мм, изготовленное из инструментальной углеродистой стали, закалить в воде, а затем замерить твердость его в поперечном сечении, то окажется, что во внутренней зоне, расположенной вдоль оси сверла (сердцевине), твердость будет почти такой же, как до закалки, в то время как в наружной зоне, расположенной у поверхности, твердость резко повысится. Проверив затем микроструктуру, можно будет убедиться, что в сердцевине она будет перлитного типа, а у поверхности — мартенситного. Несквозная закалка объясняется неравномерным охлаждением детали при закалке: поверхность всегда охлаждается быстрее, чем сердцевина. Неравномерность охлаждения вызывается различными условиями теплоотвода у поверхности и в сердцевине. При погружении раскаленной детали в закалочную среду поверхность, соприкасаясь с холодной жидкостью, охлаждается с большой скоростью, в то время как отвод теплоты от сердцевины затруднен толщей горячего металла, и потому она охлаждается медленно. В результате скорость охлаждения поверхности оказывается выше критической, и поверхность закаливается, а скорость охлаждения сердцевины получается ниже критической, и последняя не закаливается.
30. Алюминий и его сплавы. Термическая обработка алюминиевых сплавов. Промышленные деформируемые алюминиевые сплавы.
Алюминий — металл серебристо-белого цвета. Кристаллизуется в решетке ГЦК с периодом a  = 0,4041 нм (при 20 ° С) и полиморфных превращений не испытывает. Алюминий обладает малой плотностью (2700 кг/м3), низкой температурой плавления (660 ° С), а также высокой электро- и теплопроводностью. Для алюминия характерна высокая пластичность и малая прочность. Термическая обработка алюминиевых сплавов является ответственной операцией технологического процесса. Цель ее — изменить структуру и физико-химические свойства сплавов. Режим термической обработки выбирают в зависимости от сплавов и метода изготовления из них заготовок и деталей.
Термическая обработка деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов, основана на том, что с понижением температуры растворимость многих элементов в твердом алюминии уменьшается. При нагреве под закалку алюминиевые сплавы неполностью кристаллизуются. Если сплав перегрет, в результате чего структура получилась с крупным зерном, то такой сплав бракуется. Поэтому термист должен быть внимателен к нагреву деталей из алюминиевых сплавов.
Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов. Деформируемые алюминиевые сплавы подвергают таким видам термической обработки, как отжиг, закалка, старение.
Отжиг применяют для заготовок с целью придания материалу пластических свойств, необходимых для выполнения операций, которые связаны с обработкой давлением в холодном состоянии. В зависимости от сплава и назначения полуфабрикатов применяют высокий, низкий и полный отжиг.
Высокий отжиг (310-350°С) предназначается для полного разупрочнения (снятия наклепа) материала, происходящего после холодной пластической деформации сплавов А1, АД, AM и др.
Низкий отжиг (150-300°С) также применяют для сплавов А1, АД, AM, но с целью повышения пластичности при сохранении достаточной прочности, полученной нагартовкой.
Полный отжиг (380-450°С) применяют для полуфабрикатов, изготовленных из термически упрочняемых сплавов Д1, Д16, АК6 и т. д., чтобы получить высокую пластичность и снять упрочнение, полученное в результате закалки и старения.
Для снятия эффективности естественного старения и возвращения материала к свежезакаленному состоянию применяют нагрев в течение нескольких секунд или минут при температуре 200-250°С. Такой вид операции называют отжигом на возврат.
Закалка деформируемых алюминиевых сплавов, в основном дюралюминия Д1, Д16 и Д18, состоит только из одной операции — нагрева с охлаждением в воде при температуре 30- 40°С. Температура закалки для Д1 берется равной 495-505°С, для Д16 — 490-500°С, для Д18 — 495-510°С. Выдержка при нагреве устанавливается в зависимости от размеров деталей.
Особенность дюралюминия заключается в том, что он проявляет повышенную восприимчивость к старению при комнатной температуре. Стабилизация свойств происходит примерно через четверо суток. Искусственное старение дюралюминия неблагоприятно сказывается на механических свойствах и коррозийной стойкости.
Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов. В отличие от деформируемых литейные алюминиевые сплавы почти все подвергаются термической обработке.
31. Титан и его сплавы. Термическая обработка титановых сплавов. Титановые сплавы с интерметаллидным упрочнением
Титан — переходный металл. Его температура плавления 1668 °С, плотность при 20 °С составляет 4,5 г/см3, модуль упругости Е =11,2.105 МПа. При 882 °С низкотемпературная гексагональная модификация (a — фаза) переходит в высокотемпературную b — модификацию с ОЦК решеткой. Очень чистый титан, полученный иодидным способом, обладает высокой пластичностью, но вследствие его химической активности он легко взаимодействует с кислородом, азотом и углеродом. И, хотя прочность его сильно возрастает, пластичность существенно снижается (табл. 14).
Несмотря на высокую температуру плавления, чистый титан обладает повышенной склонностью к ползучести. Она проявляется уже при комнатной температуре, при напряжениях составляющих только 60 % от предела текучести. Технический титан не склонен к хладноломкости. У технического титана необычно изменяется пластичность: с повышением температуры от комнатной до 200 °С она увеличивается в 1,5…2 раза, а при дальнейшем повышении температуры — снижается, достигая минимума при 400…500 °С, а затем снова резко возрастает. При температуре полиморфного превращения титан обладает сверхпластичностью.
Интенсивность взаимодействия титана с кислородом и водородом растет с температурой, поэтому в условиях эксплуатации при повышенных температурах его следует защищать от насыщения указанными элементами. Вместе с тем эту способность титана используют для поглощения газов в электронике. Титан сильно адсорбирует водород, но до 500 °С наводороживание происходит лишь в атмосфере, богатой водородом, а в воздушной среде проникновение водорода через защитную оксидную пленку невелико. Несмотря на свою высокую химическую активность, титан во многих агрессивных средах обладает высокой коррозийной стойкостью, что объясняется образованием защитной оксидной пленки на его поверхности. В средах, не разрушающих оксидную пленку, а особенно способствующих ее образованию, титан устойчив (в разбавленной серной кислоте, уксусной, молочной, во влажной хлорной атмосфере, царской водке, разбавленной и концентрированной азотной кислоте и др.). Преимущество титана перед другими материалами заключается еще и в том, что точечная и межзеренная коррозия наблюдаются в нем редко.

32. Конструкционные стали. Вид сталей и особенности.
Конструкционная сталь — специально обработанный сплав железа с углеродом, который предназначен для производства несущих конструкций в строительстве и обладает особыми физическими и механическими свойствами. Она рассчитана на длительную эксплуатацию под высоким уровнем нагрузок. Существует огромное количество марок конструкционных сталей, которые определяются по нескольким ключевым показателям.
Важнейшим параметром является качество материала, которое зависит от содержания фосфора и серы в сплаве. Эти элементы приводят к повышенной ломкости структуры металла, поэтому их присутствие должно быть сведено к минимуму. Материал с содержанием данных примесей до 0,05% относится к категории обычного качества и маркируется «ст». Сплав с массовой долей серы и фтора до 0,035% считается качественным и маркируется «сталь». При содержании указанных элементов до 0,025% сталь называют высококачественной и маркируют буквой «а» в конце. А материал с количеством примесей до 0,015% относится к категории особо высокого качества, о чем будет свидетельствовать буква «ш» в конце марки.
В зависимости от назначения все конструкционные стали делятся на три категории: А, Б и В. Группа А применяется в конструкциях, составные элементы которых не подвергаются термической обработке. Это позволяет сохранить все заводские свойства металла в нетронутом виде.
Категория Б наоборот, предназначается для конструкций, к которым будет применяться горячая обработка. Эта марка имеет четко регламентированный химический состав, а ее окончательные свойства зависят от способа обработки.
Сталь группы В изготавливается специально под сварку. Ее физические и химические свойства обеспечивают максимальный уровень соединение элементов конструкции друг с другом. Данная классификация является предельно строгой, поэтому нужно использовать конкретную марку материала только для четко указанных целей. В противном случае результат может оказаться гораздо ниже желаемого уровня.
Классификация конструкционных сталей производится и по степени раскисления. Она определяется количеством кремния в сплаве. Выделяют три вида: спокойные стали (маркировка «сп») — содержание кремния не менее 0,12%; полуспокойные стали (маркировка «пс») — содержание кремния 0,07-0,12%; кипящие стали (маркировка «кп») — содержание кремния до 0,07%. Степень раскисления влияет на свариваемость материала, а также на предельно переносимые механические нагрузки. Чем больше кремния в составе сплава, тем лучше качество стали. Сварка конструкционных сталей производится при помощи стандартных аппаратов. Данный вид материала изначально предназначен для создания соединительных конструкций, поэтому достаточно легко поддается обработке.

33. Инструментальные стали. Низколегированные стали. Быстрорежущие стали.
Инструментальные стали.
Инструментальные легированные стали подразделяются:
*низколегированные с содержанием легирующих элементов до 5%, 
*высоколегированные с содержанием легирующих элементов более 10%.
Низколегированные инструментальные стали (ГОСТ 5950-2000): ст.ХВГ, ст.9ХС, после термической обработки обладают более высокими показателями механических свойств по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями: имеют более высокую твердость после термообработки (62-65 HRC), повышенные износостойкость и теплостойкость (до 200-250°С), меньшую чувствительность и склонность к перегреву и короблению при термообработке.
Низколегированные инструментальные стали применяют для изготовления режущих инструментов большого сечения, работающих при небольших скоростях резания: ручных сверл, протяжек, разверток, гребенок.
Высоколегированные инструментальные стали (ГОСТ 19265-76) содержат большое количество легирующих элементов, образующих в структуре стали химические соединения с углеродом (преимущественно карбиды). Основной легирующий элемент таких сталей — вольфрам.
Изделия, изготовленные из высоколегированных инструментальных сталей с большим количеством карбида, сохраняют высокие твердость, прочность и износостойкость при температурах 600-620° С, которые появляются в режущей кромке при резании металлов с большой скоростью.
Такие стали называют быстрорежущими.
В состав быстрорежущих сталей входят 0,7-0,95% углерода, 3,1-4,4% хрома, 8,5-19% вольфрама, 1-2,5% ванадия. Маркируются быстрорежущие стали следующим образом: ст.Р9, ст.Р18, ст.Р12, где буква Р обозначает, что сталь быстрорежущая, цифры 9, 18, 12 показывают среднее содержание вольфрама, предусмотренное стандартом.
У быстрорежущих сталей появляются высокие показатели механических свойств после сложной термической обработки. Из таких сталей изготовляют сверла, фрезы, долбяки, протяжки, развертки, пилы, напильники для твердых металлов и другой инструмент. К быстрорежующим относяться ст.Р14Ф4, кобальтовые ст.Р9К5, ст.Р9КЮ, кобальто-ванадиевые ст.Р10К5Ф5, ст.Р18К5Ф2 и вольфрамо-молибденовая ст.Р6МЗ. Эти стали обладают повышенной теплостойкостью, меньшей хрупкостью. Применяют их для изготовления режущих инструментов, предназначенных для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей с высокой вязкостью, титановых сплавов и пластмасс.
34. Порошковые твердые сплавы –классификация и технология изготовления.
Твёрдые сплавы — твёрдые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900—1150 °C. В основном изготовляются из высокотвердых и тугоплавких материалов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, связанные кобальтовой металлической связкой, при различном содержании кобальта или никеля.
Типы твёрдых сплавов
Различают спечённые и литые твёрдые сплавы. Главной особенностью спеченных твердых сплавов является то, что изделия из них получают методами порошковой металлургии и они поддаются только обработке шлифованием или физико-химическим методам обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др), а литые твердые сплавы предназначены для наплавки на оснащаемый инструмент и проходят не только механическую, но часто и термическую обработку (закалка, отжиг, старение и др). Порошковые твердые сплавы закрепляются на оснащаемом инструменте методами пайки или механическим закреплением. Твердые сплавы различают по металлам карбидов, в них присутствующих: вольфрамовые — ВК2, ВК3,ВК3М, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25; титано-вольфрамовые — Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титано-тантало-вольфрамовые — ТТ7К12, ТТ10К8Б. Безвольфрамовые ТНМ20, ТНМ25, ТНМ30
По химическому составу твердые сплавы классифицируют:
вольфрамокобальтовые твердые сплавы (ВК);
титановольфрамокобальтовые твердые сплавы (ТК);
титанотанталовольфрамокобальтовые твердые сплавы (ТТК).
Твердые сплавы по назначению делятся (классификация ИСО) на:
Р — для стальных отливок и материалов, при обработке которых образуется сливная стружка;
М — для обработки труднообрабатываемых материалов (обычно нержавеющая сталь);
К — для обработки чугуна;
N — для обработки алюминия, а также других цветных металлов и их сплавов;
S — для обработки жаропрочных сплавов и сплавов на основе титана;
H — для закаленной стали.
Из-за дефицита вольфрама разработана группа безвольфрамовых твердых сплавов, называемых керметами. Эти сплавы содержат в своем составе карбиды титана (TiC), карбонитриды титана (TiCN), связанные никельмолибденовой основой. Технология их изготовления аналогична вольфрамосодержащим твердым сплавам.
Эти сплавы по сравнению с вольфрамовыми твердыми сплавами имеют меньшую прочность на изгиб, ударную вязкость, чувствительны к перепаду температур из-за низкой теплопроводности, но имеют преимущества — повышенную теплостойкость (1000 °C) и низкую схватываемость с обрабатываемыми материалами, благодаря чему не склонны к наростообразованию при резании. Поэтому их рекомендуют использовать для чистового и получистового точения, фрезерования. По назначению относятся к группе Р классификации ИСО.
Свойства твёрдых сплавов
Пластинки из твердого сплава имеют HRA 86-92 обладают высокой износостойкостью и красностойкостью (800—1000 °C), что позволяет вести обработку со скоростями резания до 800 м/мин.
Спечённые твёрдые сплавы
Твердые сплавы изготавливают путем спекания смеси порошков карбидов и кобальта. Порошки предварительно изготавливают методом химического восстановления (1-10 мкм), смешивают в соответствующем соотношении и прессуют под давлением 200-300 кгс/см², а затем спекают в формах, соответствующих размерам готовых пластин, при температуре 1400-1500 °C, в защитной атмосфере. Термической обработке твердые сплавы не подвергаются, так как сразу же после изготовления обладают требуемым комплексом основных свойств.
Композиционные материалы, состоящие из металлоподобного соединения, цементированного металлом или сплавом. Их основой чаще всего являются карбиды вольфрама или титана, сложные карбиды вольфрама и титана (часто также и тантала), карбонитрид титана, реже — другие карбиды, бориды и т.п. В качестве матрицы для удержания зерен твердого материала в изделии применяют так называемую «связку» — металл или сплав. Обычно в качестве «связки» используют кобальт (кобальт является нейтральным элементом по отношению к углероду, он не образует карбиды и не разрушает карбиды других элементов), реже — никель, его сплав с молибденом (никель-молибденовая связка).
Получение твердых сплавов методом порошковой металлургии
Получение порошков карбидов и кобальта методом восстановления из оксидов:
Измельчение порошков карбидов и кобальта (производится на шаровых мельницах в течение 2-3 суток) до 1-2 микрон.
Просеивание и повторное измельчение при необходимости.
Приготовление смеси (порошки смешивают в количествах, соответствующих химическому составу изготавливаемого сплава).
Холодное прессование (в смесь добавляют органический клей для временного сохранения формы).
Спекание под нагрузкой (горячее прессование) при 1400 °C (при 800—850 °C клей сгорает без остатка). При 1400 °C кобальт плавится и смачивает порошки карбидов, при последующем охлаждении кобальт кристаллизуется, соединяя между собой частицы карбидов.
35. Коррозионно-стойкие стали и жаропрочные стали и сплавы.
Разрушение металла под воздействием окружающей среды называют коррозией.
Коррозия помимо уничтожения металла отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики деталей, содействуя всем видам разрушения.
Коррозия в зависимости от характера окружающей среды может быть химической и электрохимической.
Электрохимическая коррозия имеет место в водных растворах, а так же в обыкновенной атмосфере, где имеется влага.
Сущность этой коррозии в том, что ионы металла на поверхности детали, имея малую связь с глубинными ионами, легко отрываются от металла молекулами воды.
Металл, потеряв часть положительно заряженных частиц, ионов, заряжается отрицательно за счет избыточного количества оставшихся электронов. Одновременно слой воды, прилегающий к металлу, за счет ионов металла приобретает положительный заряд. Разность зарядов на границе металл – вода обуславливает скачок потенциала, который в процессе коррозии изменяется, увеличиваясь от растворения металла, и уменьшаясь от осаждения ионов из раствора на металле.
Если количество ионов переходящих в раствор и осаждающихся на металле одинаково, то скорости растворения и осаждения металла равны и процесс коррозии (разрушения металла) не происходит. Этому соответствует равновесный потенциал .
За нулевой потенциал принимают равновесный потенциал водородного иона в водном растворе при концентрации положительных ионов водорода, равной 1 моль ионов +на 1 литр.
Стандартные потенциалы других элементов измерены по отношению к водородному потенциалу.
Металлы, стандартный потенциал которых отрицательный – корродируют в воде, в которой растворен кислород тем активнее, чем отрицательней значение электрохимического потенциала.
Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени.
Если изделие работает в окислительной газовой среде при температуре 500..550oC без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей).
Сплавы на основе железа при температурах выше 570 oC интенсивно окисляются, так как образующаяся в этих условиях на поверхности металла оксид железа (вюстит) с простой решеткой, имеющей дефицит атомов кислорода (твердый раствор вычитания), не препятствует диффузии кислорода и металла. Происходит интенсивное образование хрупкой окалины.
Аропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.
Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести.
Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть.
Кратковременная прочность определяется с помощью испытаний на растяжение разрывных образцов. Образцы помещают в печь и испытывают при заданной температуре. Обозначают кратковременную прочность  =, например 300oС= 300МПа.
Прочность зависит от продолжительности испытаний.
36. Керамика. Технология керамизации. Фаянс и фарфор.
Весь фарфор можно разделить на три основные группы — восточный фарфор, европейский твердый фарфор и мягкий фарфор (полуфарфор).
Твердый фарфор или просто фарфор, представляет собой однородную, белую, сильно звенящую, твердую и трудно-плавкую, при незначительной толщине весьма прозрачную массу, в изломе жирно-блестящую, раковистую, мелкозернистую; твердый фарфор состоит главным образом из каолина и полевого шпата с примесью кварца, извести и т. д. и покрыт твердой глазурью. Более тонкие сорта имеют глазурь из полевого шпата, без извести, благодаря чему получают молочно-матовый тон; более простые сорта имеют совершенно прозрачную известковую глазурь.
Обожженный без глазури фарфор известен в продаже под названием «бисквита»; но большею частью фарфор глазируется, расписывается и кроется позолотой по глазури или под глазурью. Выдающимися достоинствами отличается французское производство, в особенности в Лиможе, где каждая фабрика имеет свою особую специальность, в которой достигает несравненных результатов. В Германии первое место занимает Мейссен, затем Берлин, а также Пиркенгаммер и Эльнбоген в Богемии.
Фарфор — это вид керамики, непроницаемый для воды и газа. В тонком слое просвечивающийся. При легком ударе деревянной палочкой, издает характерный высокий чистый звук и без пор.
Фарфор обладает высокой механической прочностью, химической и термической стойкостью, электроизоляционными свойствами и применяется для изготовления высококачественной посуды, художественно-декоративных и санитарно-технических изделий, электро- и радиотехнических деталей, коррозионностойких аппаратов химической технологии, низкочастотных изоляторов и т. д.
Фарфор обычно получают высокотемпературным обжигом тонкодисперсной смеси каолина, полевого шпата, кварца и пластичной глины (такой Фарфор называется полевошпатовым). Термин фарфор в англоязычной литературе часто применяется и к технической керамике: цирконовый, глинозёмный, литиевый, борнокальциевый и др. фарфор, что отражает высокую плотность соответствующего специального керамического материала.
Фарфор также различают в зависимости от состава фарфоровой массы на мягкий и твёрдый. Мягкий фарфор отличается от твёрдого не твёрдостью, а тем, что при обжиге мягкого фарфора образуется больше жидкой фазы, чем при обжиге твёрдого, и поэтому более велика опасность деформации заготовки при обжиге.
Твёрдый фарфор богаче глинозёмом и беднее флюсами. Для получения необходимой просвечиваемости и плотности он требует более высокой температуры обжига (до 1450 °C). Мягкий фарфор более разнообразен по химическому составу. Температура обжига достигает до 1300 °C. Мягкий фарфор используется преимущественно для изготовления художественных изделий, а твёрдый обычно в технике (электроизоляторы) и в повседневном обиходе (посуда).
Одним из видов мягкого фарфора является костяной фарфор, в состав которого входит до 50 % костяной золы, а также кварц, каолин и т. д., и который отличается особой белизной и просвечиваемостью.
Фаянс — это керамические изделия (облицовочные плитки, архитектурные детали, посуда, умывальники, унитазы и др.), имеющие плотный мелкопористый черепок (обычно белый) , покрытые прозрачной или глухой (непрозрачной) глазурью. Для изготовления фаянса применяются те же материалы, что и для производства фарфора (меняется лишь соотношение компонентов) , и сходная технология (различия в режиме обжига).
Близкие к фаянсу изделия изготовлялись в древнем Египте, Китае IV-V вв., позднее — в Иране, Корее, Японии в XI-XIII вв. Особую известность получили иранские изделия с росписью цветными эмалями по кремовой глазури. В Европе фаянс начали выпускать в середине XVI веке во Франции, это были изделия с многоцветной или синей кобальтовой подглазурной росписью. В XVIII-XX вв. высокого качества фаянсовые изделия производили керамисты Англии, Германии, России. Определились характерные черты художественного фаянса: мягкость линий, обобщенность форм, многообразие способов украшения — росписью, рельефом, цветными глазурями.
В отличие от фарфоровых изделий посуда из фаянса не просвечивает даже в самых тонких слоях и при легком ударе по краю фаянсового изделия оно издает глухой звук

37. Стекло и ситаллы. Технология стекла. Способы получения ситаллов.
Стекла являются аморфными термопластичными материалами неорганического или органического происхождения. В РЭА наибольшее применение получили стекла неорганического происхождения. Они представляют собой сплавы специально подобранных оксидов: диоксид кремния
SiO2, глинозем Al2O3, щелочные Na2O и K2O и щелочноземельные оксиды CaO и BaO, свинца PbO и цинка ZnO. Сырьевыми материалами для стекол служат кварцевый песок, полевой шпат, борная кислота H3BO3, кальцинированная сода Na2CO3, доломит и др.
Сырьевые материалы измельчают и перемешивают, затем полученную шихту плавят в стекловарной печи при 1300–1650°С, летучие части СО2, SO3 удаляются из нее, оставшиеся оксиды вступают в сложные реакции, образуя жидкую однородную стеклообразную массу. Из нее методами горячего прессования, литья и другими способами получают изделия различных форм и размеров.
Самыми высокими электрическими и физико-химическими характеристиками обладает кварцевое стекло, оно относится к группе бесщелочных стекол и получается из расплавленного природного кварца (горного хрусталя). Изделия из кварцевого стекла совершенно прозрачны и имеют высокий уровень электрических характеристик: ρV =1014÷1015 Ом·м; εr = 3,2÷ 3,5; tgδ = 0,0002; Епр=35 ÷ 40 Мв/м. Эти изделия обладают самым малым значением КТР = 5·10-7 1/°С, что придает им очень высокую термостойкость. Кварцевое стекло относится к высокочастотным диэлектрикам, но изготовление из него изделий ограничено из-за очень высокой температуры плавления (выше 1713°С) и трудности получения из него изделий сложного профиля.
Самыми легкоплавкими являются щелочные стекла, которые в своем составе имеют более 10% щелочных оксидов, но в этих стеклах наблюдается очень заметная ионная электропроводность и большие диэлектрические потери. Наиболее широкое применение в качестве электроизоляционных материалов имеют малощелочные стекла (не более 5% щелочных оксидов).
Это сравнительно легкоплавкие стекла (1450°С) с вполне удовлетвори- тельными электрическими характеристиками: плотность 2600–3500 кг/м3; σи=250 МПа; ρV ≈ 1012 Ом·м; εr =4,2÷7,0; Епр=20÷30 Мв/м; tgδ = 0,001÷0,008.
Стекла применяют для изготовления стеклянных конденсаторов, проходных изоляторов, диэлектрических подложек для микросхем.
Ситаллы – это закристаллизованные стекла, имеющие микрокристаллическую структуру. Если у лучших радиокерамических материалов (стеатит, ультрафарфор) размеры кристаллов составляют 10 – 20 мкм, у ситаллов – 0,02 – 1 мкм. Содержание стекла в ситаллах не превосходит 5 – 10 %.
Характерной особенностью ситаллов является то, что микрокристаллическая структура по всему объему однородна с равномерным распределением стеклофазы. Это обеспечивает высокие механические и электрические характеристики ситаллов и полное отсутствие пористости, газопроницаемости и водопоглощаемости. По механической прочности ситаллы превосходят керамические материалы и даже многие металлы. Ситаллы применяются в качестве механически прочных изоляционных оснований (подложек) для тонкопленочных микросхем.
38. Наноматериалы. Особенности наноматериалов: технология и свойства.
Наноматериалы – продукт нанотехнологий, это нечто особое, что гораздо сложнее атомов и молекул, но как продукт высоких технологий не требует многотоннажного производства, поскольку даже малое количество такого вещества способно решить множество проблем. Согласно рекомендации седьмой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г.) выделяют следующие типы наноматериалов:
– нанопористые структуры;
– наночастицы;
– нанотрубки и нановолокна;
– нанодисперсии (коллоиды);
– наноструктурированные поверхности и пленки;
– нанокристаллы и нанокластеры.
Последние представляют собой частицы упорядоченного строения размером от 1 до 5 нм, содержащие до 1000 атомов. Нитевидные и пластинчатые частицы могут содержать гораздо больше атомов, их свойства остаются характерными для вещества в нанокристаллическом состоянии. Если наночастица имеет сложную форму и строение, то рассматривают не линейный размер частицы в целом, а размер ее структурного элемента. Такие частицы, называют наноструктурами, их линейные размеры могут значительно превышать 100 нм.
Основные отличительные свойства наноматериалов:
1) суперминиатюрность, позволяющая на единице площади разместить большое количество функциональных наноустройств или проникать им в недоступные для других веществ части микромашин;
2) большая площадь поверхности, ускоряющая взаимодействие между наноматериалами и средой, в которую они помещены;
3) отсутствие точечных дефектов, вследствие чего прочность наноматериалов в десятки раз превышает прочность стали.
Эти свойства объясняют тот факт, что даже грамм наноматериала может быть более эффективен, чем большое количество обычного вещества.
39. Оптические свойства. Преломление и отражение. Показатель преломления. Спектры пропускания и поглощения
Оптическими свойствами материалов называют их способность количественно и качественно изменять световой поток. В результате воздействия материала на световой поток проявляются такие его свойства, как цвет, блеск, прозрачность, белизна, и др. Оптические свойства текстильных материалов имеют существенное значение при оценке внешнего вида, эстетическом восприятии одежды. Они позволяют выявлять, подчеркивать или, наоборот, скрывать фактуру материала, конструктивные особенности изделия, объем фигуры человека.
На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, оставшаяся часть пройдет через границу и будет распространяться во второй среде.
Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения равен углу падения.
Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, или КОЭФФИЦИЕНТ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, -отвлеченное число, характеризующее преломляющую силу прозрачной среды. Показатель преломления обозначается латинской буквой π и определяется как отношение синуса угла падения к синусу угла преломления луча, входящего из пустоты в данную прозрачную среду:
n = sin α/sin β = const
или как отношение скорости света в пустоте к скорости света в данной прозрачной среде: n = c/νλ из пустоты в данную прозрачную среду. Показатель преломления считается мерой оптической плотности среды.
Определенный таким образом показатель преломления называется абсолютным показателем преломления, в отличие от относительного т. е. показывает, во сколько раз замедляется скорость распространения света при переходе его показателя преломления, который определяется отношением синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе луча из среды одной плотности в среду другой плотности. Относительный показатель преломления равен отношению абсолютных показателей преломления: n = n2/n1, где n1 и n2 — абсолютные показатели преломления первой и второй среды.
Абсолютный показатель преломления всех тел — твердых, жидких и газообразных — больше единицы и колеблется от 1 до 2, превосходя значение 2 только в редких случаях.
Показатель преломления зависит как от свойств среды, так и от длины волны света и увеличивается с уменьшением длины волны. Поэтому к букве п приписывают индекс, указывающий, к какой длине волны относится показатель. Например, для стеклаТФ-1 показатель преломления в красной части спектра составляет nC=1,64210, а в фиолетовой nG’ =1,67298.
Показатели преломления некоторых прозрачных тел:
Воздух — 1, 000292
Вода — 1,334
Эфир — 1, 358
Спирт этиловый — 1,363
Глицерин — 1, 473
Органическое стекло (плексиглас) — 1, 49
Бензол — 1,503
(Стекло крон — 1,5163
Пихтовый (канадский) , бальзам 1,54
Стекло тяжелый крон — 1, 61 26
Стекло флинт — 1,6164
Сероуглерод — 1,629
Стекло тяжелый флинт — 1, 64 75
Монобромнафталин — 1,66
Стекло самый тяжелый флинт — 1, 92
Алмаз — 2,42
Неодинаковость показателя преломления для разных участков спектра является причиной хроматизма, т, е. разложения белого света, при прохождении его через преломляющие детали — линзы, призмы и т. д.
Все три вида спектров – сплошной, линейчатый и полосатый – являются спектрами испускания.
Помимо спектров испускания существуют спектры поглощения, которые получают следующим образом.
Белый свет от источника пропускают через пары исследуемого вещества и направляют на спектроскоп или иной прибор, предназначенный для исследования спектра.
В этом случае не фоне сплошного спектра видны темные линии, расположенные в определенном порядке. Их число и характер расположения позволяют судить о составе исследуемого вещества.
Например, если на пути лучей находятся пары натрия, на сплошном спектре возникает темная полоса в том месте спектра, где должна была располагаться желтая линия спектра испускания паров натрия.
40. Проводники 1- и 2-го рода. Проводимость. Сверхпроводимость.
По своему поведению в магнитных полях сверхпроводники разделяются на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники 1-го рода обнаруживают те идеальные свойства, о которых уже говорилось. В присутствии магнитного поля в поверхностном слое сверхпроводника возникают токи, которые полностью компенсируют внешнее поле в толще образца. Если сверхпроводник имеет форму длинного цилиндра и находится в поле, параллельном его оси, то глубина проникновения может быть порядка 3Ч 10–6 см. При достижении критического поля сверхпроводимость исчезает и поле полностью проникает внутрь материала. Критические поля для сверхпроводников 1-го рода лежат обычно в пределах от 100 до 800 Гс. Хотя у сверхпроводников 1-го рода малая глубина проникновения, они имеют большую длину когерентности – порядка 10–4 см.
Сверхпроводники 2-го рода характеризуются большой глубиной проникновения (около 2Ч10–5 см) и малой длиной когерентности (5Ч10–7 см). В присутствии слабого магнитного поля (меньше 500 Гс) весь магнитный поток выталкивается из сверхпроводника 2-го рода. Но выше Нс1 – первого критического поля – магнитный поток проникает в образец, хотя и в меньшей степени, чем в нормальном состоянии. Это частичное проникновение сохраняется до второго критического поля – Нс2, которое может превышать 100 кГс. При полях, больших Нс2, поток проникает полностью, и вещество становится нормальным. Характеристики различных сверхпроводников представлены в таблице.
Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения. Существует множество чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина и поэтому имеет смысл определённое значение Тс — температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Эта величина называется критической температурой перехода. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь – от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Тс изменяются в пределах от 0,0005 K у магния (Mg) до 23,2 К у интерметаллида ниобия и германия (Nb3Ge, в плёнке) и 39 К удиборида магния (MgB2) у низкотемпературных сверхпроводников (Тс ниже 77 К, температуры кипения жидкого азота), до примерно 135К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников. В настоящее время фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg−1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры — 135°К, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164°К, что лишь на 19°К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, сверхпроводники в своём развитии прошли путь от металлической ртути (4.2°К) к ртутьсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (164°К)

41. Полупроводники. Проводимость n- и p-типа. Диоды, триоды и солнечные элементы.
Полупроводники — это вещества, в которых электрический ток образуется движением электронов, а величина удельного сопротивления находится в пределах между проводниками и диэлектриками. Чистые i — полупроводники практически не используют. В них специально вводят атомы других элементов (примеси) трехвалентных (алюминий, галлий, индий, бор) или пятивалентных (мышьяк, фосфор, сурьма) элементов или их соединений. При этом на 107…108 атомов i — полупроводника вводят один атом примеси. Атомы пятивалентной примеси называются донорами: они увеличивают число свободных электронов. Каждый атом такой примеси добавляет один лишний электрон. При этом лишних дырок не образуется. Примесный атом в структуре полупроводника превращается в неподвижный положительно заряженный ион. Проводимость полупроводника теперь будет определяться в основном числом свободных электронов примеси. В целом такой тип проводимости называют проводимостью n–типа, а сам полупроводник – полупроводником n–типа.
При введении трехвалентной примеси одна из валентных связей полупроводника оказывается незаполненной, что эквивалентно образованию дырки и неподвижного отрицательно заряженного иона примеси. Таким образом, в этом случае увеличивается концентрация дырок. Примеси такого типа называются акцепторами, а проводимость, обусловленная введением акцепторной примеси, называют проводимостью р–типа. Полупроводник данного вида называют полупроводником р–типа.
Преобладающие носители заряда в полупроводнике называются основными. Так в полупроводнике n–типа основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки, а в полупроводнике р–типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны. Как видим, в отличие от проводимости проводников, в которых ток обусловлен направленным движением только электронов, в полупроводниках ток может быть обусловлен двумя типами носителей – электронами и дырками.
Диод по обеспечивает одностороннюю проводимость то есть ток по нему может течь только в одном направлении.
Триод это диод имеющий третий контакт (Управляющий контакт) в обычном состоянии триод не проводит электричество но при поступлении сигнала на управляющий контакт он открывается.
Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис.1. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.
Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

42. Диэлектрики. Поляризация. Диэлектрическая проницаемость. Тангенс диэлектрических потерь. Пьезоэлектрический эффект. Сегнетоэлектрики.
Еемкость конденсаторов определяется геометрией прибора и диэлектрической проницаемостью ε среды, которая его заполняет (ε — безразмерная величина, зависящая от конкретного вещества). Для примера рассмотрим простейший случай — плоский конденсатор. Его емкость прямо пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Важно здесь то, что существует также линейная зависимость емкости от диэлектрической проницаемости вещества, которое заполняет пространство между обкладками. Следовательно, степень миниатюризации определяется диэлектрической проницаемостью: имея в распоряжении вещество с большим значением ε, можно добиться существенного увеличения емкости конденсатора при его неизменных размерах.
Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) — это также электромеханический эффект, однако он наблюдается не во всех диэлектриках, а только в нецентросимметричных кристаллах. Причем, в отличии от электрострикции, пьезоэффект обратим Он может быть прямым и обратным.
Прямой пьезоэффект проявляется в образовании зарядов на поверхности твердого тела под воздействием механических напряжений.
Лампу-вспышку зажигает удар. Польский изобретатель Тадеуш Косецкий предложил использовать пьезокристалл в качестве источника энергии для лампы-вспышки. Под действием быстрого сильного удара по кристаллу на нем возникает электрическое напряжение. По расчетам изобретателя, его вполне должно хватить для зажигания лампы. Никаких батарей для такого «блица» вообще не понадобится: всю необходимую для лампы энергию даст механический удар по кристаллу.
В диэлектрике, помещенном в переменное электромагнитное поле , часть энергии поля переходит в тепловую. Эта доля пропорциональна тангенсу угла диэлектрических потерь.
Сегнетоэлектрики — частный случай пироэлектриков. В сегнетоэлектриках также самопроизвольно возникает поляризация, но только в некотором интервале температур. Температура, при которой происходит исчезновение спонтанной поляризации, называется сегнетоэлектрической температурой Кюри. При температуре Кюри в сегнетоэлектриках наблюдается максимум диэлектрической проницаемости, а ее изменение вблизи этой температуры происходит скачками (сравнение с эффектами Гопкинса и Бархгаузена). Выше температуры Кюри сегнетоэлектрик переходит в пароэлектрическое состояние.
43. Магнитные свойства материалов. Ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Кривая гистерезиса. Намагничиваемость.
Магнитные свойства материалов характеризуются рядом физических величин или магнитными характеристиками: петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании.
Основные физические свойства магнита определяются характером размагничивающей ветви петли магнитного гистерезиса материала, из которого изготовлен магнит. Чем больше коэрцитивная сила Hc и остаточная магнитная индукция Br материала, то есть чем более магнитно-твёрдым является материал, тем лучше он подходит для магнита. Индукция в магните может равняться наибольшей остаточной индукции Br лишь в том случае, если он представляет собой замкнутый магнитопровод. Обычно же магнит служит для создания магнитного потока в воздушном зазоре, например, между полюсами подковообразного магнита. Воздушный зазор уменьшает индукцию (и намагниченность) магнита; влияние зазора подобно действию некоторого внешнего размагничивающего поля Hd. Значение поля Hd, уменьшающего остаточную индукцию Br до значения Bd, определяется конфигурацией магнита. Таким образом, при помощи магнита могут быть созданы магнитные поля, индукция которых В ≤ Br.
Действие магнита наиболее эффективно в том случае, если состояние магнита соответствует точке кривой размагничивания, где максимально значение (BH)max, то есть максимальна магнитная энергия единицы объёма магнитного материала.
Важным условием для достижения наивысших магнитных характеристик магнита является его предварительное намагничивание до состояния магнитного насыщения. Другое важное требование – неизменность магнитных свойств со временем и при воздействии неблагоприятных условий внешней среды.
При циклическом изменении напряженности магнитного поля кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой – называемой петлей гистерезиса. Магнитным гистерезисом называется явление отставания изменения магнитной индукции от вызывающей эти изменения напряженности магнитного поля.
Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения намагничивания, называют предельной петлей гистерезиса. Она характеризуется максимально достигнутым значением индукции Вs, называемым индукцией насыщения.
44. Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ.
Основной задачей рентгенофазового анализа (РФА) является идентификация различных фаз в их смеси на основе анализа дифракционной картины, даваемой исследуемым образцом. Определение вещества в смеси проводится по набору его межплоскостных расстояний и относительным интенсивностям соответствующих линий на рентгенограмме.
Когерентно рассеянные рентгеновские лучи интерферируют между собой, при этом дифракционной решеткой для рентгеновского излучения служит кристаллическая решетка, поскольку межплоскостные расстояния в кристалле сравнимы с длиной волны излучения.
Целью рентгенофазового анализа является идентификация вещества в смеси по набору его межплоскостных расстояний (d) и относительным интенсивностям (I) соответствующих линий на рентгенограмме. Для этого, согласно закону Брегга — Вульфа, необходимо определение углов отражения θ.
Обучение рентгенофазовому анализу обычно начинается с промера рентгенограмм кубических веществ, на рентгенограммах которых легко различаются а- и р-линии, это позволяет приобрести навык в оценке интенсивностей. Ошибки в оценке интенсивностей существенны только тогда, когда они являются очень грубыми (например, когда а- и р-линии от одного и того же d оцениваются, соответственно, как очень яркая и яркая и т. д.). Следует также подчеркнуть, что при сравнении полученных данных с табличными надо учитывать ряд факторов, влияющих на интенсивность при разных способах съемки (подробнее этот вопрос рассмотрен ниже). Значительно проще определение интенсивностей линий по дифрактограммам. Интегральная интенсивность линии пропорциональна ее площади. Ширина линий до θ = 30—35° остается практически постоянной, поэтому интегральная интенсивность будет пропорциональна максимальной интенсивности. Для определения максимальной интенсивности достаточно измерить высоту линии над фоном. Конечно, в случае количественного фазового анализа необходимо пользоваться значениями Iинт.
45. Сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия.
Электронная микроскопия, совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей (электрических, магнитных и др.) с помощью электронных микроскопов (ЭМ) — приборов, в которых для получения увеличенных изображений используют электронный пучок. Электронная микроскопия включает также методики подготовки изучаемых объектов, обработки и анализа результирующей информации. Различают два главных направления электронной микроскопии: трансмиссионную (просвечивающую) и растровую (сканирующую), основанных на использовании соответствующих типов ЭМ. Они дают качественно различную информацию об объекте исследования и часто применяются совместно. Известны также отражательная, эмиссионная, оже-электронная, лоренцова и иные виды электронной микроскопии, реализуемые, как правило, с помощью приставок к трансмиссионным и растровым ЭМ.
Трансмиссионная микроскопия реализуется с помощью трансмиссионных (просвечивающих) электронных микроскопов (ТЭМ; рис. 1), в которых тонкопленочный объект просвечивается пучком ускоренных электронов с энергией 50-200 кэВ. Электроны, отклоненные атомами объекта на малые углы и прошедшие сквозь него с небольшими энергетическими потерями, попадают в систему магнитных линз, которые формируют на люминесцентном экране (и на фотопленке) светлопольное изображение внутренней структуры. При этом удается достичь разрешения порядка 0,1 нм, что соответствует увеличениям до 1,5х106 раз. Рассеянные электроны задерживаются диафрагмами, от диаметра которых в значит, степени зависит контраст изображения. При изучении сильнорассеивающих объектов более информативны темнопольные изображения.
Разрешение и информативность ТЭМ-изображений во многом определяются характеристиками объекта и способом его подготовки. При исследовании тонких пленок и срезов полимерных материалов и биологических тканей контраст возрастает пропорционально их толщине, но одновременно снижается разрешение. Поэтому применяют очень тонкие (не более 0,01 мкм) пленки и срезы, повышая их контраст обработкой соединениями тяжелых металлов (Os, U, Pb и др.), которые избирательно взаимодействуют с компонентами микроструктуры (химическое контрастирование). Ультратонкие срезы полимерных материалов (10-100 нм) получают с помощью ультрамикротомов, а пористые и волокнистые материалы предварительно пропитывают и заливают в эпоксидные компаунды. Металлы исследуют в виде получаемой химическим или ионным травлением ультратонкой фольги. Для изучения формы и размеров микрочастиц (микрокристаллы, аэрозоли, вирусы, макромолекулы) их наносят в виде суспензий либо аэрозолей на пленки-подложки из формвара (поливинилформаль) или аморфного С, проницаемые для электронного луча, и контрастируют методом оттенения или негативного контрастирования.
Растровая (сканирующая) микроскопия. В растровых электронных микроскопах (РЭМ; рис. 2) электронный луч, сжатый магнитными линзами в тонкий (1-10 нм) зонд, сканирует поверхность образца, формируя на ней растр из нескольких тысяч параллельных линий. Возникающее при электронной бомбардировке поверхности вторичные излучения (вторичная эмиссия электронов, оже-электронная эмиссия и др.) регистрируются различными детекторами и преобразуются в видеосигналы, модулирующие электронный луч в ЭЛТ. Развертки лучей в колонне РЭМ и в ЭЛТ синхронны, поэтому на экране ЭЛТ появляется изображение, представляющее собой картину распределения интенсивности одного из вторичных излучений по сканируемой площади объекта. Увеличение РЭМ определяется как М = L/l, где L и l — длины линий сканирования на экране ЭЛТ и на поверхности образца.

46. Теплофизические свойства материалов. Калориметрия.
Теплоемкость – свойство материала поглощать тепло при нагревании.
Теплоемкость оценивают коэффициентом теплоемкости (удельной теплоемкостью), т.е. количеством тепла, необходимым для нагревания 1 кг материала на 1оС и измеряется в кДж/кг. оС.
Термическая стойкость – свойство материала выдерживать резкие и многократные изменения температуры, не растрескиваясь и не деформируясь (циклы).
Это свойство зависит от однородности материала и от коэффициента теплового расширения составляющих его веществ. Коэффициент теплового расширения зависит от коэффициента линейного расширения и коэффициента объемного теплового расширения.
КАЛОРИМЕТРИЯ, измерение теплоты; более точно – измерение тепловых эффектов (количеств теплоты), сопровождающих физические, химические или биологические процессы. Калориметрия используется для определения удельной теплоемкости (количества тепла, необходимого для повышения температуры единицы массы или объема вещества на один градус), теплоты плавления или испарения (количества тепла, необходимого для плавления или испарения единицы массы или объема вещества) и теплоты реакций (количества тепла, выделяемого или поглощаемого в химических реакциях). Прибор, используемый для таких измерений, называется калориметром.
Применение. Калориметрия имеет множество практических и теоретических приложений. Например, измерения теплоты сгорания (количества тепла, выделяемого при сгорании единицы массы или объема вещества) весьма важны при выборе топлива. При проектировании реактивных и ракетных двигателей теплота сгорания топлива является наиболее важным параметром для определения получаемой тяги. Многие технологические процессы происходят при очень высоких или очень низких температурах. Количество тепла, которое надо затратить на подогрев или охлаждение используемых в этих процессах материалов, определяет экономическую целесообразность их применения; выбор материалов при конструировании оборудования производится с учетом их теплоемкости.

мм изготовленное из инструментальной углеродистой стали закалить в воде