиса, 107 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» аналогично ферромагнетикам, где Ес – называется коэрцитивной силой. Если Ес < 0,1 МВ/м – это мягкие сегнетоэлектрики, а Ес >1,0 МВ/м – жесткие (твердые). Характеристики диэлектриков 1)  - диэлектрическая проницаемость, зависит от температуры. 2)  - температурный коэффициент диэлектрической проницаемости  = (-1300… +3000)10-6 1/С – очень большой разброс значений в зависимости от температуры. а) при электронной поляризации  < 0. С повышением температуры тела расширяются, количество зарядов остается прежним, т.е. плотность зарядов уменьшается. б) при ионной поляризации  > 0. Рост поляризации при нагреве объясняется ослаблением притяжения между ионами и увеличением их смещения. Особенно сильно повышается поляризация, когда ионы смещаются на расстояния больше межионных – ионно-релаксационная поляризация. в) при дипольно-релаксационной поляризации действуют два фактора одновременно: силы межатомной связи (они с повышением температуры ослабевают, т.е. облегчается ориентация диполей и  > 0) и тепловое движение (с повышением температуры колебания усиливаются и начинают мешать ориентации диполей, т.е.  < 0). В результате действия противоположных факторов, поляризация меняется по кривой с максимумом: сначала увеличивается, а потом уменьшается. г) при самопроизвольной поляризации: аналогично дипольной. 108 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 3) Электрическая проводимость и сопротивление Поскольку в диэлектриках нет свободных электронов, то основное значение имеет ионная проводимость, обусловленная примесями. Электрическое сопротивление диэлектрика подразделяют на объемное и поверхностное, которые соответственно характеризуются: v и s. v [Омм] – зависит от состава и типа связи, имеет большую величину >108 Омм. При нагреве оно понижается в результате роста подвижности ионов. s – [Ом] – зависит как от состава, так и от чистоты поверхности: шероховатости, загрязненности маслами и влагой, которые могут образовать проводящую пленку на поверхности. Это может привести даже к потере диэлектрических свойств. Для повышения электрического сопротивления поверхности необходимо защищать поверхность лаками, эмалями, глазурью и красками. 4) Диэлектрические потери Это часть энергии поля, которая превращается в теплоту и нагревает диэлектрик. Появляется в переменных полях с f > 20 кГц, чем больше частота, тем больше потери. Чтобы оценить потери, проводят моделирование: диэлектрик принимают за конденсатор в переменном токе. У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током и напряжением 90, поэтому активная мощность Na и потери Р=0: Na=Р=IUcos =0. Однако диэлектрик не является идеальным конденсатором и угол сдвига фаз у него уменьшается на величину . tg  и  - диэлектрическая постоянная характеризуют диэлектрические потери: - коэффициент диэлектрических потерь, k – коэффициент, Е – напряженность электрического поля В/м, f – частота поля. В зависимости от значения tg  все диэлектрики делятся на 2 группы: низкочастотные и высокочастотные (tg  < 0,001). 5) Электрическая прочность Характеризует сопротивление пробою. Пробой – необратимое разрушение диэлектрика под действием поля. Пробивная напряженность Епр = Uпр/h, где h – толщина в месте пробоя. 109 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Виды пробоя: электрический, тепловой, электрохимический. а) электрический пробой возникает при ударной лавинообразной ионизации, обычно при включении – почти мгновенно ( =10-8 с) поля с напряжённостью Е >1000 МВ/м. б) тепловой пробой возникает при комбинированном воздействии поля и нагрева. Причем с повышением частоты поля тепловой пробой ускоряется, т.к. увеличиваются потери (tg ) и замедляется теплоотвод. в) электрохимический пробой наступает при длительном действии поля, когда возникают необратимые изменения в структуре, т.е. происходит старение в процессе эксплуатации. (Надо менять материал!) Классификация диэлектриков Классификацию проводят по следующим признакам. По химическому составу диэлектрики делятся на 2 группы:  органические (пластмасса, резина, шелк, бумага);  неорганические (слюда, стекло, керамика). По электрическим свойствам: а) низкочастотные tg = 0,010,1 (электротехнические изоляторы); б) высокочастотные tg  <0,001 (радиотехнические изоляторы). По нагревостойкости или термостойкости (длительное время работы) выделяют 7 классов: Y, A, E, B, F, H, C. Например, Y класс: термостойкость до 90 С (полиэтилен, шелк). С класс: выдерживают длительное время температуры до 180 С (самые стойкие: керамика, стекло и др.). По гигроскопичности (влагонасыщаемости): выше всех у диэлектриков с капиллярным и пористым строением. Например, высокая гигроскопичность у пористой керамики и плат из прессованной бумаги, поэтому для защиты их поверхность надо покрывать лаком. По механической прочности, в частности по изг, так как. один из серьезных недостатков диэлектриков – их хрупкость. Например, стекла и керамика на изгиб не работают, у них сж >> изг (изг =30…300 МПа – очень низкая). По температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР), особенно когда речь идет о работе в условиях быстрых теплосмен и в соединениях с металлами, например, если у ввода и стекла в лампе разный ТКЛР, произойдет разгерметизация (из-за 110 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» напряжений); у стекла и керамики:  = (3…8) 10-6 1/С; у органических диэлектриков:  = (60100) 10-6 1/С. Также диэлектрики делят по химической стабильности, которая определяет время старения и сроки эксплуатации диэлектрика. Наиболее высокая стабильность у неорганических диэлектриков (керамика, стекло), низкая стабильность у органических (резина). Можно повысить стойкость, например, легированием стекла ВаО и PbО. Полимер стареет просто на свету или в холоде. Химическая стабильность от них часто не требуется, т.к. приборы обычно морально устаревают раньше, чем механически. Материалы для низкочастотных диэлектриков Выделяют три основных группы материалов: 1) Конструкционная (установочная) керамика: электрофарфор (например, ролики на столбах) 2) Конденсаторная керамика: сегнетокерамика и пьезокерамика. Сегнетокерамика: достоинство - большая диэлектрическая проницаемость, недостаток – большие потери и низкая Е пробоя. Сегнетокерамика бывает с малой и большой нелинейностью изменения  в зависимости от темпе6ратуры, которая характеризуется отношением . К примеру, СМ-1 и Т-7500 – материалы с большой нелинейностью, используют в варикондах – конденсаторах переменной емкости, в усилителях и др. Т-7500: . Пьезокерамика: в основе пьезоэффекта лежит поляризация (смещение ионов) в решетке под действием упругой деформации. Пьезоэффект характеризуется пьезомодулем d33 [Кулон/н]. Используется для преобразования колебаний в электрический сигнал и наоборот. Пьезоэффект может быть прямой и обратный. Прямой пьезоэффект наблюдается, когда в пластинке, к которой прилагается перпендикулярно направленная сила, возникает разность потенциалов (поляризация). Обратный пьезоэффект – возникновение звуковых колебаний при приложении разности потенциалов. Это используется, например, в 111 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» термонагревателе или его обратном эффекте – холодильнике (если приложить разность потенциалов, то в месте спая будет нагрев или, если поменять направление тока, охлаждение до -40 С). Материалы:  природный материал - пьезокварц с d33=6∙10-8 Кл/н;  искусственные материалы – твердые растворы на основе титаната бария НТБ (BaTiO3), титаната свинца НТС и ниобата свинца НБС с d33=6 ∙10-9 Кл/м (в последнее время разработаны дешевые пленочные пьезоэлектрики со структурой электретов, применяются в различных датчиках давления и в жидких средах, а также медицинских приборах) 3) Пластмассы: полиэтилен (разноцветные выключатели), поливинилхлорид, эпоксидные смолы, фенольные смолы . Недостаток: из-за очень низкой теплопроводности и термостойкости нельзя использовать при высоких температурах. Материалы для высокочастотных диэлектриков Выделяют две основных группы: 1. конструкционная (установочная) керамика:  стеатитовая керамика – с высокой термостойкостью (ультрафарфор) .  пластмассы: полистирол, фторопласт .  стекла (недостаток низкая технологичность) . 2. конденсаторная керамика  керамика на основе двуокиси титана (чем больше TiO2, тем выше  и αɛ) бывает двух типов – тиконды (титановые конденсаторы) Т60, Т80, Т150 (цифра обозначет величину ɛ) и термоконды (с высокой стабильностью и теплостойкостью, т.к. используются добавки ZrO2) Т20, Т40. 112 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» ЛЕКЦИЯ 19. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ Назначение конструкционных материалов: детали машин и приборов с разными условиями нагружения и эксплуатации. Требования к любому материалу с точки зрения инженера единые: материал должен обеспечить надежную работу в течение заданного срока эксплуатации. Основные требования к материалам:  эксплуатационные требования, определяющие работоспособность: прочность, надежность и долговечность;  технологические требования, определяющие удобство изготовления детали;  экономические требования. Эксплуатационные требования а) Критерии оценки конструкционной прочности материала  Предел (σпц) пропорциональности – напряжение, максимальное до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением. Линейная зависимость между деформацией и напряжением называется законом Гука: где Е – модуль упругости (модуль Юнга).  При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение и сужение сечения). Характеристики пластичности: относительное удлинение и относительное сужение где l0 и lk– начальная и конечная длина образца, F0 - начальная площадь поперечного сечения, Fk -площадь поперечного сечения после испытания в месте разрыва. 113 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении»  Условный предел упругости – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Рассчитывают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (ε = 0,005…0,05 %).  Предел текучести - сопротивление материала небольшим пластическим деформациям. Физический предел текучести σт – напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке. Характерен для очень пластичных материалов. Условный предел текучести – напряжение, вызывающее остаточную деформацию ε = 0,2 %:  Предел прочности – максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву): Для таких областей, как авиастроение и автомобилестроение важными являются характеристики удельной прочности и удельной жесткости . Критерии работоспособности могут быть разными, но, как правило, материал оценивают исходя из допустимых нагрузок или исходя из допустимых деформаций. б) Критерии оценки надежности Они характеризуют вероятность безотказной работы, так как критерии прочности не учитывают условия нагружения, агрессивность среды и т.д. Надежная работа материала – это отсутствие внезапного разрушения при нагрузках, не превышающих расчетные. Обычно внезапное разрушение начинается из-за дефектов, являющихся концентраторами напряжений. На дефектах зарождается и растет усталостная трещина. Дефекты конструктивными могут быть: структурными (крупные включения (резкие переходы диаметров от большого и к маленькому) и технологическими (после сварки, обработки давлением или быстрого охлаждения). 114 Оглавление поры), Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» В пластичных материалах в устье трещины дислокации вызывают пластическую деформацию и наклеп. В результате увеличивается Rтрещины, что снижает уровень напряжений, а трещина затупляется и прекращает расти. В хрупких материалах дислокации малоподвижны и блокированы. Поэтому трещина быстро растет, разрушая материал. Характеристики надежности: 1) пластичность ,  ; 2) ударная вязкость КСU, KCV, KCT (вязкость – способность материалов поглощать энергию развиваемых в нем трещин); 3) для высокопрочных материалов введена дополнительная характеристика трещиностойкости - коэффициент Ирвина , показывающий значения напряжений, вызывающих переход стабильной трещины в нестабильную. Эффективные способы повышения трещиностойкости: ХТО и поверхностная пластическая деформация, формирующие на поверхности напряжения сжатия, которые захлопывают трещины. 4) для температурах, материалов, введена работающих еще одна при низких характеристика надежности: Тпх – температура порога хладноломкости, при которой характер разрушения скачкообразно меняется: ниже – хрупкое разрушение с трещинами; выше – вязкое разрушение. При Тпх КСU меняется в 2 раза, она зависит от химического состава и структуры. Тпх можно повысить легированием и уменьшением зерна. Особенно сильное влияние оказывает фосфор, доли которого повышают Тпх на десятки градусов, т.е. до комнатных температур. Критерии надежности материала оценивают склонность материла к хрупкому разрушению. в) Критерии оценки долговечности Это критерии оценки длительности работы детали в разных условиях эксплуатации, причем при нагрузках, не превышающих расчетные. Используют разные характеристики. Например:  при циклическом нагружении (это явление усталости) - -1;  при работе на трение (износ) – V износа (V / и m / );  в условиях напряжения + высокая температура – V ползучести (l /);  в агрессивной среде – V коррозии (m / ); 115 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении»  в условиях радиации – радиационная стойкость (h, мкм). Конструкционная прочность – комплекс свойств, с помощью которых можно оценить пригодность материала для конкретного назначения. Способы повышения конструкционной прочности Повысить можно все характеристики конструкционной прочности металлов, кроме модуля упругости и плотности. Способы повышения прочности металлов:  мелкое зерно;  уменьшение дефектов – получение монокристаллов;  увеличение дефектов – пластическая деформация, наклеп;  использование твердых растворов вместо чистых металлов;  формирование дисперсных частиц – в сплавах с переменной растворимостью. Однако, повышение прочности не всегда означает повышение надёжности: к примеру, мартенсит имеет высокие характеристики, но характеристики надежности у него невысоки. Способы повышения надежности:  уменьшение количества вредных примесей (сера, фосфор, мышьяк); необходимо использовать чистую шихту, а также дополнительный переплав методами ЭШП (электрошлакового переплава), ВДП (вакуумно-дугового переплава) или ЭЛП (электроннолучевого переплава).  мелкое зерно;  микролегирование (например, добавка 0,0005 % В значительно повышает свойства стали). 116 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Повышение долговечности В зависимости от условий работы, используют разные способы: при циклическом нагружении и износе – упрочнение поверхности и создание остаточных напряжених сжатия; в агрессивной среде – лаки, краски и т.д.; для защиты от радиации – использваоние специальных материало и защита (свинец). Технологические требования Необходимо обеспечить минимальную трудоемкость изготовления деталей. От технологии изготовления детали зависят: качество изделия, производительность труда и т.д. Технологичность оценивается способностью к обработке резанием, давлением, сварке, литью, а также эффективностью ТО и ХТО, когда нужно избежать коробления детали (искажения их формы при различных видах ТО и ХТО). В целом качество деталей определяется культурой производства. Например, в Японии из тех же материалов благодаря более высокой технологии (т.е. культуре производства) делают более качественные изделия. Экономические требования В этот раздел включают ограничение стоимости и дефицитности материалов в соответствии с назначением изделия и массовости производства. Все эти требования должны учитываться в совокупности. Например, при массовом производстве лучше брать дешевые материалы и использовать дорогую технологию (например ХТО с дорогим оборудованием). При единичном производстве – наоборот, т.к. для двух валиков невыгодно использовать дорогое оборудование. Есть дорогие отрасли по определению, например, ракетостроение. Исторически, сложилось так, что при производстве сельхозтехники использовали дешевую сталь, обосновывая это тем, что комбайнов нужны миллионы. В результате миллионы комбайнов выходили из строя. Это неправильный подход. Если взять качественную сталь, то количество сельхозмашин уменьшится, а срок их действия увеличится. Классификация конструкционных материалов приборостроения I. Материлы общего назначения, обеспечивающие высокую жесткость и прочность П. Материалы с высокими упругими свойствами Ш. Материалы малой плотности (металлические и неметаллические) IV. Материалы с высокой удельной прочностью V. Материлы коррозионностойкие 117 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» ЛЕКЦИЯ 20. СТАЛИ Классификацию сталей проводят по различным признакам:  по химическому составу;  по качеству;  по степени раскисления;  по структуре;  по прочности;  по назначению. Углеродистые стали Классификация углеродистых сталей По химическому составу: углеродистые низкоуглеродистые до 0,3 % С среднеуглеродистые высокоуглеродистые 0,30,5 % С > 0,5 % С легированные низколегированные до 5 % ЛЭ среднелегированные 510 % высоколегированные > 10 % Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. Углерод определяет закаливаемость стали, т.е. возможность повышения твердости при закалке. Чем больше углерода, тем эффективнее закалка. Обычно закалке подвергают стали с содержанием углерода 0,4 %. По качеству: качество определяется металлургическим процессом: составом шихты, ведением плавки и т.д., но главное – наличием соединений серы и фосфора. S, % Р, % Обыкновенного качества > 0,055 > 0,04 Качественная > 0,04 > 0,035 Высококачественная > 0,025 > 0,025 Особо высококачественная (ЭШП) > 0,015 > 0,025  S – вызывает красноломкость, т.к. она образует тройную легкоплавкую эвтектику с Тпл=981С и при горячей обработке давлением (1100…1200 С) – по границам зерен эта эвтектика оплавляется. 118 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении»  Р – вызывает хладноломкость, т.к. он растворяется в феррите и резко искажает его решетку. В результате появляются большие внутренние напряжения, что повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Чем больше Р, тем выше температура охрупчивания. Пластическая деформация становится невозможной.  O2, Н2, N2 (газы) – скрытые вредные примеси, вызывают и красноломкость и хладноломкость.  Случайные примеси – попадают из металлолома или из разных месторождений. Всего до 10…20 %. Могут оказывать как отрицательное, так и положительное влияние. По степени раскисления при разливке (по способу удаления кислорода при выплавке):  спокойные - раскисляют Si, Al, Mn (САМ) – концентрированная усадочная раковина, нет видимых признаков кипения. После марки ставится «сп»: Пример: 20сп;  полуспокойные – раскисляют Al, Mn (АМ) – небольшая рассеянная пористость. Пример: 20пс;  Кипящие - Mn (М) – поры по всему объему, усадочной раковины нет. Пример: 20кп; По равновесной структуре после отжига: Содержание углерода, % Доэвтектоидная П+Ф < 0,8 Эвтектоидная П 0,8 Заэвтектоидная П+Ц > 0,8 Если проанализировать структуры, то можно заметить, что по мере увеличения Сталь Фазы количества углерода, увеличивается количество цементитной составляющей, что повышает критерии прочности (НВ, в) и снижает характеристики пластичности и надежности (, КСU). По прочности:  нормальной прочности в < 1000 МПа;  высокой прочности в = 1000…1500 МПа. По назначению:  Конструкционные стали (для изготовления деталей машин, конструкций);  Инструментальные (инструмента). 119 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» На каком признаке классификации лучше остановиться? Такого нет! Сталь классифицируют сразу по всем признакам, например, конструкционная углеродистая качественная или инструментальная легированная повышенной прочности. Углеродистые стали обыкновенного качества В этих сталях содержание примесей S  0,55 %, Р < 0,04 %. Обладают высокой жесткостью. Поставляются в виде проката (прокат, швеллеры, листы). После прокатки – охлаждение на воздухе. Термической обработке не подвергаются. Стали маркируются по химическому составу с указанием «Ст», номера марки и способа раскисления. Марка Ст1сп, Ст1пс, Ст1кп Ст2 Ст3, Ст4 Ст5, Ст6 в, МПа 320-400 340-400 380-500 490-550 Применение строительные конструкции неответственный крепеж неответственные детали машин: валики, шестерни Углеродистые качественные стали В отличие от сталей обыкновенного качества, в этих содержание примесей меньше: S 0,04 %, Р < 0,035 %. Их выплавляют в мартеновских печах и электропечах. Поставляют после ковки и термической обоработки с гарантированными значениями механических свойств и химическим составом. Маркируются по среднему содержанию углерода в сотых долях. Марка 08, 10, 15, 20, 25 в, МПа 320-340 400-450 , % 30-35 25 Применение низкоуглеродистые: а) высокопластичные для штамповки мелких неответственных деталей б) цементуемые стали для деталей в узлах трения с твердой поверхностью и мягкой сердцевиной; ТО: цементация+зак.+низ. отп. 30, 35, 40, 500-650 20-15 улучшаемые стали: 45, 50, 55 для неотв-х деталей без доп. ТО некрупные детали массового производства ТО: зак.+выс. отп. 60, 65, 70, 700-850 12-8 а) рессорно-пружинные: 75 пружины, упругие элементы 60Г б) ж/д рельсы и ж/д колеса ТО: зак.+ средний отпуск Углеродистые качественные стали – дешевые и имеют широкий диапазон свойств, однако у них низкая прокаливаемость (меньше 30 мм), закаливаются только в воде, поэтому неизбежно коробление. Следовательно, такие стали можно подвергать лишь средним нагрузкам и использовать для несложных, не ответственных деталей. 120 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Легированные конструкционные стали Легирующие элементы, в отличие от примесей, специально добавляют в сталь для изменения ее структуры и свойств. В сталях – это как правило: Cr (Х), Ni (Н), Mn (Г), Si (К). Их называют основными легирующими элементами. Они маркируются русскими буквами. По сравнению с маркировкой, принятой в США, Англии и др. странах, маркировка, принятая в России наиболее наглядна и удобна. Например, по содержанию углерода можно определить тип стали: 20ХНВА – цементуемая, 38ХМЮА – улучшаемая. Существуют классификаторы перевода марок разных стран. Стали также легируют W (В), V (Ф), Mo (М), Nb (Б), Ti (Т), которые вводят в десятых и сотых долях %. Легирующие могут присутствовать в сплавах в разном виде: 1) в элементарном виде - Pb, Ag (Pb – в автоматных сталях), не взаимодействуют ни с Fe ни с С; 2) образуют твердые растворы с Fe и влияют на температуру полиморфного превращения Fe; 3) могут растворяться в цементите, т.е. образовывать легированный цементит, который по свойствам почти не отличается от обычного цементита; 4) могут образовывать собственные карбиды (например, Cr7С6); 5) образуют промежуточные фазы между собой или с Fe (интерметаллиды – соединения металлов); 6) образуют соединения с азотом – нитриды (очень хрупкие!). В настоящее время технологическими приемами от них стараются избавляться; Основные преимущества легированных сталей по сравнению с углеродистыми связаны с более высокими механическими свойствами после упрочняющей термобработки:  лучше прокаливаемость, т.к. легирующие элементы снижают критическую скорость охлаждения;  меньше дефектов после закалки благодаря более мягким условиям охлаждения в масле или даже на воздухе;  меньше хрупкость благодаря мелкозернистой структуре  более высокая прочность и износостойкость благодаря более прочному твердому раствору и за счет образования карбидов, т.к. многие легирующие элементы – сильные карбидообразователи;  выше температуры эксплуатации благодаря легированию Si, который повышает температуру последнего отпуска. 121 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Классификация легированных сталей По качеству  качественные 40ХН, 30ХГТ;  высококачественные: 20ХН3А, 40ХНА;  особовысококачественные: ЭП69 с электрошлаковым переплавом для турбин ракетных двигателей. По структуре в равновесном состоянии (после отжига) Низколегированные  5 % ЛЭ Доэвтектоидная Эвтектоидная Заэвтектоидная Флег+ПФлег+Цлег(К) ПФлег+Цлег(К) ПФлег+Цлег(К)+К Среднелегированные 5…10 % ЛЭ Ледебуритный класс П+К+ЛП+К Ферритный класс Ф или Ф+К Аустенитный класс А или А+К высоколегированные  10 % ЛЭ По структуре после нормализации  стали перлитного класса, имеющие структуру перлита (П), сорбита (С) или тростита (Т);  стали мартенситного класса со структурой мартенсита (М) (М образуется на воздухе);  стали аустенитного класса со структурой аустенита (А) (Мн  0 С). По прочности  нормальной прочности в < 1000 МПа;  повышенной прочности в = 1000…1500 МПа;  высокопрочные в > 1500 МПа. По назначению  конструкционные;  инструментальные;  рессорно-пружинные;  специального назначения (цементуемые, жаростойкие, износостойкие и др.). 122 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Легированные стали повышенной прочности Такие стали по содержанию углерода и типичной термообработке подразделяют на три подгруппы: мало- и среднеуглеродистые и рессорно-пружинные. Малоуглеродистые стали (С  0,3 %) По типичной ТО их называют «цементуемые». ТО состоит из цементации или нитроцементации и последующей закалки (по определенной схеме) + низкий отпуск. Используют эти стали для деталей, работающих на износ. В этой группе есть еще три подгруппы, различающиеся по степени легирования: малолегированные высоколегированные экономно легированные (стали-заменители) 15Х, 20Х ТО: закалка в масле + низ. отпуск Dкр=15 мм 12Х2Н3А, 18Х2Н4ВА ТО: закалка на воздухе Dкр=120 мм (достоинство: сочетание прочности и пластичности) 18ХГТ, 20ХГМ (прочность такая же, но (вместо Ni – Mn; + Ti, который пластичность меньше) уменьшает зерно) Среднеуглеродистые стали (0,3-0,5 % С) Типичная ТО – улучшение, структура – сорбит отпуска. Это улучшаемые стали. Т.к. Cr вызывает отпускную хрупкость 2 рода, после высокого отпуска надо охлаждать быстро – в масле. Закалка тоже в масле. Также 3 подгруппы: малолегированные высоколегированные экономно легированные (стали-заменители) 40Х, 40ХР, 45Х (0,005 % В) 40ХНА, 40ХНВА, 38ХН3А стали мартенситного класса 39ХГСА в=1000 МПа, =10 %, КСU-0,5; Dкр=15 мм в=1200 МПа, =12 % КСU-0,9; Dкр=120 мм закалка на воздухе; сочетание прочности и пластичности в=1200 МПа, =10 % КСU-0,5; Dкр=50 мм прочность такая же, но КСU и прокаливаемость меньше Рессорно-пружинные стали (0,5-0,7 % С) К ним относятся стали со структурой перлита с высокими упругими свойствами. Работают в зоне упругих деформаций. Основная характеристика 0,2. Особенности сталей: 0,2 1000 МПа, -1= 500…600 МПа, =5-8 %, КСU=0,5; НRС 45; сквозная прокаливаемость, высокая релаксационная стойкость. 123 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Необходимые свойства достигаются легированием (1 % Mn, 1…3 % Si, 1 % Cr) и ТО: закалка + средний отпуск 400…450 С. К примеру, стали марок 55С, 60С, 60С2, 60Г, 60СГ, 50ХФА, 50ХГФА. Высокопрочные легированные стали Это стали с в 1500 МПа,   10 %, КСU=0,5. В углеродистых сталях можно получить такую прочность после закалки и низкого отпуска, но нельзя получить одновременно такую пластичность. Таким комплексом свойств обладают 3 группы сталей: комплексно легированные, мартенситно-стареющие и трип-стали. Комплексно легированные стали Химический состав: С=0,3…0,4 %; много легирующих элементов, но каждого примерно 1 % (Cr, Mn, Ni, V, W Mo). Марки: 30ХГСНА, 30ХГСА, 30ХГСНВА, 30ХГСНВФА. Структура: Мотпуска после термомеханической обработки (ТМО) + низкий отпуск. ТМО – комплексная обработка, состоящая из пластической деформации и закалки. Высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) проводят при высокой температуре с небольшим перегревом и быстро охлаждают в масло, чтобы исключить рост зерна. Низкотемпературную термомеханическую НТМО проводят при низких температурах. Преимущества по сравнению с традиционной закалкой: очень мелкое зерно + наклеп; KCU возрастает в 2 раза; хорошее сочетание в и  (причем в до 2800 МПа). Свойства после НТМО выше, но такое состояние труднее реализуется из-за сложности деформирования при низкой температуре. Этот метод используется для очень ответственных и нагруженных деталей. 124 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Мартенситно-стареющие стали Химический состав: С  0,03 % - почти нет; 16…25 % Ni, т.е. это Fe-Ni сплав. Ni стабилизирует аустенит вплоть до начала мартенситного превращения. Чтобы компенсировать такое влияние Ni, сталь легируют Со – единственным элементом, повышающим температуру начала мартенситного превращения Мн и и конца Мк. Этим он способствует тому, что сталь можно легировать упрочняющими элементами: Al, Be, Ti, Cu, Mo. Упрочнение основано на переменной растворимости легирующего элемента в мартенсите (как в сплавах Cu-Al). Эти элементы при старении образуют упрочняющие вторичные фазы. Например: Ni3Ti и NiAl. Упрочняющая ТО: закалка 820…860 С на воздухе + старение 500 С. После закалки получится пересыщенный твердый раствор (т.е. мартенсит), но пересыщенный не углеродом, а легирующими элементами. Степень пересыщения очень большая, т.к. это твердый раствор замещения, а не внедрения! в, МПа т, МПа , % КСU, МДж/м2 закалка 1000 850 25 3 03Н18К9ТЮА старение 2000 500 10 0,5 Всю механическую обработку и сварку делают после закалки. Применяют такие Марка стали для деталей очень ответственного назначения: летательных аппаратов, шасси и т.д. Аустенитные стали (трип-стали) Марка: 25Н25М4Г. ТО: закалка 1100 С в воде – структура, состоящая из аустенита; деформационное старение (500 С + деформация,  = 60 %) –из аустенита выделяется карбид Мо2С. Свойства: в=1800 МПа, =20 %. В зоне трещины, во время ее роста, происходит превращение А – М, что останавливает рост трещины. Из-за этого превращения, и поверхность деталей в процессе эксплуатации становится все тверже и тверже. 125 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» ЛЕКЦИЯ 21. МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКИМИ УПРУГИМИ СВОЙСТВАМИ В машиностроении материалы с высокими упругими свойствами используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин; в приборостроении – для упругих элементов: мембран, пластин реле, сильфонов (трубка-гофр). Особенности выбора материалов для приборостроения: а) нужна высокая чувствительность прибора (например, бабочка сядет на автомобиль или пружину часов); б) необходима минимальная остаточная деформация (у прибора после снятия нагрузки, стрелка должна вернуться в 0; например, самолет спустился, а высотомер показывает еще 300 м). Требования к пружинным сплавам: прочность, выносливость, релаксационная стойкость, коррозионная стойкость, стабильная характеристика и особые: немагнитность или электропроводность. Показатели упругих материалов 1. Релаксационная стойкость Это способность материала сопротивляться снижению (релаксации) рабочих напряжений. Снижение раб рабочих раб” напряжений в пружинах недопустимо, так как если раб уменьшатся до раб”, то после разгрузки появится остаточная  ост. , % деформация, т.е. деталь изменит форму и размеры. Релаксационная стойкость обеспечивается: а) малым уровенем внутренних напряжений; б) стабильной структурой, в которой исключено любое перемещение дислокаций, для этого надо увеличить их количество и создать барьеры для их движения. Очень эффективно применение ТМО. 2. Характеристика «Характеристика» - это зависимость деформации упругого элемента от приложенной силы. Например, характеристика пластины – зависимость перемещения свободного конца от действующей силы. Характеристика должна быть линейной. Чем она больше, тем чувствительнее прибор. Например, у бронзы она в 2 раза больше, чем у стали: 126 . Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» У сталей Е = 2,14 105 МПа; у меди Е=1,25 105 МПа (в 2 раза меньше!). Чувствительность упругого элемента тем выше, чем выше предел упругости (0,002) и чем ниже модуль упругости Е. Модуль упругости металлов изменить нельзя, т.к. он зависит только от природы, предел упругости можно повысить ТО, легированием и др. Рабочее напряжение упругого элемента должно быть ниже предела упругости, т.к. выше предела упругости появляются неупругие эффекты, ухудшающие работу прибора. К неупругим эффектам относят: упругое последействие, релаксацию, гистерезис и внутреннее трение. 3. Упругое последействие Проявляется в отставании упругой деформации от напряжения при быстром нагружении, причем, =const. Определяет быстродействие прибора. 4. Релаксация В результате релаксации напряжение снизится и после разгрузки сохранится остаточная деформация (см. выше), показания прибора не возвратятся в ноль. 5. Гистерезис Проявляется в несовпадении характеристик упругого элемента при нагружении и разгрузке. Причина – рассеяние упругой энергии, которое оценивается площадью петли и отношением ее ширины Г к наибольшей упругой деформации: Г/max. 6. Внутреннее трение Проявляется при циклических напряжениях ниже предела упругости в момент резонанса упругого элемента. Когда частота вынужденных колебаний упругого элемента совпадает с частотой собственных колебаний, происходит всплеск колебаний, т.е. резонанс. В идеально упругом материале резонанс наблюдается при одной частоте fрез. В реальном поликристалле амплитуда колебаний А растет в некотором 127 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» интервале частот. Это и есть проявление внутреннего трения. Ширину этого интервала на высоте 0,7Аmax принимают за величину внутреннего трения f. Отношение f рез/f называют добротностью упругого элемента. Для того, чтобы снизить неупругие эффекты, надо повысить сопротивление малым пластическим деформациям, т.е. сформировать малоподвижную дислокационную структуру. Способы снижения неупругих эффектов:  легирование с целью получения мелкодисперсных фаз, препятствующих движению дислокаций;  ТО, которая способствует появлению таких мелкодисперсных фаз: закалка+старение (зоны ГП);  холодная пластическая деформация, которая создает поля упругих напряжений. препятствующих движению дислокаций. Все эти способы эффективно повышают предел упругости. Материалы для упругих элементов в приборостроении Бериллиевая бронза – лучший материал для изготовления упругих элементов, так как кроме упругих свойств обладает коррозионной стойкостью, проводимостью и немагнитностью. БрБ2 (2 % Ве) после ТО, состоящей из закалки и старения имеет . БрБ2,5 (2,5 % Ве) после ТО, состоящей из закалки и старения имеет но стоимость такой бронзы возрастает непропорционально – в несколько раз. Материал не хранится на воздухе –«дымит» и токсичен, поэтому хранить надо в бензине. Из-за дороговизны бериллия, стараются уменьшить его количество путем легированияникелем и титаном, которые повышают эффект от старения. Еще больше повышается эффект после микролегирования бором 0,001% (уменьшается дисперсность частиц). БрБНТ1,9 ТО, состоящей из закалки и старения имеет после ТО и пластической деформации Сплавы элинварного типа 36НХТЮ после ТО имеют , но Е=2,1 105 МПа (почти в 2 раза выше). 36НХТЮМ8 (+Мо) после закалки, ХПД и старения имеет 128 Оглавление . Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Рессорно-пружинные стали К ним относятся высокоуглеродистые конструкционные стали (0,5…0,8 % С). Работают в зоне упругих деформаций. Основная характеристика 0,2. Особенности: 0,2  1000 МПа, сквозная прокаливаемость, высокая релаксационная стойкость. Необходимые свойства достигаются легированием (1 % Mn, 1…3 % Si, 1 % Cr) и ТО: закалка + средний отпуск 400-450 С. Получаемая структура, которая сотоит из тростита отпуска (Тотп) отвечает этим целям. У троостита эффективное двойное закрепление дислокаций: феррит (мелкодисперсный, со следами фазового наклепа) + цементит (частицы-барьеры). Возможны дополнительные меры по закреплению дефектов: а) ППД в заневоленном состоянии, цель – сместить и закрепить дефекты; б) патентирование – многократное повторение двух операций (изотермическая закалка на троостит или бейнит + ХПД). Основные марки: 60Г, 65Г Легированы только Mn. Недостаток – склонность аустенитного зерна к росту, ограничить ее может Si, замедляющий диффузионные процессы. 55С, 60С, Легированы Si. 60С2 Недостаток – склонность к обезуглероживанию. 60СГ, 50ХФА, Обладают наилучшими свойствами. 50ХГФА, 60С2Н2А Обезуглероживание (выгорание углерода на поверхности) опасно тем, что мягкая поверхность подвержена механическим воздействиям (царапинам, рискам), снижающим циклическую прочность (-1). Мелкие пружины навиваются после окончательной ТО, крупные (и пружины и рессоры) – до ТО, то есть после отжига. Окончательную ТО (закалку и средний отпуск) проводят в заневоленном состоянии. ЛЕКЦИЯ 22. МАТЕРИАЛЫ МАЛОЙ ПЛОТНОСТИ Основа Магний Алюминий Титан Бериллий Углеродное волокно Железо , г/м3 1,7 2,7 4,5 1,8 1,8 7,8 Материал MA10 B96 BT15 Be+24% Al карбоволокнит КМУ-1Ц 03H18K9M5T 129 в, МПа  в / g 430 700 1500 620 21 23 30 32 E/g 2,3 2,4 2,6 13,2 1020 70 12,2 2000 27 2,6 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Магниевые и алюминиевые сплавы обладают недостаточной удельной прочностью и жесткостью, поэтому применяются для мало- и средненагруженных деталей. Сплавы и композиционные материалы на основе титана и бериллия, напротив, обладают высокой удельной прочностью и жесткостью – применяются для высоконагруженных деталей. (Пластмассы – разобрать самостоятельно!) Сплавы на основе магния У магния Тпл= 650 С, плотноупакованная гексагональная решетка. Полиморфных превращений не испытывает. Магний обладает очень хорошей обрабатываемостью резанием, шлифуется, обладает способностью гасить вибрационные нагрузки. Теплопроводность низкая - в 1,5 раза ниже, чем у алюминия. Жесткость (Е = 45000 МПа) в 1,5 раза ниже, чем у алюминия, но удельная жесткость примерно такая же. Магний легко окисляется на воздухе. Порошок магния воспламеняется даже на воздухе. Монолит из магния воспламеняется при Т=680 С. Поэтому литье и сварку магния проводят под флюсом. Постоянные примеси Fe, Si, Ni, Cu - снижают пластичность и коррозионную стойкость. В зависимости от содержания примесей, магний маркируется:  <99,96 % Mg – Мг96;  <99,95 % Mg – Мг95;  <99,96 % Mg – Мг97; После литья магний имеет крупнозернистую структуру со свойствами: в = 110-120 МПа; 0,2 = 20-30 МПа;  = 6-8 %. Повысить свойства можно следующими двумя способами: 1) модифицированием Се и Cr: 0,5 % уменьшает величину зерна в 80-100 раз; 2) пластической деформацией с рекристаллизационным отжигом: Тотжига = 250-350 С → в повышается до 190 МПа, 0,2 до 95 МПа,  до 14-15 % (для повышения надежности нужно снижать количество примесей). Применение: чистый магний применяют в пиротехнике (он горит ослепительно белым светом), в хим. промышленности - для легирования. Как конструкционный материал применяют сплавы магния для вибродеталей самолетов. Они обладают более высокой прочностью (в 2-4 раза), хорошо обрабатываются резанием. Сплавы легируют: Al, Zn, Mn. Эти сплавы работают при комнатной температуре. Сплавы, работающие при высоких температурах, легируют РЗМ, Cd и Ag. Все эти элементы обладают переменной растворимостью в Мg. 130 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Вторичные фазы дают возможность проводить упрочняющую термообработку: закалка + старение. Закалка 420 С (воздух), искусственное старение 170-200 С. Магниевые сплавы делят на 2 группы:  деформируемые (Тдеф= 400 С) марка МА, в =430 МПа Применение: жалюзи самолетов, автомобильные диски;  литейные марка МЛ5, в =250 МПа. -сверхлегкие сплавы: Mg + Li (до 10 %),  ~1,5 т/м 3; -сверхлегкие сплавы Al+ Mg + Li – применение: картеры двигателей, коробки передач самолетов и автомобилей; корпуса ракет типа воздух-воздух; в атомных реакторах. Алюминий и его сплавы Алюминий – металл без полиморфных превращений, решетка ГЦК. Свойства: хорошая теплопроводность, электропроводность, высокая пластичность и коррозионная стойкость (благодаря образованию окисной пленки на поверхности). Маркировка технически чистого алюминия:  А80 и А81 – деформируемые,  А95 и А85 (до 0,15 примеси). Применение: в строительстве – двери, рамы, трубопроводы, цистерны для перевозки нефтепродуктов, кабели. Высокая отражательная способность алюминия используется в рефлекторах и телевизионных трубках. Классификация алюминиевых сплавов По технологическим признакам: - деформируемые, - литейные, - порошковые. По виду термической обработки: - неупрочняемые (1), - упрочняемые (2). По характерным свойствам: - жаропрочные, - сплавы нормальной прочности (в =300-500 МПа), 131 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» - высокопрочные (в > 500 МПа), - повышенной пластичности при нормальной и повышенной температуре =20-30 % (для обработки давлением!), - повышенной коррозионной стойкости, - повышенной свариваемости. А. Деформируемые сплавы - Неупрочняемые термической обработкой Сплавы Al-Mn и Al-Mg (Mn и Mg обладают переменной растворимостью). Марки: АМц и АМг1 (1-6). Эти сплавы можно упрочнять с помощью пластической деформации (деформация до 40 %), при этом прочность возрастает в 1,5 раза, но резко снижается пластичность и коррозионная стойкость. Применение: в авиации, судостроении и строительстве - после штамповки и глубокой вытяжки. У них хорошая свариваемость. - Упрочняемые термической обработкой Дуралюмины (Al-Cu-Mg) - это сплавы нормальной прочности. ТО: закалка из  области + старение. Упрочняющие фазы CuAl2 либо CuMgAl2. Маркировка: Д1, Д16, Д18 (цифры – номер сплава). в ≈530 МПа. Применение: Д1 - лопасти воздушных винтов, Д16 – детали крыла и фюзеляжа, Д18 - основной материал для обработки давлением (закалка +естественное старение). - Ковочные сплавы Обладают повышенной пластичностью. Марка АК. По хим. составу близки к дуралюминам + Si. в ≈ 480 МПа. Применение: АК6 -сложные по форме детали, АК8 - лопасти вертолетов, лонжероны. - Высокопрочные сплавы Состав Al-Cu-Mg-Zn + добавки Cr, Zr (усиливают эффект старения). Маркировка: В96 и В96ПЧ (“повышенной чистоты” - отсутствуют Fe и Si, которые образуют нерастворимые хрупкие фазы). Б. Литейные сплавы Маркировка: АК12 (состав: Al-Si, Al-Cu, Al-Mg). АК12 - силумин (Al + 10-13 % Si – эвтектический сплав, поэтому у него самые лучшие литейные свойства: жидкотекучесть, малая склонность к образованию усадочных 132 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» раковин.) Недостаток - повышенная хрупкость из-за иголок кремния, но ее можно устранить модифицированием NaCl, так как при этом иголки значительно уменьшаются в размере, одновременно повышается и прочность. Применение: литые детали ответственного назначения: корпуса компрессоров и насосов. Сплав АК8М (для литья под давлением) разработан в МВТУ (Силаевой и Сидориным) в 70-х гг. Состав Si+Mg+Mn+Cu+0,1% Ti. Применение: диски цилиндров и др. детали авиационного и автомобильного двигателя. В. Порошковые сплавы Бывают неупрочняемые (гранулированные, антифрикционные), упрочняемые (жаропрочные). Марки: САП-1, САП-2 (см. в композиционных материалах). ЛЕКЦИЯ 23-24. МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ К ним относятся сплавы на основе титана и бериллия и композиционные материалы. Титан и его сплавы Титан обладает полиморфизмом решетки: до 882 С - ГПУ, выше - ОЦК (при медленном охлаждении - нормальный механизм превращения; при быстром охлаждении – мартенситный, как у стали), обладает высокой пластичностью – 25…60 % и прекрасной коррозионной стойкостью. Титановые прочностью сплавы высокой в=1500…1800 МПа. Удельная прочность больше, чем у сталей и алюминиевых сплавов. Так же выше, чем у сплавов Al, Mg, Be - коррозионная стойкость. Преимущество бериллиевыми сплавами пластичность и очень - перед высокая хорошие технологические свойства, а также безопасность для здоровья при обработке. Особенность титановых сплавов - хладостойкость – высокая прочность при очень низких температурах, при этом сохраняется и высокая пластичность – до 25 %. Титановые сплавы хорошо обрабатываются давлением, из них можно получать все виды прессованного и катанного полуфабриката: листы, трубы, поковки. Так же сплавы очень хорошо свариваются. Пример маркировки технического титана ВТ1-0. 133 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Коррозионная стойкость объясняется также как у алюминия - на поверхности образуется оксидная пленка. Применение: в авиации, ракетостроении, судостроении. Облицовка морских судов и подводных лодок обладает токсичными свойствами, что убивает микроорганизмы, поэтому чистить поверхность подводных частей морских судов почти не нужно. Недостатки: - невысокая жаропрочность прочность снижается в 2 раза при 250 С; при увеличении температуры активно поглощает газы: с 50 С - водород, с 400 С - кислород, с 600 С - азот. По этой же причине титан и его сплавы выплавляются в вакууме или в атмосфере инертных газов (однако это используется для повышения вакуума в электронных лаМПах!); - плохая обрабатываемость резанием - налипает на инструмент, поэтому необходимо снижать скорость резания; - низкие антифрикционные свойства (задиры, схватывание); - Высокая стоимость из-за сложности выплавки. Особенности термической обработки титановых сплавов Титановые сплавы подвергают отжигу, закалке, старению и ХТО. Отжиг проводят после пластической деформации для рекристаллизации: Т = 700 С - ниже -области, чтобы не росло зерно. Упрочняющая ТО состоит из закалки и последующего искусственного старения. Упрочняются ТО только  +  сплавы. После закалки у сплавов - хорошая пластичность. После искусственного старения сплавы упрочняются до 1200-1400 МПа. Титановые сплавы, т.к. они обладают низкой износостойкостью, часто подвергают ХТО, например, азотированию. Для повышения жаростойкости самый эффективный процесс ХТО – силицирование (насыщение Si). Классификация промышленных титановых сплавов  По равновесной (отожженной) структуре: - , - ( + ), - .  По технологическому признаку: - деформируемые (ВТ5), - литейные (ВТ5Л). 134 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении»  По упрочняющей ТО: упрочняемые ( + ); неупрочняемые ().  По механическим свойствам: ­ сплавы нормальной прочности в = 700-900 МПа (ВТ6); ­ высокопрочные в = 12001500 МПа (ВТ14, ВТ16); ­ жаропрочные: максимальная рабочая температура до 500-600 С (ВТ25); ­ сплавы повышенной пластичности =2040 % (ВТ5). Бериллий и его сплавы Высокая температура плавления – 1284 С. Температура полиморфного превращения 1250 С: ниже 1250 С – α-бериллий, имеет решетку ГПУ: Г12, с/а < 1,63, выше – b-бериллий - решетка ОЦК, К8. Свойства: бериллий обладает низкой пластичностью. Прочность обычно равна в = 280700 МПа и зависит от содержания примесей, от величины зерна, от наличия текстуры, от технологии производства: - литой бериллий имеет крупнозернистую структуру, поэтому в = 280 МПа и низкая пластичность  = 2…4 %; - горячекатанный бериллий в направлении прокатки имеет низкую прочность и пластичность, в поперечном направлении  = 0 %. - бериллий в виде порошка обладает высокой прочностью до в = 600700 МПа. Все свойства бериллия зависят от его чистоты. Самый чистый бериллий, полученный методом зонной плавки, имеет очень высокую пластичность. Если к чистому бериллию добавить всего лишь 0,001 % Si, он становится хрупким. Измельчение структуры до 1…3 мкм способствует повышению прочности и пластичности. Мелкозернистый бериллий склонен к сверхпластичности, особенно если имеет низкое содержание примесей. Сверхпластичность ( до 130 %) осуществляется при Т= 700 С и медленном нагружении. Бериллий имеет маленький атомный радиус - порядка 0,113 нм, поэтому большинство элементов, при растворении в нем, искажают его решетку, в результате резко снижается пластичность. Исключение - Al - он не растворяется в Ве. Поэтому легируют алюминием и металлами, растворяющимися в Al (Mg, Cu). Практическое значение имеют сплавы заэвтектического состава с содержанием алюминия 20-40 %. 135 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Применение бериллия Бериллий применяют там, где важен собственный вес конструкций: в авиации, ракетостроении, силовых конструкциях – а также для теплонагруженных деталей, так как бериллий имеет высокую теплоемкость, теплоту плавления и теплопроводность (в 6-8 раз выше стали). Последнее находит особое применение для изготовления конуса ракеты и передних кромок крыльев, так как обеспечивает кратковременную работу при 3000 С в сопле космической работы: благодаря отводу тепла, металл не успевает нагреться, когда отваливается 1-я ступень ракеты. Детали, изготовленные из бериллия, не вступают в резонансные колебания с другими деталями, это применяется в точном приборостроении. Бериллий лучше других материалов проводит звук, это используется в акустических приборах. Важная область применения чистого бериллия – армирование композиционных материалов. Тонкую микронную проволоку можно получить с в=12001300 МПа за счет наклепа. Особые ядерные свойства бериллия Бериллий обладает самой низкой способностью к поглощению тепловых нейтронов. Эффективное поперечное сечение захвата у него самое низкое (Ве - 0,009, Сd 2400). Бериллий способен снижать скорость движения быстрых нейтронов до уровня скорости тепловых нейтронов. Кроме того его используют как источник -излучения и для изготовления рентгеновских трубок. Недостатки бериллия 1) дорогой и дефицитный; 2) сложная технология получения (извлечение из руд, очистка от примесей); 3) плохо обрабатывается резанием (только твердосплавным инструментом); 4) токсичен, особенно в виде порошка (вызывает заболевание легких); 5) Невысокие технологические свойства (горячую обработку давлением проводят между 1250 и 1284 С). Композиционные материалы Композиционные материалы (КМ) представляют собой твердое вещество, состоящее из матрицы и различных наполнителей, частицы которых особым образом расположены внутри матрицы и армируют ее. Все компоненты КМ соединены по специальной технологии и имеют четкую границу раздела. Преимущества КМ: - высокая удельная прочность; 136 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» - высокая удельная жесткость; - высокая жаропрочность; - высокий предел усталости. Благодаря КМ стал возможен качественный скачок в технике: увеличение мощности и снижение веса. Свойства материалов проектируются заранее и реализуются в процессе изготовления. В пластичной матрице есть наполнитель: основа - матрица. наполнитель – упрочнитель, который называется также армирующим компонентом. Технология их получения - не традиционна. Технология включает: пространственное распределение наполнителя в матрице и соединение матрицы и наполнителя. Необходимо обеспечить их прочное сцепление и чтобы, при этом, наполнитель не растворялся в матрице. КМ делят по типу матрицы: металлическая и неметаллическая. Виды матрицы: • металлическая: - легкая (Mg, Al, T), - жаропрочная (Ni и его сплавы);  неметаллическая: - пластмассовая, - углеродная, - керамическая (теплозащитные керамические плитки Шатла). Роль матрицы: 1) определяет форму, создает монолитный материал; 2) определяет технологию изготовления; 3) определяет удельную прочность; 4) от матрицы зависит прочность поперек волокна, при сжатии и сдвиге; 5) определяет усталостную прочность, т.к. при циклических нагрузках усталостные трещины, возникая на поверхности, не распространяются в матрице: матрица мягкая, поэтому трещина теряет в ней свою скорость, когда трещина доходит до границы с высокопрочным волокном, ее развитие прекращается; 6) матрица определяет потолок рабочих температур, который повышается от полимерной (300 С) к металлической, углеродной и керамической (1500 С) (например, если матрица из Al – 500600 С, если из Ni, то более 1000 С); 7) матрица определяет также и коррозионную стойкость мат-ла. 137 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Основная функция наполнителя – обеспечить прочность и жесткость КМ. Частицы наполнителя должны иметь малую плотность и быть нерастворимыми в матрице. Армирующими веществами в КМ являются оксиды, карбиды, нитриды, стеклянные или углеродные нити, волокна бора, стальная или вольфрамовая проволока. По форме выделяют три типа наполнителей: - нольмерные (во всех трех направлениях имеют малые размеры; это мелкие частицы: порошок или чешуйки); - одномерные (волокна длинные или дискретные); - двумерные (пластины). Классификация композиционных материалов По виду матрицы: А) - металлические и Б) - неметаллические. По типу упрочнителя делятся на 3 группы: 1) дисперсно-упрочненные; 2) волокнистые; 3) слоистые. А) Композиты на металлической основе 1. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы: Являются наиболее прочными, а также изотропными. В качестве металлической основы применяют Al, Ni и сплавы на их основе. В качестве упрочнителей используют карбиды, нитриды и оксиды: Al2O3, AlN, BN, SiC (объемная доля частиц 2-15 %). Частицы расположены регулярно или хаотично. Структура матрицы – дисперсно-упрочненная (структура как у стареющих сплавов). Механизм упрочнения такой же, как в стареющих сплавах, то есть нагрузку воспринимает матрица, а дисперсные частицы служат препятствием движению дислокаций при нагружении материала.  САП - это спеченный алюминиевый порошок Получают следующим образом. Из алюминия в жидком состоянии путем распыления получают порошок. Затем порошок размалывают в пудру (у размолотой пудры еще больше площадь поверхности). Происходит окисление вновь образованных поверхностей. Пудру брикетируют. Затем одновременно ее спекают и прессуют 138 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» через матрицу в различные профили. Затем подвергают горячей прокатке и последнее - холодной прокатке. Высокая прочность и жаропрочность САП объясняется следующими причинами: - Частицы очень мелкие, а расстояние между ними мало (0,01 мкм). Они эффективно тормозят дислокации при нагружении. - Между оксидом и алюминием - когерентная граница (внутренние напряжения дополнительно тормозят дислокации). При этом свойства стабильны. - При формовании происходит наклеп, причем температура рекристаллизации у САП с содержанием Al2O3 более 4 % - настолько высока, что при нагреве САП вплоть до 0,95Тпл рекристаллизации не происходит. В этом отличие от сплавов с переменной растворимостью, которые прочны только до температуры старения 0,3-0,4Тпл. Таким образом, САП - легкий как алюминий, и прочный и теплостойкий - как легированная сталь. Работает до 500 С, применяется при 300500 С, т.к. до 300 С есть другие, более дешевые материалы. Применение: поршневые штоки, лопатки, компрессоры.  Высокотемпературные КМ с матрицей из никеля и его сплавов Наиболее эффективными упрочнителями являются оксиды тория и гафния (2 %): Ni+ThO2; Ni+HfO2. На основе никеля - работают до 9001100 С, а основе сплавов работают до 700900 С. Композиты на основе никелевых сплавов можно дополнительно упрочнять ТО: закалка + старение. 2. Волокнистые композиционные материалы По схеме армирования они делятся на три группы: 1) одноосное армирование (волокна расположены параллельно друг другу, если упрочнитель – частицы, то они тоже как бы образуют волокна); 2) двухосное (плоское плетение); 3) трехосное (объемное плетение). Для волокнистых КМ имеет большое значение исходные свойства наполнителя: прочность связи и схема армирования (в отличие от предыдущих дисперсноупрочненных). У стеклянных волокон в = 5000 МПа - самая высокая, но самый низкий модуль упругости. 139 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Нагрузку воспринимает волокно, а матрица служит для передачи напряжений – перераспределяет нагрузку между волокнами. Нагрузка может действовать вдоль волокна или поперек. Максимальная прочность соответствует направлению вдоль оси волокна. 1 - определяется прочностью волокна; 2 - определяется прочностью матрицы; 3 - двухосное армирование, прочность составляет 1/3 от прочности (1); 4 - ближе всего приближается к (1), когда второй слой расположен под углом 10-15 ; Объемное армирование дает существенный выигрыш в ударной вязкости, предотвращает расслоение и рост усталостных трещин. Изменение прочности в зависимости от количества волокна:  5 % - за счет того, что волокно служит включением - как дефект;  80 % - не хватает смачиваемости, при нагружении волокно выскальзывает. Чем меньше диаметр и больше длина, тем эффективнее упрочнение. Волокна должны быть длинными l/d > 20. Диффузионные процессы повреждают волокно и снижают прочностные свойства, они нежелательны. Для повышения прочности связи волокна с матрицей, применяются: 1) травление, 2) покрытие на волокне 3) легирование матрицы, 4) вискеризация - выращивание на поверхности монокристалла (при этом происходит увеличение поверхности контакта). На практике, как правило, применяют одноосное армирование с одновременным изготовлением детали. Волокна располагают в направлении максимального нагружения. Упрочнители - это высокопрочные волокна (из чистых элементов или тугоплавких соединений) и нитевидные кристаллы. Пример - борные, углеродные волокна. Из 140 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» соединений - Al2O3, SiC. Проволока - стальная, сталь - ВНС9 (18Х15Н5А), еще нержавеющие стали аустенитного или аустенитно-мартенситного состава, а также проволока из тугоплавких металлов: Mo, Ta, W. Для пластмасс - волокна бора, углерода, стекла. Матрица может быть металлическая: Al, Mg, Ti и их сплавы - легкая, а также - Ni и его сплавы - жаропрочная. Матрица может быть и неметаллическая: пластмассы, углеродная, керамическая. Преимущества КМ на металлической основе: выше свойства, определяемые свойствами матрицы (в в направлении, перпендикулярном оси волокон, сж и изгиба); выше пластичность и вязкость разрушения; имеют более высокий предел усталости, более жаропрочные. Б) Композиты на неметаллической основе Достоинства: - технологичнеость; - малая плотность; - высокая удельная прочность (самая большая при армировании стекловолокном – до 100 км, длина волокна, которая не разрушается под собственным весом); - высокая удельная жесткость; - диэлектрические свойства; - антифрикционные/фрикционные свойства (в зависимости от наполнителя); - высокая коррозионная стойкость. Недостатки: - резкая потеря прочности при температуре выше 100 С, - огнеопасность; - малая теплостойкость (180 С); - низкая теплопроводность. В качестве матрицы используют термореактивные пластмассы. Они дают стабильные свойства при температуре 60…180 С. Матрица не дает большой усадки при затвердевании, можно получать крупногабаритные изделия. Можно для армирования применять и хрупкие волокна, так как при формировании не применяется давление. Область применения – приборостроение, авиация, космос, судостроение. В названии – вид наполнителя: - карбоволокниты (углеродные волокна) - высокий модуль упругости (диски авационных тормозов); 141 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» - бороволокниты (бор) – стойкость к радиации и органическим растворителям; - стекловолокниты (стекло) – по удельной прочности выше стали – высокая химическая стойкость (химическая аппаратура). - органоволокниты (капрон, лавсан) – очень низкий удельный вес, но и низкая прочность; усталостная прочность и ударные нагрузки, диэлектрические свойства (трубы для агрессивных сред, покрытия корпусов в авиа и автостроении). Композиционные стеклообразные материалы К ним относится стеклокерамика (для изготовления конденсаторов и корпусов ИС) и стеклоэмали (элементы толстопленочных ГИС), в которых стекло является матрицей, а частицы керамики или металла – наполнителем. Основная роль принадлежит наполнителю: керамика обеспечивает необходимые диэлектрические свойства, металлический порошок - электропроводность. Стекло служит для обеспечения адгезии к подложке. Керамические волокнистые плиты Из них изготавливают теплозащитные плиты для космических кораблей многоразового использования. Диаметр волокон 3-11 мкм. Для повышения прочности и отражательной способности покрывают слоем эмали (SiC или SiO2) толщиной примерно 30 мкм. Недостаток керамических КМ – отсутствие пластичности. Углерод-углеродные КМ Рабочая температура – до 2500 С. Матрица – аморфный углерод, а волокна – кристаллический (графит). Такой материал перспективен для заатмосферной авиации. Волокнистые КМ имеют самую высокую удельную прочность и жесткость. Их свойства зависят и от матрицы и от наполнителя: его количества, размеров и свойств. Слоистые КМ К этому типу относится гетинакс – полимер, прослоенный бумагой или текстилем, ламинаты из смол, армированных полимерными волокнами или стеклотканью. Такой материал работает только поперек слоев. Таким образом, можно выделить следующие достоинства композитов: ­ отсутствие склонности к внезапному хрупкому разрушению, ­ не чувствительны к концентраторам напряжений, ­ не подвержены усталости. 142 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Свойства конструкционных КМ Материал Плотность, Прочность σв, 3 г/см МПа Матрица Упрочнитель На металлической основе Al В 2,6 1200 Al С 2,25 1000 Стальная Al 4,8 1600 проволока Mg В 2,0 1000 Ti SiC 4,0 900 Ni W 12,5 800 Ni Mo 9,3 700 Дисперсные Ni 9,0 500 частицы HfO2 На полимерной основе Карбоволокнит 1,4 700-1000 Бороволокнит 2,1 900-1300 Стекловолокнит 2,2 700 σв/ ρ, км 46 44 33 50 22 6 8 6 50-71 42-61 31 ЛЕКЦИЯ 25-26. КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ Коррозия - поверхностное разрушение материала под действием окружающей Среды. Коррозия бывает: химическая и электрохимическая. Химическая коррозия происходит в сухих газах и жидких средах, не являющихся электролитами. Электрохимическая коррозия происходит в средах-электролитах, бывает почвенная; атмосферная; морская; кислотная; щелочная. Материалы, стойкие к химической коррозии называются жаростойкими, рассмотрим их позже. Материалы, стойкие к электрохимической коррозии называются коррозионностойкими, а стали называются нержавеющими. Причиной возникновения электрохимической коррозии, являются неоднородность структуры и ее напряженное состояние. И то и другое приводит к появлению участков с различным электрохимическим потенциалом. При этом образуется микрогальванический элемент. Именно возникновение гальванического тока свидетельствует о наличии коррозии. Участок, обладающий более низким электрохимическим потенциалом (ЭХП) растворяется и называется анодом, другой участок называется катодом. Причинами неоднородности могут быть: ликвация; многофазный состав; структурные несовершенства (повышенная плотность структурных дефектов); наклеп. 143 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Анализ взаимодействия металла с электролитом Вначале: на поверхности Ме → Ме n+ + neион электролит (Н2О) После перехода в раствор нескольких атомов, в металле накапливается некоторое количество избыточных электронов и процесс растворения становится невыгодным: он переходит в равновесную стадию, коррозия прекращается. Потенциал, накопленный металлом к моменту перехода в равновесную стадию, называется обратимым электродным потенциалом. Ион Аl Fe Zn H Cu Ag Pt Au Uобр -1,63 -0,44 -0,76 +0,52 +0,80 +1,19 +1,68 Чем отрицательнее потенциал, тем больше атомов переходит в раствор. Положительный потенциал означает, что атомы добровольно в раствор не переходят, а только при условии подачи на металл поля другого знака. Именно поэтому их называют “благородными”. В случае контакта двух разных металлов, начнется непрерывное движение заряженных частиц по замкнутому контуру, т.е. пойдет ток: более электроотрицательный металл - анод (А) является источником электронов, катод (К) - это приемник электронов (менее электроотрицательный). Таким образом, ток - это признак коррозии. Растворяется (т.е. корродирует) только анод и своим растворением поддерживает ток. Такое свойство используют для защиты от коррозии: делают накладки из более электроотрицательных металлов. Также используют защиту протекторами, площадь которого 0,1-0,5 % основного металла, обычно это заменяемые цинковые пластины, прикрепляемые болтами. Разновидности электрохимической коррозии 1) По характеру разрушения: равномерная и местная. Местная коррозия бывает:  Контактная – при контакте разных металлов и сплавов, повреждается анод. Например, сталь + латунь + Н2О - корродирует сталь. 144 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении»  Двухфазная – при контакте разных фаз в двухфазных структурах коррозия происходит с большей скоростью: 2) Межкристаллитная коррозия: граница - всегда анод. 3) Коррозия при циклических нагрузках: под действием переменных нагрузок выносливость в коррозионной среде уменьшается. 4) Коррозия под напряжением: коррозионное растрескивание (малонагруженный участок – катод, концентратор - анод). 5) Щелевая коррозия: анод – место застоя электролита. 6) Питтинговая коррозия: образуется при повреждении окисла или другого защитного слоя Скорость равномерной коррозии Скорость коррозии измеряют по изменению линейных размеров или веса, соответственно в мкм / ед. времени (год) либо г/ ед. времени. Факторы, влияющие на скорость равномерной коррозии 1) Величина тока 145 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Она пропорциональна току: чем больше разница (Uобр.катод – Uобр.анод), тем больше скорость коррозии. 2) Состав электролита Среда может быть щелочной, нейтральной или кислой. Например, колонна в Дели не корродирует с V века благодаря низкой влажности атмосферы  70 %, что ниже критической величины. Куски той же колонны в Англии быстро проржавели. 3) Струкутура Чем крупнее зерно, тем меньше ток и меньше скорость коррозии. 4) Фазовый состав Снизить скорость коррозии можно переводом структуры в однофазное состояние, например, закалкой поверхности ТВЧ. 5) Наличие на поверхности окисной пленки Если образуется стойкая окисная пленка - коррозия замедляется или останавливается. Это явление называется «пассивация». Коррозионностойкие металлы, сплавы и покрытия 1. Благородные металлы и их сплавы Медь, серебро, платина, золото. Скорость коррозии меньше 1 мкм/ год – в контакте с любым металлом играют роль катода. Однако, у меди есть склонность к коррозионному растрескиванию. 2. Пассивирующиеся металлы и сплавы Пассивация - образование защитной оксидной пленки - резко снижает скорость коррозии. Если материал не пассивируется, то в этом случае анод начинает растворяться. Пассивируются: Ti, Al, Cr, Ni, Mo, W. TiO2 – чрезвычайно стойкий плотно прилегающий окисел, не подвержен контактной и межкристаллитной коррозии. Выдерживает все кислоты, кроме HF (плавиковой). Al2O3 – стоек в атмосферных условиях и в разбавленных кислотах, но не стоек в морской воде. Сплавы пассивирующихся металлов обладают высокой коррозионной стойкостью, например, сплавы системы Al–Mо. 3. Коррозионностойкие стали Это хромистые и хромоникелевые стали. Легирование пассивации хромом вызывает склонность резко повышает сопротивление и к коррозии сталей. 146 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Хромистые стали классифицируют по содержанию углерода. Марка 12Х13 20Х13 Сталь Структура после Структура после отжига нормализации Ф+П Ф+М Ф+П М Доэветектоидная 30Х13 Эвтектоидная П М 40Х13 Заэвтектоидная П+карбиды М+карбиды Назначение Конструкционные Инструментальные Типичная термообработка для конструкционных сталей - улучшение (закалка+ высокий отпуск), а для инструментальных – закалка + низкий отпуск. После высокого отпуска во избежание возникновения отпускной хрупкости второго рода необходимо проводить охлаждение в масле. Применение:  12Х13, 20Х13 - лопатки паровых турбин;  30Х13 - более нагруженные детали - валы, оси, шестерни, пружины;  40Х13 - хирургический и бытовой инструмент, ножи;  65Х13 – лезвия бритвы (недостаток: теряют кор. свойства при нагреве)  95Х28 – для работы в агрессивных средах. 4. Хромоникелевые аустенитные стали Легирование никелем делаю структуру стали однофазной – аустенитной. Например, это сталь марки Х18Н9. Структура аустенита может быть нестабильной при наклепе. Чтобы сделать ее стабильной - добавляют еще 1% Ni - Х18Н10, 08Х18Н10, 10Х18Н10, 20Х18Н10. Преимущества хромоникелевых сталей перед хромистыми: а) коррозионная стойкость намного выше; б) можно использовать для работы при температурах 500-750 С. Однако, если аустенитная сталь работает при высокой температуре, то хром образует карбиды на границе зерна. Вследствие того, что скорость диффузии к границе зерна углерода выше скорости диффузии хрома, твердый раствор обедняется хромом. Когда на границе зерна < 12,5 % Cr, то от поверхности вглубь начинается коррозия, и карбиды будут 147 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» катодом. Материал разрушается, хотя нет никаких внешних признаков. Металл становится хрупким. Для повышения коррозионной стойкости существует два способа: 1) стали, содержащие меньше 0,1 % С, легируют сильными карбидообразователями – Ti, Nb: 10Х18Н10Б, 12Х18Н10Т, 20Х18Н10Т; 2) проводят стабилизирующий отжиг при Т = 800 С, т.е. > рабочих температур. Карбиды выделяются при отжиге, на границе хрома становится меньше. Но выдержка должна быть большой, чтобы обеспечить диффузию хрома по всему объему зерна. Технологические свойства: хорошо свариваются и поддаются обработке давлением, но плохо обрабатываются резанием и плохо льются. Механические свойства: в = 500-600 МПа; 0,2 = 300 МПа;  = 40-45 %; НВ = 1500 МПа. Под действием пластической деформации происходит превращение А М, что увеличивает прочность и твердость. Применение: в морской подвижной воде, в азотной и пищевой кислоте, в химической промышленности, в судостроении, немагнитные части аппаратуры морских судов. 5. Алюминиевые сплавы Высокая коррозионная стойкость в алюминиевых сплавах существует только в условиях анодной пассивности. Легирующие элементы и примеси, как правило, ухудшают способность перехода в пассивное состояние, поэтому большинство сплавов имеет коррозионную стойкость гораздо меньшую, чем чистый алюминий. Исключение – сплавы системы Аl-Мn (Мn очищает Аl от Fe – источник выхода из пассивности) Чтобы повысить твердость, алюминий легируют медью и цинком, но при этом резко снижается коррозионную стойкость сплавов из-за образования вторичных фаз. Магний, кремний и марганец, наоборот, повышают коррозионную стойкость (MgSi2 и MnAl6 – сильные аноды). У Д16 – дуралюмин – максимальная кор. ст-ть после закалки (благодаря однофазной структуре). После старения выделяется θ-фаза и металл быстро ржавеет. Избежать этого можно плакированием деталей чистым алюминием. 6. Медные сплавы Очень хорошая коррозионная стойкость у сплавов Cu-Sn, Cu-Be, Cu-Zn. Это объясняется тем, что все элементы образуют вторичные фазы, которые являются анодом. 148 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Необходимо учитывать, что в латунях с содержанием более 20 % Zn коррозионная стойкость резко падает. Обесцинкование границ ведет к межкристаллитной коррозии. Существует так называемая “сезонная болезнь латуни” – весной и осенью происходит коррозионное растрескивание. 7. Титановые сплавы Титан обладает очень высокой коррозионной стойкостью благодаря образованию пленки TiO2 (коррозионная стойкость выше, чем стали, хрома и никеля). Сплавы титана – тоже, также они являются кавитационно-стойкими. Недостатки: высокая стоимость; нет технологии утилизации титана; низкий к-т трения (приводит к холодной сварке трущихся поверхностей). Лишь тантал и ниобий превосходят титан по коррозионной стойкости. Эти элементы повышают стойкость титана, в отличие от хрома, марганца и железа, способствующих появлению эвтектоидных фаз. 8. Магниевые сплавы Низкая коррозионная стойкость в любой среде из-за рыхлого окисла, поэтому не применяются без защиты. Повысить стойкость можно, добавив Mn, Ti и Zn. Магниевые сплавы очень сильно корродируют в контакте со сталью, которая становится катодом, что можно использовать для защиты стали. 9. Коррозионностойкие покрытия Бывают металлические и неметаллические. Металлические делятся на катодные и анодные. Катодные покрытия экранируют анодные участки металла, однако они не выносят механических повреждений: если есть царапины, основной металл корродирует быстрее, чем без покрытия. Например, покрытие свинцом или оловом для железа. Анодные покрытия состоят из более электроотрицательного металла. Разрушаясь, такое покрытие защищает основной металл от коррозии: например, покрытие цинком или кадмием для железа. Неметаллические покрытия – вещества с ионным типом связи (например, оксидирование). Недостаток таких покрытий в том, что при больших нагрузках они могут отслаиваться. 149 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» Вопросы для самопроверки по модулю 2 Магнитные материалы 1. Ферромагнетики, их поведение в магнитном поле (процессы намагничивания и перемагничивания, магнитная анизотропия, магнитострикция). 1. Диа-, пара-, ферро- и антиферромагнетики, их состав и магнитные характеристики. 2. Влияние структуры и химического состава на основные характеристики ферромагнитных материалов. Структурно-чувствительные и структурно- нечувствительные характеристики. 3. Магнитномягкие низкочастотные ферриты, особенности их строения и свойства. Составы и маркировка применяемых ферритов. 4. Магнитномягкие высокочастотные ферриты. Способы их получения. Состав, строение, марки, свойства, применение. 5. Магнитотвердые порошковые, литые и деформируемые материалы. Состав, марки, свойства, применение. 6. Основные характеристики магнитно-твердых материалов и влияние на них различных факторов. Классификация магнитно-твердых материалов. 7. Сплавы с малым термоупругим коэффициентом (элинвары). Физическая природа элинварности. Состав, марки, свойства, применение элинваров. 8. Аномалия теплового расширения сплавов системы железо-никель; физическая природа этой аномалии. Инварные сплавы, их состав, марки, применение. Проводниковые материалы 9. Проводниковые материалы, зависимость их электрических свойств от строения и химического состава. Связь электрических свойств с диаграммой состояния. Классификация проводниковых материалов. 10. Металлы и сплавы высокой электропроводности; классификация, свойства, применение. 11. Материалы с малым переходным электросопротивлением (припои и контактные материалы). Их структура, свойства и применение. 12. Проводниковые материалы для изготовления контактов: слабонагруженных, высоконагруженных, скользящих и неподвижных. 150 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 13. Сплавы с повышенным электросопротивлением для резисторов и нагревательных элементов. Требования, предъявляемые к этим сплавам: их состав, свойства. 14. Сплавы повышенного электросопротивления для электроизмерительных приборов и нагревательных элементов. Требования, предъявляемые к этим сплавам: их состав, свойства. Полупроводниковые материалы 15. Основные характеристики полупроводниковых материалов и влияние на них различных факторов. 16. Легирование полупроводников и получение «р-n» и «р-n-р» переходов. 17. Методы очистки полупроводниковых материалов. Диэлектрические материалы 18. Виды поляризации диэлектриков: электронная, ионная, дипольно- релаксационная и самопроизвольная. 19. Основные характеристики твердых диэлектриков. Высокочастотная конденсаторная керамика, состав, свойства. 20. Электро- и радиотехническая керамика: установочная, конденсаторная, пьезоэлектрическая. 21. Низко- и высокочастотные диэлектрики. Строение, диэлектрические свойства и назначение пластмасс и керамики. Конструкционные материалы 22. Конструкционные материалы. Критерии оценки конструкционной прочности. 23. Легированные стали нормальной и повышенной статической прочности; низкоуглеродистые, среднеуглеродистые стали (марки, состав, свойства, термическая обработка, применение). 24. Высокопрочные стали. Марки, состав, свойства, термическая обработка, применение. Способы получения высокопрочного состояния. 25. Виды изнашивания. Пути повышения износостойкости. Марки, состав, свойства, термическая обработка, применение. 151 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» 26. Конструкционные стали с повышенной циклической прочностью. Марки, состав, свойства, термическая обработка, применение. Методы повышения циклической прочности. 27. Материалы с особыми технологическими свойствами: стали с улучшенной обрабатываемостью резанием, с высокой технологической пластичностью и свариваемостью. Марки, состав, свойства, термическая обработка, применение. 28. Материалы устойчивые к усталостному изнашиванию. Подшипниковые стали, стали для зубчатых колес. Марки, состав, свойства, термическая обработка, применение. 29. Материалы с особыми упругими свойствами для приборостроения. Составы, термическая обработка, структура и свойства используемых сплавов на основе меди и железа. 30. Конструкционные материалы с высокой удельной прочностью и жесткостью на основе титана и бериллия. 31. Конструкционные сплавы на основе алюминия. Деформируемые и литейные сплавы: состав, марки, свойства, применение. 152 Оглавление Пахомова С.А. «Материаловедение в приборостроении» ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 6-е изд.. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 648 с. 3. Новиков И.И. Теория термической обработк для ВУЗов. М.:Металлургия, 11. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учебник. - 2006 СПб.: Из-во «Лань», 2008. - 368с. 12. Богородский А.В., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы: Учебник. - Л.: Энергоатомиздат, 2009. - 304 с. 4. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Материаловедение»: под ред. Г.Г Мухина 2009. - 40 с.; В.И. Силаевой 2009. - 70 с.; Г.Г. Мухина 2009. - 40 с. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 5. Зябрев А.А., Мухин Г.Г., Павлов М.С., Фахуртдинов Р.С. Выбор материала и назначение технологии термической обработки: Методическое указание по выполнению домашнего задания. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана., 2009 - 18 с. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА 6. Стали и сплавы. Марочник: Справ. издание / Сорокин В.Г. и др. - М.: Интермет Инжениринг, 2003.- 608 с. 7. Научные основы материаловедения. Под ред. Б.Н. Арзамасова. Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994. - 366 с. 8. Лахтин Ю.М. Материаловедение и термическая обработка металлов: Учебник. - М: Металлургия, 2004. - 446 с. 10. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. Учебник. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 561 с. 153 Оглавление