Алюмінієві сплави. Загальні відомості

Провідність напівпровідників залежно від зовнішніх умов

При нагріванні провідність напівпровідників різко зростає.Температурная залежність провідності >s власного напівпровідника визначається зміною концентрації n і рухливості електронівm - і дірокm + від температури:

>s = e (n - >m - + n + >m +) (1)

Рухливість носіїв заряду в напівпровідниках залежить від температури порівняно слабко і з її зростанням зменшується згідно із закономm ~ T –3/2. Це тим, що на підвищення температури зростає кількість сутичок в одиницю часу, унаслідок чого зменшується швидкість спрямованого руху носіїв заряду на полі одиничної напруженості.Розглянемодонорний напівпровідник. У результаті малої концентрації електронів провідності напівпровідники підпорядковуються класичної статистиціМаксвелла-Больцмана. Тож у області низьких температур для концентрації електронів у зоні провідності з однією виглядом домішки маємо:

n = A T 3/2 e - DW / >kT, (2)

де А - коефіцієнт, котра від Т;DW - енергія активації домішки, тобто енергетичний інтервал міждонорним рівнем і нижнім краєм зони провідності (рис.Iв) До - сталаБольцмана.

Розглянемо спрощену зонну модель власного напівпровідника, зображену на рис. 1. Цією моделлю ми зобов'язані переважно користуватимемося надалі. У цьому моделі енергія електронів позитивна і відраховується вгору по осі ординат. Енергія дірок негативна і відраховується вниз. Під віссюабцисс маються на увазі просторові координати, і навіть у цій осі, залежно та умовами завдання, можуть зволікатися температура, концентрація домішки, указуватися напрям електричного поля.Валентная зона і зона провідності обмежені прямими, які позначають: Ev - стелю валентної зони; Eз - дно зони провідності. Вибір початку відліку енергії електрона довільний, зазвичай, вона відраховується від стелі валентної зони.Ширина забороненої зони окреслюється різницю Eg = Eз - Ev.Якщо електрон дістане відфонона енергію більше або рівнуEg може ">заброситься" з валентної зони до зони провідності, де зараз його стає вільним та може брати участі в перенесення заряду при додатку зовнішнього електричного поля. Поруч із переходом електрона до зони провідності в валентною зоні утворюється вільна дірка, що також бере участь у електропровідності.

80. використання напівпровідників у мед техніці

Основне застосування провідників, напівпровідників, діелектриків - це електроніка і електротехніка (медична апаратура)

Алюміній - метал білого кольору, температура плавлення 933 0К, густина 2,7 г/см3, володіє високою корозійною стійкістю, електропровідністю, теплопровідністю, пластичністю; невисокою твердістю і міцністю. В основному, алюміній використовують в електротехніці.

Алюміній - легкий метал, який кристалізується в кубічну гранецентровану гратку К12 і не має алотропічних (поліморфних) перетворень. Характерними властивостями алюмінію є: мала питома вага g = 2,72 г/см3 (27,2 кН/м3) – у три рази легший за сталь; висока пластичність (відносне видовження) деформованого і відпаленого алюмінію d =35-40%, низька твердість НВ25 і границя міцності sв = 80 - 100 МПа; границя текучості sт=30 МПа; низька температура плавлення t=658оС. Алюміній володіє високою тепло- і електропровідністю (електропровідність відпаленого алюмінію складає близько 62 % від електропровідності відпаленої міді марки М1); має високу корозійну стійкість. Алюміній володіє високою стійкістю проти атмосферної корозії, деяких рідких та інших середовищ, наприклад проти дії концентрованої азотної кислоти, повітря, забрудненого сірчистими газами і т. д. Однак треба пам'ятати, що алюміній легко руйнується при дії лугу, соляної кислоти і деяких інших мінеральних кислот. Висока корозійна стійкість алюмінію пояснюється утворенням на його поверхні щільної і міцної окисної плівки Аl2О3, що захищає метал від корозії. Корозійна стійкість залежить від наявності домішок: чим чистіший алюміній, тим вища його корозійна стійкість. До постійних домішок алюмінію належать залізо (0,0015 -1,1 %), кремній (0,0015 - 1,0 %), мідь (0,001- 0,05 %) і марганець. Залізо практично не розчиняється в алюмінії. При малому вмісті заліза в структурі алюмінію з'являється евтектика Аl-Аl3Fе. Вона містить лише 1,7% заліза, тому типова структура евтектики не спостерігається. Структура складається з алюмінію і темних включень Аl3Fе у вигляді голок, що є надрізами в металі. Тому залізо знижує пластичні властивості алюмінію. Воно зменшує також корозійну стійкість алюмінію. У подвійних алюмінієвих сплавах залізо зустрічається у вигляді інтерметалевого з'єднання FеАl3, яке погіршує корозійну стійкість, механічні властивості та оброблюваність алюмінію тиском. Тому залізо є шкідливою домішкою алюмінієвих сплавів, і тільки в деякі алюмінієві сплави спеціального призначення вводять підвищену кількість заліза (до 1,6%) як легуючого елементу. Кремній з алюмінієм не утворює інтерметалідних з'єднань. Розчинність кремнію в алюмінії при нормальних умовах дуже мала, а тому в подвійних алюмінієвих сплавах кремній може зустрічатися в чистому вигляді. Мідь у вказаних кількостях розчиняється в кристалічній гратці алюмінію, утворюючи з ним твердий розчин заміщення. Розчиняючись в алюмінії, мідь підвищує міцність, не знижуючи корозійної стійкості алюмінію. Марганець потрапляє в алюміній при його виплавці з використанням відходів переробних цехів. Його вміст в первинному алюмінії мізерний. Марганець збільшує розмір зерна при відпалюванні алюмінію після деформації, що пояснюється його ліквацією. Для зменшення цього дефекту в алюміній вводять до 0,2 % титану. Вміст марганцю не повинен перевищувати 0,03 %.308 Найбільш чистий алюміній містить 99,996% А1. Використання чистого алюмінію як конструкційного матеріалу обмежене через низьку міцність і твердість. Залежно від вмісту домішок розрізняють марки алюмінію: А999 (0,001 % домішок), А995 (0,005 % домішок), А99 (0,010 % домішок), а також А97, А95.

82.а)Сплави алюмінію

Алюмінієві сплави, придатні для кування, позначають літерами АК, для лиття - АЛ, а цифра — порядковий номер сплаву. Мала питома вага, висока корозійна стійкість, високі показники питомої (відносної) міцності та прекрасний зовнішній вигляд алюмінієвих сплавів забезпечують їм широке використання в усіх областях техніки як конструкційного матеріалу. Питома міцність, тобто відношення границі міцності до питомої ваги алюмінієвих сплавів, значно вище питомої міцності вуглецевих і легованих сталей. Всі алюмінієві сплави залежно від технології виготовлення з них напівфабрикатів і деталей діляться на дві групи: ливарні і деформівні.

Ливарні сплави алюмінію

Ливарні властивості сплавів залежать від характеру кристалізації, яка визначається типом діаграми стану. Чим більший інтервал між температурами початку й кінця кристалізації, тим гірші ливарні властивості сплавів. Кращі ливарні властивості мають сплави евтектичного складу, а гірші - тверді розчини, що кристалізуються в широкому інтервалі температур.

До ливарних належать наступні алюмінієві сплави:

- алюмінію з кремнієм при вмісті кремнію від 4 до 13%;

- алюмінію з міддю при вмісті її більше 8%;

- алюмінію з магнієм.

Найбільш поширеними в машинобудуванні ливарними сплавами є силуміни -сплави алюмінію з кремнієм (Аl -Sі), подвійні і більш складні, для яких характерні малі температурні інтервали кристалізації (нуль для евтектичного складу) і високі ливарні властивості. Для фасонного литва застосовують також сплави на основі систем Аl - Сu; Аl – Мg; Аl— Sі - Мg; Аl - Sі - Сu та інші складні сплави.

Силумінами називаються сплави алюмінію з кремнієм (Si = 6- 14%). Вони відзначаються високою рідкотекучістю, малою лінійною усадкою (0,9-1,2 %) й низькою схильністю до утворення тріщин. Добрі ливарні властивості зумовлені високою часткою евтектики у їх складі. До складу більшості марок силумінів, крім кремнію, як основного легуючого елемента, входять марганець (0,2-0,6 %), магній (0,2-0,55 %), а також титан (0,1-0,3 %). Розчиняючись в алюмінії, легуючі елементи збільшують міцність і твердість силумінів. Водночас марганець підвищує антифрикційні властивості, а титан виконує роль модифікатора. Найбільше можна покращити механічні властивості силумінів, подрібнюючи їх структуру. З цією метою до рідкого розчину сплаву перед його розливанням додають невелику кількість натрію у сполуках NaF + NaCl. Окрім модифікуючої дії натрій зсуває вправо евтектичну точку системи А1—Sі, внаслідок чого заевтектичні силуміни переходять в доевтектичні. Силуміни використовують для виготовлення мало- й середньо навантажених литих деталей часто складної конфігурації. Найпоширенішими марками силумінів є АК12, АК9, АК8, АК7.

82б),88. Підшипниковими називають сплави, із яких виготовляють вкладиші підшипників ковзання. До підшипникових сплавів висувають ряд вимог. Вони повинні мати: - низький коефіцієнт тертя з матеріалом спряжуваної деталі;

- достатньо високу твердість і зносостійкість, але не викликати при цьому сильного спрацювання вала;

- добру теплопровідність, що необхідно для запобігання її перегріву в процесі роботи;

- здатність відносно легко деформуватись під дією місцевих напружень, тобто достатню пластичність і припрацьовуваність;

- не дуже високу температуру плавлення (для сплавів, які використовують для заливання вкладишів);

- здатність утримувати мастило на поверхні, що забезпечується високою змочуваністю сплаву мастильним матеріалом;

- високу корозійну стійкість.

Таким вимогам задовільняють сплави, які називаються бабітами.

Бабіти – це антифрикційні сплави на олов’яній або свинцевій основі. Їх структура, складається з твердого розчину сурми і міді в олові (м’яка основа) і твердих включень, які мають приблизно кубічну форму, і дрібних включень сполуки Cu3Sn.

До бабітів на свинцевій основі належать марки Б16, Б6, БН, БТ, що містять олово та марки БС, БК, які не містять олова. У бабіті Б16 м’якою основою є твердий розчин сурми і міді в свинці, а твердими включеннями - b¢-фаза (твердий розчин на базі сполуки SnSb і сполуки Cu3Sn).

Олов’яні та свинцеві бабіти містять звичайно мідь, яка зменшує ліквацію за густиною і утворює хімічну сполуку Cu3Sn, яка додатково виконує роль твердих включень.

Олов’яні бабіти застосовують для заливання підшипників, що працюють в умовах малих тисків і великих швидкостей ковзання. Свинцеві бабіти дешевші олов’яних, але поступаються їм за якістю. Вони використовуються в двигунах внутрішнього згоряння.

До антифрикційних сплавів належать також бронзи і латуні. Найчастіше для виготовлення підшипників ковзання використовують олов’яні (БрО10Ф1, БрО10Ц2) та олов’яно-цинково-свинцеві (БрО5Ц5С5, БрО6Ц6С3 та ін.) бронзи. Бронзові монолітні підшипники ковзання використовують в турбінах, електродвигунах, компресорах, які працюють при значних тисках і середніх швидкостях ковзання.

Латуні за антифрикційними якостями поступаються бронзам. Їх застосовують як замінники бронз при малих швидкостях ковзання і невисоких навантаженнях.

Бабіти, олов’яні бронзи і латуні належать до антифрикційних сплавів першого типу, структура яких складається з м’якої основи і твердих включень. Є ще антифрикційні сплави другого типу, структура яких складається з твердої матриці і м’яких включень. До цих сплавів належать свинцеві бронзи, наприклад, БрС30, алюмінієві сплави з оловом, антифрикційні чавуни.

Перевагою чавунів є їх невисока вартість, а недоліками – погана прироблюваність, чутливість до браку мастила і низька стійкість до ударних навантажень.

83. Вироби з алюмінієвих сплавів піддаються в більшості випадків термічній обробці: відпалу, загартуванню, старінню. Структура і властивості сплавів істотно залежать від режимів термічної обробки, які для алюмінієвих сплавів є досить різноманітними.

Вироби і напівфабрикати з алюмінієвих сплавів виготовляються або методом лиття, або шляхом пластичного деформування. При холодному деформуванні, як відомо, відбувається наклеп (нагартування). Відпалу піддаються сплави, що знаходяться в нерівноважному стані — ливарні, холоднодеформовані або попередньо термічно оброблені — з метою отримання в них рівноважної структури.

Гомогенізувальний відпал зливків усуває хімічну неоднорідність твердого розчину. Відпал для стабілізації розмірів ливарних виробів проводиться у випадку, коли вироби при роботі не мають великих навантажень, але потрібно збереження їх розмірів в процесі.

Рекристалізаційний відпал пластично деформованих виробів усуває текстуру сплаву і зменшує наклеп. В результаті утвор рівноважна високопласт структура. Відпал для алюмінієвих сплавів в більшості випадків не є остаточною операцією, а проміжною або підготовчою в технологічному процесі виробництва виробів.

Гартуванню піддаються алюмінієві сплави з метою одержання в них шляхом швидкого охолодження нерівноважної структури – пересиченого твердого розчину легувальних елементів в алюмінії. Гартують сплави тих систем, у яких спостерігається змінна розчинність хоча б одного з елементів в основному розчині, яка збільшується при підвищенні температури.

Сплави зі структурою пересиченого твердого розчину характеризуються порівняно високими пластичністю і міцністю. У більшості випадків їх міцність може бути додатково підвищена за рахунок наступного старіння. Проте ряд сплавів системи А1-Mg, і особливо сплави А1-Si і А1-Мn, підвищують міцність в основному не в результаті дисперсійного твердіння, а при загартуванні за рахунок легування основного розчину.

С т а р і н н я– процес розпаду нестабільного перенасиченого твердого розчину, отриманого гартуванням, шляхом дифузійного перерозподілу атомів і поступового наближення структури до рівноважного стану. В одних сплавах він починається при кімнатній температурі відразу ж після охолодження і посилюється з часом. Цей процес, що протікає при порівняно низьких температурах, називається природним старінням (низькотемпературне старіння). В інших сплавах розпад можливий при підвищених температурах – штучне старіння (високотемпературне старіння).

Швидкість зміцнення сплавів збільшується з підвищенням температури старіння.

Велике технологічне значення має період часу, протягом якого загартовані алюмінієві сплави зберігають свою пластичність. У цей період проводяться такі остаточні операції, як розклепка заклепок, згинання і правка виробів і т. п. Він може бути подовжений перенесенням загартованих виробів у контейнери з низькою (нижче 0 °С) температурою.

Тривалість процесу старіння гартованих алюмінієвих сплавів може бути різною залежно від необхідних механічних властивостей – міцності і пластичності.

Дата добавления: 2015-05-07