Механические свойства, определяемые при динамических и циклических испытаниях

Скорость деформирования в динамических режимах значительно выше, чем в статике. Способность материалов сопротивляться хрупкому разрушению выявляется при испытаниях на ударный изгиб, которые выполняются на маятниковых копрах (рис.1.16).

По образцу прямоугольного сечения, имеющему царапину, U или V-образный надрез в перпендикулярном его длине направлении, наносится удар маятником. Отношение работы, затраченной на разрушение образца к площади его сечения, называется ударной вязкостью КС (Дж/м ). Порог хладоломкости или температурный запас вязкости определяют при испытаниях на ударный изгиб надрезанных образцов при различных температурах. Затем строят зависимости КСU (КСV, КСТ) и определяют температуру перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

 

Рис.1.16. Испытания на ударную вязкость (а), форма образца (б)

Длительное воздействие на материал повторно-переменных напряжений может вызвать образование трещин и разрушение при . Постепенное накопление повреждений под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство материала сопротивляться усталости – выносливостью. Усталостный излом состоит из очага разрушения (места зарождения разрушения); зоны стабильного развития трещины и зоны долома (участок окончательного разрушения). Зона долома имеет структуру хрупкого или вязкого (в зависимости от природы материала) разрушения. Испытания на усталость проводят для определения предела выносливости, под которым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходят усталостные разрушения образца после заданного числа циклов нагружения. Предел выносливости определяют на вращающемся образце с приложением знакопеременной изгибающей нагрузки. По результатам испытаний строят кривые усталости в координатах = f(N), где N - число циклов (см. рис.1.17). Горизонтальный участок на кривой усталости, т.е. не вызывающее разрушение при бесконечно большом числе циклов нагружения соответствует пределу выносливости.

Рис.1.17. Кривые усталости для материалов различной вязкости

Электрические и магнитные свойства материалов

Классификация материалов по электрическим свойствам на основе зонной теории на проводники, полупроводники и диэлектрики. Электропроводность металлов и собственных полупроводников, влияние подвижности носителей заряда. Удельная электропроводность и электросопротивление; температурный коэффициент сопротивления, удельное поверхностное и контактное сопротивление. Поведение материалов во внешних электрических полях. Поляризация в диэлектриках. Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость, поляризация в сегнетоэлектриках. Диэлектрические потери (обусловленные сквозным током и током абсорбции): величина потерь, связь с tg d. Виды и механизмы пробоя в диэлектриках (теплового, электрического, поверхностного, ионизационного, электрохимического). Основные магнитные свойства материалов: намагниченность (момент в единице объёма), магнитная восприимчивость. Классификация материалов по магнитным свойствам на диа‑, пара‑, ферро‑, антиферро- и ферримагнетики. Величина магнитной индукции для магнитных и немагнитных материалов. Магнитные потери и механизм намагничивания ферромагнитных материалов по мере роста величины напряженности внешнего магнитного поля.

Электропроводность– свойство материалов проводить электрический ток обусловленное наличием в них подвижных зарядов – носителей тока. Природу электропроводности твердых тел объединяет зонная теория – квантовая теория энергетического спектра элементов в твердых телах, согласно которой этот спектр состоит из чередующихся зон разрешенных и запрещенных энергий.

В нормальном состоянии элементы могут иметь только определённые значения энергии, т.е. занимать разрешённые энергетические уровни. Эти уровни образуют в твердом теле валентную зону, которую при температуре абсолютного нуля целиком заполнена элементами. Пустые или частично заполненные более высокие уровни образуют зону проводимости. Валентные электроны, возбуждаясь, т.е. приобретая добавочную энергию (нагревание, излучение, электрическое поле и др.), могут переходить в зону проводимости. Если V-зона и С-зона перекрывается, то даже при незначительном возбуждении электроны могут перемещаться от атома к атому. Металлы такого типа – проводники обладают высокой электропроводностью. Запрещенная зона – это область энергий, которые электроны иметь не могут. По ширине запрещенной зоны проводится градация между полупроводниками и диэлектриками. В полупроводниках невелика ( 3, 5эВ) и для перехода электронов из V- в C-зону достаточно небольшого возбуждения. Поэтому электрофизические свойства полупроводников очень чувствительны к внешним воздействиям и содержанию примесей. У диэлектриков ( 3, 5 эВ) и для перевода электронов из V- в C-зону слабого теплового возбуждения мало. Электропроводность диэлектриков очень мала в силу незначительного числа носителей заряда в С-зоне. Основной вклад в электропроводность дают обычно ионы, образованные в результате разрыва химических связей.

Электрическое сопротивление постоянному току, приводящие к переходу электрической энергии в теплоту, называют активным или омическим. Для кристаллических материалов оно связано с рассеянием электронов проводимости и может быть записано:

где ρ _ф – рассеяние на тепловых колебаниях кристаллической решетки (фононах), ρ _пр, ρ _д и ρ _гр - примесных атомах, дефектах структуры и границах зерен, соответственно. Видно, что электрическое сопротивление зависит от температуры и только при Т К, когда тепловые колебания атомов отсутствуют, оно полностью определяется составом и кристаллической структурой материала.

Сверхпроводимость - свойство некоторых материалов (сверхпроводников) скачком переходить в состояние с при охлаждении до температур ниже характерной для них критической температуры (рассказать о нормальных сверхпроводниках и ВТСП-материалах).

Электрическое сопротивление переменному току называется полным – в его цепи любой проводник, помимо активного (R ), обладает емкостным R и индуктивным R сопротивлениями, которые обусловлены передачей энергии электрическому и магнитному полям.

С увеличением частоты полное R возрастает, поскольку растут R и R и ток вытесняется к поверхности проводника (скин-эффект).

Основными электрическими свойствами материалов являются - удельное электрическое сопротивление: , где S - площадь поперечного сечения образца, L и R - его длина и сопротивление удельная электропроводность: .Для проводников -10 (Ом/м) , для полупроводников (Ом/м)^-1, для диэлектриков (Ом/м)^-1.

Для металлов: , где и - удельное сопротивление при температурах Т и 0 К, соответственно: - температурный коэффициент электрического сопротивления ( изменение при изменении температуры на ).

Ток в диэлектриках называют током утечки и различают - протекающий через объём материала и - протекающий по поверхности образца. Соответственно диэлектрики характеризуют объёмным (Ом*м) и поверхностным (Ом) удельным электрическим сопротивлением.

Поляризация диэлектриков - смещение связанных электрических зарядов под действием внешнего электрического поля. При этом в материале создаётся собственное внутреннее электрическое поле, направленное против внешнего поля. Механизмы поляризации обусловлены природой химических связей в диэлектриках, но при любом из них в материале образуется электрические диполи, которые характеризуются дипольным моментом: , где q-точечный заряд диполя, l-расстояние между зарядами (плечо диполя). Поляризацию диэлектриков количественно характеризуют дипольным моментом единого объёма материала или вектором поляризации: , где - дипольные моменты частиц, N - их число в единице объёма. Для изотропных диэлектриков совпадает по направлению и пропорционален напряженности внешнего электрического поля.

ǽ = ,

где ǽ - диэлектрическая восприимчивость (характеризует поляризуемость материала); - электрическая постоянная, - диэлектрическая проницаемость, равная отношению в вакууме к Е в однородном бесконечном диэлектрике при одинаковом Е внешнем. В анизотропных кристаллах диэлектриков направление определяется не только , но и осями симметрии кристалла.

Особый класс диэлектриков составляют сегнетоэлектрики, обладающие в определенном интервале температур произвольной (спонтанной) поляризацией, сильно зависящей от внешних воздействий (активные диэлектрики).

Диэлектрические потери – часть энергии переменного электрического поля, необратимо переходящая в теплоту. Количественно их характеризуют величиной tg угла диэлектрических потерь tg , где - разность фаз между векторами поляризации материала и напряженности внешнего поля. Диэлектрические потери, приходящиеся на единицу объёма диэлектрика (Вт/м ):

,

где К - коэффициент; f- частота внешнего электрического поля, Гц. Произведение - коэффициент диэлектрических потерь.

Пробой диэлектрика – резкое возрастание его электропроводности в электрических полях с напряженностью, превышающей некоторое критическое значение. Пробой м.б. разной природы, но всегда приводит к необратимой потере диэлектриками изоляционных свойств в результате шнурования тока по каналу пробоя. Напряженность однородного электрического поля, при которой наступает пробой, называют электрической прочностью или напряженностью пробоя Е диэлектрика.

Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у атомов молекул магнитного момента. Для единичного атома он равен: = , где - орбитальные моменты электронов; - спинные моменты электронов и ядра.

Характеристикой намагничивания материалов является намагниченность, равная сумме магнитных моментов атомов единице объёма: (для однородного намагниченного материала). Магнитная восприимчивость дает связь намагниченности с напряженностью внешнего магнитного поля: χ = J/H.

В зависимости от знака и величины χ материалы делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферро-(ферри-)магнетики.

Диамагнетизм – свойство материалов намагничиваться во внешнем магнитном поле в направлении противоположном полю. Диамагнетизм присущ всем веществам, но проявляется только когда все спинные и орбитальные моменты в атоме скомпенсированы или диамагнитный эффект преобладает над нескомпенсированным М . Диамагнетики имеют отрицательную магнитную восприимчивость (χ = ). Без поля они немагнитные и выталкиваются из внешнего магнитного поля.

Парамагнетики обладают положительной магнитной восприимчивостью (χ = ) поскольку элементарные магнитные моменты в атоме нескомпенсированы ( ). Они слабо намагничиваются по направлению внешнего поля, а в отсутствии поля – немагнитные. В парамагнетиках постоянные магнитные моменты атомов разориентированы в пространстве из-за теплового движения. Под действием внешнего магнитного поля получают преимущественную ориентацию, т.е. .

Ферро-(ферри)магнетики характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (χ 1) и её нелинейной зависимостью от напряженности поля и температуры. Ферромагнетизм - магнитоупорядоченное состояние макроскопических объёмов материала (доменов), в котором магнитные моменты атомов (ионов) ориентированы в одном направлении. Домены – обладают магнитным моментом (самопроизвольной намагниченностью) в отсутствии внешнего магнитного поля.

Антиферромагнетики – материалы, в которых магнитные моменты соседних атомов ориентированы на встречу друг другу (антипараллельно), и поэтому в отсутствии внешнего магнитного поля их намагниченность равна 0. Ферримагнетики – антиферромагнетики с не скомпенсированными магнитными моментами, поэтому они имеют результирующий магнитный момент, доменную структуру и ведут себя во внешнем магнитном поле подобно ферромагнетикам. Ферро - и ферримагнетики называют сильномагнитными материалами в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков. Схематичное изображение магнитной упорядоченности в указанных магнитных материалах приведено на рис.1.23.

Магнитная восприимчивость χ сильно зависит от температуры: у парамагнетиков – уменьшается с ростом Т; у ферромагнетиков – увеличивается, достигая максимума в точке Кюри θ, т.е. при температуре фазового перехода 2 рода. При температуре Кюри исчезает самопроизвольная намагниченность ферро - и ферримагнетиков и они переходят в парамагнитное состояние.

Рис.1.23. Ориентация магнитных моментов в слабо- и сильномагнитных материалах

Основной характеристикой магнитного поля в веществе является магнитная индукция . Она связана с напряженностью магнитного поля и намагниченностью следующим соотношением: , где Гн/м- магнитная постоянная. С учетом выражения для изотропных материалов: , где χ – магнитная проницаемость, характеризующая интенсивность роста магнитной индукции при увеличении напряженности намагничивающего поля.

При намагничивании сильномагнитных материалов в переменных магнитных полях наблюдается гистерезис – отставание (запаздывание) от . Изменение индукции с ростом напряженности внешнего магнитного поля (1-ое намагничивание) описывается кривой 1 на рис.1.24.

Рис.1.24. Петля гистерезиса ферро-(ферри-)магнетиков

Домены разворачиваются по направлению Н и в сильном магнитном поле материал намагничивается до насыщения (точка А), что соответствует однодоменной структуре с индукцией . При уменьшении индукция В будет уменьшаться с запаздыванием по кривой 2 за счет возникновения и роста доменов с магнитным моментом, ориентируемым против внешнего поля. При Н = 0 в образце сохранится остаточная намагниченность, которой соответствует остаточная индукция . Поле, необходимое для размагничивания образца от до 0, коэрцитивной силой - Н . При дальнейшем увеличении напряженности размагничивающего поля образец перемагничивается, т.е. намагничивается до отрицательной индукции насыщения - (точка D). Перемагничиванию образца соответствует кривая 3 (точки - ). Рассмотренная петля гистерезиса называется предельной, если амплитуда Н не обеспечивает достижения насыщения и - , то это непредельная петля гистерезиса. Уменьшая амплитуду Н до 0 и повторяя цикл перемагничивания, можно полностью размагнитить образец, т.е. перейти в точку 0.

Среди других параметров характеризующих функциональные свойства магнитных материалов следует отметить: и ; ; магнитные потери, , , и другие.

 

 

Вопросы к промежуточному экзану

 

1. Основные этапы развития полупроводниковой электроники

2. Дать определение интегральной схемы

3. Дать определение твердотельной интегральной схемы, совмещенной ИС, гибридной схемы, толстопленочной ИС.

4. Разновидность элементарных полупроводниковых материалов и обосновать по каким параметрам их можно применять в тех или иных дискретных полупроводниковых приборах и интегральных схемах.

5. Индексы Миллера

6. Кристаллы и кристаллическая решетка материалов

7. Дефекты кристаллической решетки. Точечные и линейные дефекты

8. Дефекты кристаллической решетки. Пространственные и объемные дефекты.

9. Что такое сплав? Что такое фаза вещества?

10. Основные виды сплавов. Укажите сходные черты и различия между ними.

11. Раскройте понятие «Механическая смесь»

12. Что такое «химическое соединение»? Основные виды химических соединений.

13. Что такое «Твердый раствор»? Основные виды твердых растворов.

14. Диаграмма состояния и правило фаз Гиббса

15. Однофазовая диаграмма состояния

16. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии

17. Правило отрезков (рычага)

18. Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов

19. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (с эвтектикой)

20. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (с перитектикой)

21. Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения

22. Диаграмма состояния для сплавов, испытывающих полиморфные превращения

23. Тройная диаграмма состояния. Определить точку A50%B40%C10%

24. Механические свойства материалов.

25. Диаграмма растяжения. Предел пропорциональности, условный предел упругости, условный предел текучести, физический предел текучести, предел прочности

26. Характеристики, определяющие жесткость, упругость материалов при растяжении и сжатии.

27. Твердость материалов. Методы определения твердости и их особенности

28. Виды механических испытаний материалов.

29. Динамические испытания материалов. Ударная вязкость.

30. Статические испытания материалов. Испытания на растяжение. Основные характеристики

31. Электрические свойства материалов

32. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации, диэлектрическая восприимчивость и проницаемость

33. Пробой диэлектрика. Виды пробоя.

34. Магнитные свойства материалов и основные характеристики

35. Виды магнетизма.

36. Что такое гистерезис и как осуществляется намагничивание вещества.

37. Нарисовать петлю гистерезиса и пояснить понятия «остаточная индукция», «индукция насыщения» и «коэрцитивная сила».

 

⇐ Предыдущая123456

Поделиться: