Контрольная работа по "Материаловедение"

Рисунок 3. Зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике от температуры при различной концентрации донорной примеси. 
 

      Фотопроводимость

     Фотопроводимость (фоторезистивный  эффект) -  это  изменение  электрической  проводимости  под  действием  электромагнитного  излучения.

     Фотопроводимость  может  проявляться  только  при  поглощении полупроводником фотонов. Удельная проводимость под действием  фотоэффекта  определяется  как  разность  проводимостей  полупроводника на свету γ_с и в темноте γ_т

     После  прекращения  светового  воздействия  концентрация  неравновесных  носителей  заряда  и  проводимость  уменьшаются  до своего  исходного  значения.  Для  полупроводников  характерна  релаксация  фотопроводимости,  т.е.  процесс  нарастания  и  уменьшения фотопроводимости  во  времени. При  возбуждении  полупроводника прямоугольным  импульсом света интенсивностью J время нарастания и спада фотопроводимости связано с временем жизни неравновесных носителей заряда. Накопление или убыль неравновесных носителей заряда определяются разностью скоростей генерации и рекомбинации носителей. 

     Мышьяк – собственный полупроводник. Мышьяк высокой чистоты для синтеза полупроводниковых соед. получают из предварительно очищенных AsH₃ или AsCl₃хим. осаждением из газовой фазы. Обычно является n-типа.

     Основные  физические свойства:

     Плотность – 5,74Мг/м³,  удельная теплоемкость – 0,343 кДж/(кгК), ширина запрещенной зоны – 1,2эВ, температура плавления 817°С, удельное сопротивление – 38-10^-8 Ом*м.

     Применение  – в качестве добавки для изготовления полупроводников. Для изготовления выпрямителей и фотоэлементов.

     Арсенид индия – полупроводниковое соединение А^IIIB^V. Тип решетки – сфалерит. Тип химической связи – ковалентно-ионная.

     Примесный полупроводник, проводимость р-типа.

     Основные  физические свойства:

     Плотность – 5,67г/см³, коэффициент теплопроводности – 4 Вт/(мК), ширина запрещенной зоны – 0,35эВ, подвижность электронов – 3,3, подвижность дырок – 0,046 м²/(Вс), температура плавления 942°С.

     Применяются для фотоэлектрических  и фоточувствительных  приборов:  быстродействующих  приемников  и  источников  излучения,  фотоэлементов, фотокатодов, светодиодов, полупроводниковых  лазеров. 
 

Задание 3.

     Расшифруйте марки железо-углеродистых сплавов (15ХВ5Ф, ШХ15СГ, А45Е, 35, У9А, 40Х, 25ХГТР). Определите класс материалов. Приведите для каждого сплава численные значения его механических свойств. Охарактеризуйте материал в целом и укажите его назначение.

     Для углеродистых сталей, используя диаграмму  Fe-C, определите фазовый состав при температуре 950 °С, и опишите превращения, которые происходят в этих сталях при кристаллизации и охлаждении до комнатной температуры.

      Решение:

15ХВ5Ф – сталь для штампов горячего деформирования

15 – 1,5% С

Х – хром (до 1,5%).

В – вольфрам – 5%.

Ф – ванадий (до 1,5%)

Применение –  для изготовления штампов. 

ШХ15СГ  - сталь конструкционная подшиниковая.

Х – хром

15 – 1,5% хрома

C – кремний (до 1%)

Г – марганец (до 1%)

Хим состав: С-0,95-1,05%, Si – 0,4-0,65%, Mn – 0,9-1,2%, Cr 1,3-1,65%,  Р – до 0,027%, S  - до 0,02%, Ti -  до 0,01%, Ni – до 0,3%

Механические  свойства: s_в=590-730 Мпа, s_т=370-410, d₅=20%, y=45%.

Твердость 179-217МПа 

Применение - крупногабаритные кольца шарико- и роликоподшипников со стенками толщиной более 20—30 мм, шарики диаметром более 50 мм; ролики диаметром более 35 мм. 
 
 

А45Е – сталь конструкционная повышенной обрабатываемости резанием

Хим состав: С-0,42-0,5%, Si – 0,17-0,37%, Mn – 0,5-0,8%, Cr до 0,25%,  Р – до 0,04%, S  - 0,06-0,12%, Se – 0,04-0,1%,  Сu – до 0,25%.

Механические  свойства: s_в=610 Мпа, s_т=360, d₅=16. Твердость 241МПа

Применение –  Для молотовых штампов, бандажей и матриц

35 – сталь конструкционная углеродистая качественная

35 - 0,35% углерода

Хим состав: С-0,32-0,4%, Si – 0,17-0,37%, Mn – 0,5-0,8%, Cr до 0,25%,  Р – до 0,035%, S  - до 0,04%.

Механические  свойства: s_в=400-640 Мпа, s_т=294-315, d₅=15-20%, y=35-45%.

Твердость 163-229МПа 

Применение –  детали невысокой прочности, испытывающие небольшие напряжения: оси, цилиндры, коленчатые валы, шатуны, шпиндели, звездочки, тяги, ободы, траверсы, валы, бандажи, диски и другие детали.

У9А - Сталь инструментальная углеродистая

9 - 0,9% углерода

Хим состав: С-0,85-0,94%, Si – 0,17-0,33%, Mn – 0,17-0,28%, Cr  до 0,2%,  Р – до 0,025%, S  - до 0,018%.

Механические  свойства: s_в=750 Мпа,  d₅=10%. Твердость 192МПа

Применение  – инструмент, работающий в условиях, не вызывающих разогрева кромки: инструмент для обработки дерева, слесарно-монтажный инструмент, калибры простой формы и пониженных классов точности.

40Х – легированная конструкционная сталь

40 – 0,4%  углерода

Х – хром до 1,5%

Хим состав: С-0,36-0,44%, Si – 0,17-0,37%, Mn – 0,5-0,8%, Cr  0,8-1,1%,  Р – до 0,035%, S  - до 0,035%,Ni – до 0,3%

Механические  свойства: s_в=618-980 Мпа, s_т=785Мпа, d₅=9-14%, НВ 217-269Мпа.

Применение - Оси, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, губчатые венцы, болты, полуоси, втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности. 

25ХГТР – Конструкционная легированная  сталь

Х  -хром

Г – марганец

Т – титан

Р- бор

Хим состав: С-0,22-0,29%, Si – 0,17-0,37%, Mn – 0,8-1,1%, Cr  1-1,3%,  Р – до 0,035%, S  - до 0,035%,Ni – до 0,3%, Тi – 0,03-0,09%, B – до 0,15%.

Механические  свойства: s_в=1270 Мпа, s_т=980Мпа, d₅=10%, НВ 217Мпа.

Применение: нагруженные зубчатые колеса и другие детали 
 

       

     Сплавы  железа с углеродом, содержащие менее 2,14 % углерода при малом содержании других элементов, называются углеродистыми  сталями.

     В доэвтектоидных сталях (содержание углерода менее 0,8%) при температуре 950°С – сплав находится в твердом  состоянии и состоит из аустенита (однофазная структура).При понижении температуры происходят следующие изменения:  до температуры 727°С аустенит остывает с исходной концентрацией углерода 1%. При понижении температуры ниже  линии GS из аустенита начинает кристаллизоваться феррит. По мере понижения температуры состав аустенита изменяется по линии GS, а феррита – по линии GP. При 727 °С феррит содержит 0,02% углерода, а аустенит, содержащий 0,8% углерода, распадается на перлит – смесь феррита (0,02%С) и вторичного цементита. При дальнейшем охлаждении растворимость углерода в феррите падает в соответствии с линией PQ и из феррита выделиться третичный цементит.

      В эвтектоидных сталях (содержание углерода 0,8%) при охлаждении ниже 727°С углеродистая сталь называется перлитом и представляет собой равномерно распределенную механическую смесь феррита и цементита. Структура перлита состоит из мелких включений цементита, расположенных в феррите.

     В заэвтектоидных сталях (от 0,8 до 2,14%) при температуре 950°С твердые растворы. Однофазная структура – аустенит. От 950 до 727 °С остывает аустенит с исходной концентрацией углерода 1%. При понижении температуры ниже 727°С из аустенита начинает кристаллизовываться вторичный цементит. По мере понижения температуры состав аустенита изменяется по линии ES. В т.4 имеем цементит и аустенит, содержащий 0,8% углерода, распадающийся на перлит – смесь феррита и вторичного цементита. По мере охлаждения сплава ниже 727°С растворимость углерода в феррите падает в соответствии с линией PQ и составляет при комнатной температуре 0,006%. Из феррита при этом выделяется третичный цементит. 

Задание 4.

     Дайте определение проводников. Назовите основные параметры, которыми они характеризуются, поясните их физический смысл.

     Для проводниковых материалов  (оловянно-фосфористая бронза, нейзильбер)  приведите числовые значения этих параметров, укажите область применения материала, а также предложите проводниковый материал для производства изделия – сильноточные коммутирующие контакты. Обоснуйте свой выбор.

      Решение.

     Вещества проводящие электрический ток – называют проводниками.

   Основные  параметры:

1. Теплопроводность  - свойство материала  проводить тепло.
2. Удельное сопротивление -
3. Термо-ЭДС – между двумя различными металлическими проводниками в месте их соединения возникает контактная разность потенциалов, обусловленная различием работы выхода электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа.
4. Температурный коэффициент линейного расширения – необходим для расчета температурного коэффициента расширения электрического сопротивления провода.

   Оловянно-фосфористая  бронза

   Применение  – для контактных пружин.

   Температура плавления - 934°С, температура кипения - 1800°С, плотность – 8,76Мг/м³, теплопроводность –49Вт/(мК),  ТКЛР - 17·10^-6 К^-1. 

   Нейзильбер  – сплав с большим удельным сопротивлением

   Критическая температура перехода- 7,2К, критическая магнитная индукция 0,08Тл

   Температура плавления - 1080°С, плотность – 8700кг/м³, теплопроводность –35Вт/(мК),  ТКЛР - 36·10^-5 К^-1,  электрическое сопротивление – 0,30 мкОмм, термоЭДС – 14,4мкВ/С.

   Применяют для изготовления деталей точных приборов, реостатов, контактных пружин.

   Для производства сильноточных коммутирующих контактов применяются тугоплавкие металлы (W, Мо) и их  сплавы, либо металлокерамические композиции. Металлокерамические контакты изготовляют прессованием металлических порошков  с последующим спеканием или пропиткой спрессованной тугоплавкой основы легкоплавкими компонентами.  Используются  композиции  на  основе вольфрамового или молибденового порошка, пропитанного жидким серебром или медью. Серебро и медь обеспечивают высокую электро- и теплопроводность, стойкость к окислению, а тугоплавкая фаза - стойкость к износу, электрической эрозии и свариванию. Кроме двойных металлических композиций  используются  тройные  композиции: Ag-W-Ni, Cu-W-Ni, а также металлокерамические материалы, содержащие оксиды, карбиды или графит: Ag-CdO, Ag-CuO, Ag-WC, хорошие релаксационные свойства.