WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» Ю.А. Брусенцов, В.А. Пручкин, И.С. Филатов МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве лабораторного практикума Издание второе, стереотипное Тамбов Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 2011 1 УДК 621.396.6 ББК 813я73-5 Б892 Р е ц е н з е н т ы :

Доктор физико-математических наук, профессор ТГУ им. Г.Р. Державина В.А. Федоров Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики ФГБОУ ВПО «ТГТУ» А.М. Савельев Брусенцов, Ю.А.

Б892 Материалы электронной техники : лабораторный практикум / Ю.А. Брусенцов, В.А. Пручкин, И.С. Филатов. – 2-е изд., стереотип. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. – 44 с. – 100 экз.

Содержит указания к выполнению лабораторных и практических работ по изучению структуры, механических, электрических и магнитных свойств металлов и сплавов. Позволит разобраться студентам в методах прогнозирования свойств металлических и неметаллических материалов с помощью равновесных диаграмм состояния, а также по изменению их структуры с помощью различных видов термообработки.

Лабораторный практикум предназначен для студентов 1 – 3 курсов специальностей 210201, 210303, 210200, 140106, 140211 дневной и заочной форм обучения.

УДК 621.396.6 ББК 813я73-5 © Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»), 2011 2 ВВЕДЕНИЕ Интенсивное развитие электроники связано с появлением новых разнообразных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, которые находят широкое применение в вычислительной технике, космонавтике, автоматике, радиотехнике, телевидении, в установках измерительной техники, медицине, биологии и др. В настоящее время число наименований материалов, применяемых в электронной технике для различных целей, составляет несколько тысяч.

При использовании материалов необходимо знание комплекса их свойств, позволяющих использовать их при различных условиях эксплуатации. Нередко перед конструкторами и технологами возникают и бо- лее сложные задачи по созданию материалов с заранее заданными свойствами.

В электронной промышленности для изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем широко используются как традиционные полупроводники, металлы и сплавы, так и новые материалы, специально разработанные для полупроводниковой технологии.

Основной задачей настоящего лабораторного практикума является освоение методик измерения основных характеристик материалов электронной техники и умение определять их свойства и область приме- нения.

Лабораторная работа МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Цель работы: ознакомиться с методами микроанализа структуры металлов и сплавов. Изучить структуру чистых металлов и различных типов твердых сплавов.

Приборы и принадлежности: оптические микроскопы, металлографические шлифы.

Методические указания Из 106 элементов периодической системы Д.И. Менделеева 82 – металла. Поэтому изучение их структуры и свойств так важно для практических целей в электронной технике.

Металлы обычно являются кристаллическими телами или кристаллами. Кристаллом называют бесконечное упорядоченное расположение атомов в пространстве. Все кристаллические материалы обладают анизотропией – зависимостью свойств материала от направления в нем. Это объясняется тем, что в каждом направлении в кристалле расстояние между атомами или молекулами строго определенное, а значит и силы взаимодействия между ними в каждом случае различные.

Реальные кристаллы содержат большое количество нарушений в упорядоченном расположении атомов. Поэтому чаще встречаются не моно-, а поликристаллы (рис. 1, а), которые состоят из большого количества зерен, в которых одна и та же кристаллическая решетка (показана штриховкой) ориентирована в пространстве по-разному.

Для проведения микроанализа образец разрезают (плоскость разреза А-А) и на одной из его половин шлифовкой и полировкой приготавливают шлиф (рис. 1, б). Его поверхность гладкая и чаще всего не показывает 1 С В Е Т А А а) б) в) Рис. 1. Микроанализ поликристаллического материала:

а – схема поликристалла (1 – зерна или кристаллиты, 2 – границы зерен);

б – полированный шлиф; в – отражение света от травленого шлифа структуры металла. Для выявления структуры шлиф подвергают действию специального реактива – травителя, состав которого зависит от изучаемого материала и цели металлографического исследования. Обычно травители – растворы кислот, щелочей или солей. В процессе травления скорость и характер растворения разных зерен шлифа будет разной из-за анизотропии, так как они выходят на поверхность шлифа разными направлениями.

Границы зерен – это дефект кристалла, где атомы более активны и легче растворяются. Поэтому на границах зерен в поликристалле шлиф будет растравливаться сильнее (рис. 1, в).

При освещении травленой поверхности лучи света будут по-разному отражаться от ее рельефа. Поэтому при наблюдении шлифа в отраженных лучах мы увидим светлые и темные зерна, отделенные друг от друга темными полосками границ (рис. 2).



Чаще всего размер зерен в современ- ных металлах и сплавах не превышает 10…100 мкм (0,01…0,10 мм). Это гораздо меньше разрешающей способности человеческого глаза (0,3 мм). Поэтому металлографический анализ обычно проводят с помоРис. 2. Структура щью оптического микроскопа, схема которополикристалла го представлена на рис. 3.

однофазного сплава Свет от лампы 1 попадает в конден- сор 2, формирующий яркий равномерный пучок, который затем отражается от полу- прозрачного зеркала 3, проходит через объектив 4 и фокусируется на объекте 5. Полученное изображение поверхности (в отраженных лучах) увеличивается объективом, проходит через полупрозрачное зеркало и попадает в окуляр 6. Окуляр дополнительно увеличивает изображение и проецирует его в глаз оператора.

Увеличение микроскопа можно определить по формуле Mм = M Mок, где Моб и об Мок – увеличение объектива и окуляра.

Рис. 3. Схема микроскопа Для получения изображения необходина отражение:

мо установить изучаемый шлиф на предмет1 – источник света;

ный стол микроскопа полированной поверх2 – конденсор;

ностью в сторону объектива. Включить мик- 3 – полупрозрачное зеркало;

роскоп тумблером на блоке питания. По- 4 – объектив; 5 – объект;

6 – окуляр смотреть в окуляр микроскопа и, вращая рукоятку грубой настройки резкости микроскопа, приблизить объектив к шлифу до появления изображения. Получить резкое изображение с помощью рукоятки тонкой настройки. При изучении шлифа перемещать образец с помощью винтов предметного стола.

В технике применяют обычно не чистые металлы, а сплавы, в состав которых входят два и более компонентов (элементов). В зависимости от химического состава и условий производства сплавы могут состоять из одной или нескольких фаз.

Фаза – это однородная часть сплава, отделенная от других поверхностью раздела, при переходе через которую кристаллическая решетка, химический состав и свойства резко изменяются.

Фазовый состав сплава показывает:

• какие фазы в него входят;

• химический состав каждой фазы;

• количество каждой фазы.

Структура сплава показывает форму, размеры и взаимное расположение зерен каждой фазы в материале.

Только зная фазовый состав и структуру сплава, можно точно предсказать и объяснить его свойства! Рассмотрим различные структуры, которые может иметь технически чистый металл на стадиях его металлургического передела (рис. 4).

После выплавки и заливки в форму начинается затвердевание металла. При кристаллизации также проявляется анизотропия – зародыши образуются не круглой равноосной формы, а в виде иголочек в направлении, где его скорость роста максимальна. В кристаллах с кубической решет- кой – это обычно направление ребра куба. Спустя некоторое время на образовавшихся иглах появляются «ветки» – отростки в направлении другого ребра куба. Такие кристаллы называют дендритами («dendros» – дерево). Полученная структура литого металла (рис. 4, а) имеет высокую неоднородность химического состава – все вредные примеси собираются между дендритами, резко охрупчивая металл.

а) б) в) г) Рис. 4. Структуры передела металла:

а – литой; б – отожженный; в – деформированный; г – после рекристаллизации Для улучшения качества слитки подвергают выравнивающему (гомогенизирующему) отжигу при температуре, близкой к температуре плавления, t = (0,7…0,8) tпл. Такой нагрев активизирует диффузию атомов, и они располагаются равномерно по всему объему. Одновременно при этом образуется крупное равноосное зерно в структуре отожженного металла в виде правильных многогранников (рис. 4, б).

Для придания металлу необходимой формы (с поперечным сечением в виде круга, квадрата, прямоугольника, двутавра и др.) слиток подвергают пластической деформации. При этом меняется структура металла: при холодной пластической деформации зерна вытягиваются и утоняются, превращаясь в волокна (рис. 4, в).

Для улучшения комплекса механических и технологических свойств металл после пластической деформации подвергают повторному отжигу (рекристаллизационному) при более низкой температуре. При этом формируется мелкозернистая структура отожженного металла (рис. 4, г), которая обеспечивает хорошую обрабатываемость резанием.

Таким образом, в зависимости от состояния металла (стадии его передела) структура меняется, что вызывает изменение его свойств. Очень часто при микроанализе ставится вопрос – описать структуру сплава. При этом необходимо перечислить все структурные составляющие и указать фазы, из которых они состоят (обычно это пишут на рисунке структуры сплава на выносных линиях).

П р и м е р : Задание: описать структуру технически чистого металла A, изображенную на рис. 2. Ответ: структура технически чистого металла состоит из равноосных зерен фазы A.

Порядок выполнения работы 1. Изучить устройство светового металлографического микроскопа.

Научиться пользоваться рукоятками грубой и тонкой настройки резкости и микровинтами перемещения предметного стола.

2. Изучить и зарисовать структуру предложенных металлов и сплавов.





1. Результаты микроанализа № Марка металла Химический Состояние Тип сплава в шлифа или сплава состав металла твердом состоянии 3. Определить их металлургическое состояние, сравнивая с образцами на рис. 4. Занести результаты микроанализа в табл. 1.

4. По результатам микроанализа и химическому составу образцов указать тип сплава в твердом состоянии для каждого шлифа в табл. 1.

В зависимости от того, какие компоненты входят в сплав, насколько они близки по свойствам, насколько сильно они взаимодействуют между собой, различают три основных типа сплавов в твердом состоянии:

• Твердый раствор – это:

а) однофазный сплав, у которого одна кристаллическая решетка;

б) его кристаллическая решетка похожа на один из компонентов сплава;

в) его свойства похожи на один из компонентов сплава;

г) он обозначается греческой буквой (,,, …).

Структура отожженного твердого раствора показана на рис. 2.

В микроскопе трудно отличить чистый металл от твердого раствора.

• Химическое соединение – это:

а) однофазный сплав, у которого одна кристаллическая решетка;

б) его кристаллическая решетка новая и не похожа ни на один из компонентов сплава;

в) его свойства не похожи ни на один из компонентов сплава.

г) химический состав описывается формулой типа AnBm.

Структура химического соединения показана на рис. 2.

В микроскопе трудно отличить чистый металл от химического соединения.

• Физико-механическая смесь – это:

а) многофазный сплав, у которого две или более кристаллических решеток (это – смесь фаз);

б) свойства сплава зависят от количества и свойств каждой фазы, которая находится в смеси.

Структуры механических смесей показаны на рис. 5. Рассмотрим их на примере механической смеси из двух фаз – пластичного твердого раствора и твердого хрупкого химического соединения An Bm. Все представленные сплавы (рис. 5) имеют примерно одинаковый фазовый состав.

Однако за счет различной структуры свойства у них будут сильно отличаться.

Самую низкую твердость будет иметь сплав на рис. 5, а. Структура сплава состоит из зерен твердого раствора и случайно расположенных первичных включений An Bm I. Округлые включения An Bm I не будут сильно мешать пластической деформации зерен -раствора.

эвтектика эвтектика An Bm II An Bm I ( + AnBm) ( + AnBm) а) б) в) г) Рис. 5. Структуры физико-механических смесей Самой хрупкой будет механическая смесь на рис. 5, б. Структура сплава состоит из зерен твердого раствора и расположенной по их границам сетки вторичных выделений An Bm II. При малейшем нагружении этого сплава сразу образуются трещины на зернограничных выделениях An Bm II, и материал разрушится.

Сплав на рис. 5, в будет более прочным, чем первые два (рис. 5, а, б), но довольно хрупким. Структура сплава состоит из зерен пластинчатой эвтектики ( + AnBm). При достаточно высоком нагружении трещины будут образовываться по плоской границе между пластинами фаз, входящих в эвтектику. Такие твердые пластины, как выделения фазы AnBm в этом сплаве принято называть структурными надрезами.

Структура сплава на рис. 5, г состоит из кристаллитов зернистой эвтектики ( + AnBm). Обычно округлые включения твердой фазы делают очень мелкими, тогда такой сплав будет и очень прочным и очень вязким (это наилучшая структура материала для любой конструкции).

Содержание отчета 1. Название и цель работы.

2. Схема светового металлографического микроскопа, его характеристика (увеличение объектива и окуляра).

3. Таблица результатов микроанализа структуры металлов и сплавов.

Контрольные вопросы 1. Принципы микроанализа структуры металлов и сплавов.

2. Что показывает структура металла Описать структуру сплава.

3. Типы сплавов в твердом состоянии.

4. Типы твердых растворов.

5. Химические соединения, устойчивые и неустойчивые.

6. Физико-механические смеси, их структура и свойства.

Л и т е р а т у р а : [1, 2].

Лабораторная работа СВЯЗЬ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СО СВОЙСТВАМИ СПЛАВА Цель работы: изучить влияние типа двойной диаграммы состояния на характер зависимости свойств сплавов от химического состава.

Приборы и принадлежности: мост постоянного тока Р3009, источник постоянного тока ЛИПС, образцы медно-никелевых сплавов и электротехнических сталей разного состава.

Методические указания Диаграмма состояния показывает фазовый состав каждого сплава данной системы при любой температуре. Тип фазовой диаграммы и твердого сплава определяет его свойства в равновесном состоянии. Зная диаграмму состояния можно описать физические и технологические свойства любого сплава и прогнозировать область его применения. На рис. показана зависимость удельного электрического сопротивления сплавов при t = 20 °С от химического состава для различных типов диаграмм состояния.

t t t t а) б) в) г) Рис. 1. Влияние типа диаграмм состояния на характер зависимости удельного электрического сопротивления от химического состава:

а – компоненты нерастворимы в твердом состоянии;

б – неограниченная растворимость в твердом состоянии (пунктир – неметаллы, сплошная линия – металлы);

в – ограниченная растворимость в твердом состоянии;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.