Вопросы для самоконтроля

1. Как можно классифицировать свойства материалов?

2. Назвать механические прочностные свойства материалов и как определяют их показатели при испытаниях?

3. Для чего необходимо знать количественные показатели свойств материалов?

4. Пластичность и ее количественные характеристики.

5. Что такое твердость материалов? Как она определяется и обозначается при разных методах определения?

6. Почему некоторые материалы необходимо испытывать при динамических нагрузках? Какие знаете показатели?

7. Что такое выносливость материалов? Как она оценивается?

8. Что такое теплопроводность материала и от чего она зависит, как оценивается?

9. Что такое тепловое расширение, термоудар, их количественная оценка, учет при выборе материала?

10. Как можно изменить прочностные свойства материалов и сплавов?

11. Как можно изменить другие свойства материалов, кроме прочностных?

Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка

Методические указания. Задачей данной темы является ознакомление с методами обработки материалов, позволяющими изменить их структуру и фазовый состав, а, следовательно, и свойства. Уяснить, что термическая обработка (ТО) изменяет свойства во всем объеме материала, а химико-термическая обработка (ХТО) –только в поверхностных слоях.

Представлять диффузию как физическое явление, ее связь со структурой и ее дефектами, роль в технологии. Понять назначение ТО, ХТО, сущность процессов этих методов обработки. Назначение видов операций ТО, ХТО, как влияют режимы ТО на свойства материалов. Обратить внимание на влияние скорости охлаждения на получение закалочных структур. Рассмотреть взаимосвязь способов упрочнения материалов с изменением их свойств.

Ключевые моменты темы: необходимо понять механизм диффузии, что такое термообработка, зачем нужна, виды ТО, различие свойств материала после ТО или ХТО, закалочные структуры, как можно упрочнить или изменить свойства материалов другими, кроме ТО и ХТО, способами.

Теоретические материалы

6.1. Диффузия

Диффузия – взаимное проникновение атомов соприкасающихся веществ (компонентов), обусловленное тепловым движением частиц. Атомы перемещаются на расстояния, большие параметров кристаллической решётки. Диффузия связана с переносом вещества, что может привести к изменению химического состава. Наиболее вероятным механизмом диффузии (т.е. путем перемещения атомов во время диффузии) в твердых растворах являются вакансионный (диффундирующий атом занимает вакансию). Наиболее легко диффузия протекает также по дефектам кристаллического строения и границам зерен. В твердом теле происходят также колебания атомов около положения равновесия с частотой порядка 10¹³Гц, поэтому возможен и перескок их из одной плоскости в другую.

Мерой диффузионной способности служит коэффициент диффузии D, который определяется на основе первого закона Фика:

, (1)

где: m – количество вещества, диффундирующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени (т.е. скорость диффузии);

– градиент концентрации химического элемента в направлении, нормальном к поверхности раздела; – концентрация; – расстояние в выбранном направлении.

Из выражения (1) можно получить формулу для определения коэффициента диффузии D:

D= – ,

где определяет число атомов n, прошедших за время через сечение S перпендикулярно направлению диффузии. Размерность коэффициента диффузии D –м²/с.

Знак минус в формуле (1) показывает, что диффузия протекает в направлении от объемов с большой концентрацией атомов к объемам с меньшей концентрацией. Отметим, что коэффициент диффузии D зависит от природы сплава, размера зерен, и особенно сильно от температуры. С увеличением температуры коэффициент диффузии D возрастает по экспоненциальному закону.

Диффузионные процессы имеют место не только при ТО и ХТО (диффундируют атомы азота, углерода, алюминия), но и в полупроводниках (диффузия носителей, вредных быстро диффундирующих примесей меди, натрия, водорода, железа), в технологии микроэлектроники (управляемое небыстрое введение легирующих примесей в полупроводники на малую глубину), адгезии пленок к поверхности и в других случаях. Диффундировать могут примеси, а также атомы двух контактирующих металлов.

Вредное влияние диффузии в микроэлектронике проявляется в деградации контактов из золота и алюминия с образованием новых фаз AuAl₂ .Диффузия алюминия в кремний нарушает p-n переход, увеличивает удельное сопротивле-ние ρ.