Критерии чистоты материалов, металлов
Постоянные и случайные примеси. Материалы, получаемые промышленным способом, обычно содержат примеси, изменяющие особенно сильно свойства полупроводников, а также металлов и диэлектриков. Так, в «чистом» железе при спектральном анализе было обнаружено 27 химических элементов. Примеси бывают постоянными, являющимися обычно спутниками основных элементов, составляющих материал и попадающих в материалы из сырья, применяемого для его производства.
Например, в стали содержатся следующие постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор, кислород и азот. Кроме того, в материалах могут встречаться случайные или местные примеси. Они попадают в материалы потому, что содержатся в местном сырье, или вследствие особенностей данного технологического процесса. Так, в железной руде, добытой на Урале, содержится медь, которая всегда имеется в выплавляемых из такой руды чугунах и сталях.
Степени очистки веществ. В технике вещества по степени очистки делят на следующие четыре класса:
чистые — с содержанием примесей от 2*10-5 до 1%;
чистые для анализа —от 1 * 10-5 до 0,4% примесей;
химически чистые — от 5*10-6 до 0,05% примесей;
особо чистые или спектрально чистые — меньше 10-4% примесей.
Чистоту вещества иногда выражают числом «девяток» после запятой. Например, три девятки означают 99,999% основного вещества и 0,001% примесей.
Классы чистоты. Применение сверхчистых материалов в производстве совсем не обязательно, а по экономическим соображениям часто невыгодно. Уменьшение уровня содержания примесей на один порядок, начиная с 10-4%, нередко увеличивает затраты на изготовление материала в 10—100 раз.
Поэтому в настоящее время особо чистые вещества и полупроводники выпускаются в 10 классах чистоты: А1, А2, ВЗ—В6, С7—С10. А1 имеет 1,0—0,1% примесей, А2— 10-1—10-2% примесей, ВЗ—В6 — от 10-2—10-3 до 10-5—10-6% примесей, С7—С10 — от 10-6—10-7 до 10-9—10-10 % примесей.
Для веществ классов группы А возможно прямое химическое определение содержания основного вещества и примесей, для классов группы В определение примесей требует применения спектрального анализа, к классам группы С относятся «сверхчистые» материалы. Определение примесей у этих веществ требует специальных физико-химических методов (масс-спектрального, радиоактивационного или радиоизотопического анализа) и метода электрических измерений.
Получение чистых и сверхчистых веществ достигается методами дистилляции, зонным переплавом и т. п.
Физическая чистота. Для характеристики совершенства структуры монокристаллов нередко применяют термин физическая чистота. Под этим понимают отсутствие дефектов (вакансий, дислокаций), влияющих на физико-химические свойства веществ и являющихся местами концентрации химических примесей. В отдельных случаях учитывают и изотопическую чистоту — содержание в чистом веществе изотопов одного вида.
Дефиниция сплавов железа и свойства равновесных структур материалов
К металлам относят вещества, обладающие хорошей электрической проводимостью, теплопроводностью, ковкостью, необходимой вязкостью, «металлическим» блеском, прочностью на разрыв, упругостью при деформации и рядом других свойств. В твердом состоянии они имеют кристаллическое строение.
Кристаллы возникают при охлаждении расплавленного металла. Большая скорость охлаждения способствует возрастанию количества центров кристаллизации и получению мелкозернистого строения. При медленном охлаждении центров кристаллизации зарождается мало, при этом получается крупнозернистая структура металла. Мелкозернистая структура металла обеспечивает его большую прочность. В процессе ковки и прокатки кристаллические зерна вытягиваются в волокна, в результате создается волокнистое строение металла, повышается его прочность вдоль волокон.
Сплавы железа с углеродом. В зависимости от содержания углерода сплавы железа с углеродом получили следующие наименования:
техническое железо —сплав, содержащий от 0,04 до 0,2% углерода;
сталь —сплав, содержащий от 0,2 до 2% углерода;
чугун —сплав, содержащий, от 2,0 до 6,67% углерода.
В жидком состоянии железо полностью растворяет углерод в количестве до 6.7%. В твердом состоянии растворимость углерода в железе зависит от кристаллического строения его модификаций и составляет: в α—Fе (альфа-железо) — до 0,03% углерода; в γ—Fе (гамма-железо) —до 2% углерода; в σ—Fе (дельта-железо) — до 0,1% углерода.
Твердые растворы углерода и других легирующих элементов в различных модификациях железа получили наименование; в α-железе и δ-железе — феррит (α-феррит и δ-феррит); в γ-железе — аустенит.
Химические соединения и механическая смесь. Ввиду того, что содержание углерода в промышленных сортах стали превышает его растворимость в α-железе, избыточные атомы углерода, не входящие в феррит, образуют с атомами железа химическое соединение карбид железа Fe3C, называемое цементит.
Таким образом, при нормальных температурных условиях структура стали состоит из феррита и цементита, которые могут представлять собой отдельные включения или тонкую механическую смесь, называемую перлитом.
Равновесные структуры сталей. При нормальных условиях равновесными структурами стали являются феррит, цементит, перлит, аустенит, которые обладают следующими свойствами.
феррит — высокопластический материал, имеющий необходимую прочность и твердость (HB=80);
цементит — хрупкий материал, температура плавления 1600°С, обладает высокой твердостью (HB =700); большие количества цементитных образований наблюдаются в сталях с высоким содержанием углерода (1,5—2%);
перлит — имеет две формы; зернистый перлит, в котором цементит имеет форму глобулей, и пластинчатый перлит, в котором феррит и цементит находятся в форме вытянутых пластинок;
аустенит — твердый раствор углерода в γ-железе. обладает хорошей сопротивляемостью истиранию и большой вязкостью. Он существует в сталях при температурах выше 723° С. Сталь, имеющая аустенитную структуру, очень пластична. Это свойство используется в технологическом производстве, где прокатку, штамповку, ковку ведут при температурах, обеспечивающих аустенитную структуру стали.
Источник: Справочник по авиационным материалам и технологии их применения. 1979. Александров В.Г. Базанов Б.И.
Похожие материалы: