Основы материаловедения (стр. 1 из 3)

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ижевская государственная сельскохозяйственная академия

Факультет непрерывного профессионального образования

Контрольная работа по технологии конструкционных материалов

Проверил: старший преподаватель

Т.Е. Племякова

Выполнил: студент 2 курса

Д.С. Тереханов (специальность

"Электрификация и автоматизация

сельского хозяйства", гр. 41,

шифр 0704075)

Ижевск 2009

Содержание

1. Опишите режим ступенчатой и изотермической закалки. Какие превращения происходят при этих видах термической обработки?Область применения

2. Что собой представляет собственная и примесная электропроводимость полупроводников? Какова структура и основные свойства германия?

3. Из каких основных элементов состоит литейная форма? Опишите способ производства и установка стержней в форме. Нарисуйте в разрезе собранную литейную форму, включая стержень и литниковую систему

4. Опишите кратко пути увеличения производительности работ при токарной обработке (точении)

Список литературы

В зависимости от скорости охлаждения различают закалку ступенчатую и изотермическую.

Ступенчатая закалка. При ступенчатой закалке деталь, нагретую до температуры закалки, переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50- 100 ºС выше мартенситной точки Мн закаливаемой стали, и выдерживают небольшое время, необходимое для выравнивания температуры по сечению, а затем окончательно охлаждают на спокойном воздухе (см. рис.1).

Получение мартенсита при таком способе охлаждения возможно только в легированных сталях с достаточно высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в интервале температур перлитного превращения.

К ступенчатой закалке прибегают обычно при термической обработке инструментов небольшого сечения из низко- и среднелегированных сталей. Достоинство указанного способа охлаждения состоит также в возможности правки инструментов в специальных приспособлениях при охлаждении после изотермической выдержки.

Изотермическая закалка. В некоторых случаях после закалки на мартенсит и последующего отпуска не удается получить достаточно прочности и вязкости, тогда применяют изотермическую закалку на нижний бейнит, обладающий высокой вязкостью и прочностью.

При изотермической закалке нагретую деталь переносят в ванну с расплавленными солями, имеющую температуру на 50- 100 °С выше мартенситной точки Мн и выдерживают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и затем охлаждают на воздухе (см. рис.1).

Изотермическая закалка, так же как и ступенчатая, применима только к сталям с достаточной устойчивостью переохлажденного аустенита.

Для предотвращения коробления изделий, таких, как ножовки, пилы, бритвы, их охлаждают заневоленными, например, в массивных медных или стальных плитах; скорость охлаждения в этих условиях оказывается меньшей, чем в маслах.

Рис.1

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводником и диэлектриком и отличаются от проводника сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких эВ (электрон-вольта), то есть, соизмерима с kT. Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а InAs — к узкозонным.

В зависимости от того, отдаёт ли атом примеси электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства изоляторов.

По характеру полупроводники делят на собственную и примесную проводимость.

Собственная проводимость.

Полупроводники, в которых свободные электроны и "дырки" появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации "дырок". Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешел электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение позитивно заряженного атома без перемещения самого атома. Этот процесс назвали "дыркой".

Примесная проводимость.

Электрическая проводимость, обусловленная присутствием примесей в полупроводнике, называется прмесной.

Примесной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная электронами, которые перешли в зону проводимости с донорных уровней Ed, расположенных вблизи Ec, и дырками, которые образовались в валентной зоне при переходе электронов на акцепторные уровни Ea, расположенные вблизи Ev (рис. 1а, 1б).

Примесный полупроводник n-типа.

Т<Ed/K

Рис. 1а

Примесный полупроводник p-типа.

Т<Ea/K

Рис. 1б

Обычно донорные и акцепторные уровни в запрещенной зоне полупроводника образуются при легировании, т.е. введением определенной примеси в собственный полупроводник. Таким образом можно сказать, что примесная проводимость обусловлена ионизацией атомов примеси в полупроводнике.

В полупроводниках IV группы таблицы Менделеева (Ge, Si) донорные уровни вблизи Ec образуют элементы V группы (Sb, As), а акцепторные уровни вблизи Ev - элементы III группы (In, Ga).Величина примесной проводимости:

sпр = e(mnn + mpp),

где n - концентрация электронов с доноров в зоне проводимости;

p - концентрация дырок с акцепторов в валентной зоне;

mn; mp - подвижности электронов и дырок, соответственно.

Если примесная проводимость обусловлена в основном электронами с донорных уровней (mnn >> mpp), т.е. электроны являются основными носителями заряда, то говорят об электронной проводимости полупроводников, или полупроводниках n-типа; если же преобладает проводимость, обусловленная дырками, образовавшимися вследствие ухода электронов на акцепторные уровни (mpp >> mnn), то говорят о дырочной проводимости, или полупроводниках p-типа, где основными носителями заряда являются дырки. Если в полупроводниках n-типа (p-типа) глубина примесного уровня Ed (или Ea) в данной области температура Т меньше, чем kT (k - постоянная Больцмана), то практически все доноры полностью ионизированы (или акцепторы заполнены электронами) (см. рис. 2а, 2б).

Примесный полупроводник n-типа.

Т>Ed/K

рис. 2а

Примесный полупроводник p-типа.

рис. 2б

Если в этой области температура и собственная проводимость мала, т.е. Nd или Na >> ni = pi (Nd - концентрация доноров, Na - концентрация акцепторов ni, pi - концентрации собственных носителей), то концентрация основных носителей заряда равна примерно концентрации донорной (или акцепторной) примесей:

n@Nd (в полупроводнике n-типа);

n@Na (в полупроводнике p-типа);

В общем случае, т.е. при неполной ионизации примесей и наличии собственной проводимости, концентрации носителей заряда определяются формулами:

n = 2(2pmn*kT / h2)3/2exp(Ef /kT);

p = 2(2pmp*kT / h2)3/2exp(-Ef DE /kT),

где mn*, mр* - эффективные массы электронов и дырок в полупроводнике;

Ef - глубина уровня Ферми, зависящая от параметров примесных уровней.

Германий.

Германий — химический элемент с атомным номером 32 в периодической системе, обозначается символом Ge (нем. Germanium).

Рис.3 Кристалл германия - светло-серый

полупроводник с металлическим блеском.

Рис.4 Кристаллическая структура германия.

Физические свойства.

Кристаллическая решетка германия кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр, а = 5,660 Å .

Механические свойства.

Модуль упругости E, ГПа — 82

Скорость звука (t=20÷25°C) в различных направлениях ·1000 м/с.

L100 : 4,92

S100 : 3,55

L110 : 5,41

S110 : 2,75

L111 : 5,56

S111 : 3,04

Электронные свойства.

Германий является типичным непрямозонным полупроводником.

Статическая диэлектрическая проницаемость ε = 16,0

Ширина запрещённой зоны (300 К) Eg = 0,67 эВ

Собственная концентрация ni=2,33×1013 см−3 [3]

Эффективная масса:

электронов, продольная: mII=1,58m0, mII=1,64m0 [5]

электронов, поперечная: m┴=0,0815m0 , m┴=0,082m0[5]

дырок, тяжелых: mhh=0,379m0

дырок, легких: mhl=0,042m0

Электронное сродство: χ = 4,0 эВ [5]

Легированный галлием германий в тонкой плёнке можно привести в сверхпроводящее состояние.

Изотопы.

В природе встречается пять изотопов: 70Ge (20,55 % масс.), 72Ge (27,37 %), 73Ge (7,67), 74Ge (36,74 %), 76Ge (7,67 %). Первые четыре стабильны, пятый (76Ge) испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 1,58×1021 лет. Кроме этого существует два "долгоживущих" искусственных: 68Ge (время полураспада 270,8 дня) и 71Ge (время полураспада 11,26 дня).