Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з принципом роботи приладів, призначених для виконання роботи, та зі схемами вимірювання термоопору провідників та термо-ЕРС термопар.

2. Вибрати відповідні пари термоелектродів, методом зварювання зробити спаї та помістити їх у термостат (пічку).

3. На каркас із непровідного матеріалу намотати кілька десятків тонкого дроту (мідь, вольфрам, платина, манганін та ін.) і помістити виготовлений термоопір у термостат (пічку).

4. Визначити температуру термостата (пічки) з допомогою контрольного термометра (контрольної термопари, термоопору) та виміряти опір досліджуваних термоопорів.

5. Увімкнути нагрівання термостата (пічки) і підвищити температуру на 10 ÷ 15 °С. Після стабілізації температури виміряти її величину, значення термо-ЕРС різних термопар, величину опору терморезисторів.

6. Підвищуючи температуру термостата (пічки), провести вимірювання, вказані в п.5, через 10÷15 °С до максимальної температури (вказується викладачем).

7. Побудувати графіки залежностей Е_{термо-ЕРС} = f(Т °С) для різних термопар та R = f(Т, °С) для терморезисторів.

8. Визначити питому термо-ЕРС різних термопар на різних ділянках температурного діапазону й порівняти з табличними даними.

9. Визначити ТК_R досліджених термоопорів та проаналі­зу­ва­ти можливість застосування того чи іншого матеріалу для чутливого елемента терморезистора.

10. Результати подати у вигляді таблиць і графіків. Зробити відповідні висновки.

Контрольні зАпитання

1. Які основні вимоги до матеріалів термопар та термометрів опору?

2. При яких умовах можлива поява термо-ЕРС у замкнутому колі?

3. Назвати основні механізми, відповідальні за виникнення термо-ЕРС.

4. Навести приклади матеріалів для термопар, які застосовується для різних температурних діапазонів.

5. Як залежить термо-ЕРС термопари від різниці температур спаїв?

6. У чому різниця між простою і диференційною термопарами?

7. Навести приклади металевих і неметалевих матеріалів, які використовуються для виготовлення термометрів опору, вказати діапазон температур, в якому вони працюють.

Лабораторна робота №3 Дослідження мікротвердості матеріалів Електронної техніки

Мета роботи: Ознайомлення з методами дослідження твер­дості електротехнічних і конструкційних матеріалів. Освоєння методики та набуття навичок вимірювання мікротвердості металів, сплавів та напівпровідників. Визначення мікротвердості досліджуваних зразків та аналіз зв’язку мікротвердості з іншими властивостями твердого тіла.

Прилади та матеріали: Прилад для вимірювання мікротвер­дості ПМТ-3; досліджувані зразки металів, сплавів та напівпро­від­ників; матеріали для підготовки поверхні зразків (виготовлення мікрошліфів).

Теоретичні відомості

Для успішного використання матеріалів, які застосовуються для виготовлення приладів електронної техніки, велике значення мають їх механічні властивості, серед яких найбільш важливі міцність, твердість, пластичність та інші. Під механічними властивостями розуміють сукупність властивостей, які характеризують опір матеріалу діям прикладених до нього зовнішніх механічних сил (навантажень). Сили можуть бути прикладені у вигляді статичного (поступово зростаючого), динамічного (зростаючого різко і з великою швидкістю), повторно-змінного (багаторазового змінного за величиною або за величиною й напрямком) навантаження. Механічні характеристики мають не тільки велике значення як експлуа­та­ційні, оскільки чим більша міцність матеріалу, тим меншою буде вага конструкції при достатній надійності, але і як технологічні, тобто характеризують здатність матеріалу до обробки.

Під твердістю розуміють властивість матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого більш твердого тіла. Із усіх механічних властивостей найбільше досліджують твердість. Це пояснюється простою та високою продуктивністю методу вимірюван­ня твердості, а також тим, що вимірювання (дослідження) можна проводити на самому виробі (напів­фаб­ри­каті, деталі), не пошкоджуючи його.

Слід зазначити, що твердість не є фізичною сталою матеріалу, а є складною властивістю, яка залежить як від міцності і пластичності матеріалу, так і від методу вимірювання. Твердість – анізотропна характеристика кристала, яка не під­дається математичному опису. Вона досить чутлива до зміни струк­тури матеріалу, температури, її величина залежить від термічної та хімічної обробки матеріалу, освітлення, орієнтації кристало­графічної грані, в яку проникає інше тіло, та інших властивостей.

Основними методами визначення твердості є методи вдавлювання в поверхню досліджуваного матеріалу стандартних наконечників із твердих недеформуючих матеріалів під дією статичних навантажень: вдавлювання стальної кульки (метод Брінеля); вдавлювання алмазного конуса (метод Роквелла); вдавлювання чотиригранної алмазної піраміди (метод Віккерса). Значення твердості виражаються числами твердості в різних шкалах. Рідше застосовується динамічний метод, в якому мірою твердості є висота відскакування стальної кульки від поверхні досліджуваного матеріалу. Іноді застосовується метод дряпання. Величина твердості оцінюється за десятибальною шкалою (шкала Мосса), яка являє собою послідовність ряду мінералів різної твердості, розміщеної в порядку її зростання. Крім наведених методів вимірювання твердості масивних зразків, деталей, використовують вимірювання мікротвердості, тобто вимірювання твердості окремих складових мікроструктури сплавів, дуже тонких поверхневих шарів, покрить, фольги, дрібних деталей і т.д.

Твердість, визначена дряпанням, характеризує опір руйнуванню (для більшості металів шляхом зрізу); твердість, визначена за відскоком, характеризує пружні властивості; твердість, визначена вдавлюванням, – опір пластичній дефор­ма­ції. Отже, твердість – це механічна властивість металу, яка відрізняється від інших його механічних властивостей способом вимірювання.

Слід розрізняти два способи визначення твердості вдавлюванням: вимірювання твердості і мікротвердості. Вимі­рю­вання твердості характерно тим, що в матеріал, який досліджують, вдавлюється тіло порівнянно великих розмірів, так що в деформований об’єм потрапляють усі фази і структурні складові сплаву, а тіло проникає на відносно велику глибину, яка перш за все залежить від величини навантаження та властивостей матеріалу. Виміряна твердість у цьому випадку характеризує твердість усього досліджуваного матеріалу. Метою вимірювання мікротвердості є визначення твердості окремих зерен, фаз і структурних складових сплаву (а не „усереднену” твердість, як при вимірюванні твердості). У цьому випадку об’єм, який деформується вдавлюванням, повинен бути меншим, ніж об’єм (площа) зерна, твердість якого вимірюється. Тому прикладені навантаження при вимірюванні мікротвердості виби­раються невеликими. Крім того, мікротвердість вимірюють для характеристики властивостей дуже малих за розмірами деталей.

Крім простоти досліджень, невеликої тривалості вимірювання, можливості проводити вимірювання на готових деталях, слід зазначити, що між твердістю пластичних металів, яка визначена способом вдавлювання, і іншими механічними властивостями (в основному, межею міцності) існує кількісна залежність. Тому як показник міцності часто використовують твердість. Хоча такої залежності не спостерігається для крихких матеріалів, для сірих чавунів спостерігається якісна залежність між межею міцності і твердістю. Твердість, визначена вдавлю­ванням, характеризує також межу витривалості ряду металів, зокрема міді, дюралюмінію і сталей у відпаленому стані.

Існує кілька напрямів застосування вимірювань мікротвердості у фізиці твердого тіла. Перший – вимірювання мікротвердості елементів або їх сполук і зіставлення отриманих результатів із кристалохімічними факторами (типом кристалічної структури, валентністю, параметром решітки, типом хімічного зв’язку, міжатомною віддалю, координаційним числом і кристалографічною орієнтацією грані). До робіт цього напряму належать і такі, в яких порівнюється анізотропія твердості з анізотропією сил зв’язку. Другий напрям – вивчення впливу дефектності кристалічної структури на мікротвердість. Наприклад, у радіаційній фізиці досліджується вплив на мікротвердість опромінення іонами різних енергій, електронами, рентгенівськими променями, які створюють неоднорідний розподіл дефектів у приповерхневому шарі. Природно, що структурні дефекти в матеріалі, який досліджується, такі як дислокації, дефекти упаковки, малокутові межі та інші, будуть впливати на його мікротвердість.

Для випробовування матеріалів на мікротвердість у лабораторіях різного призначення використовують прилад ПМТ-3. Мікротвердість визначають вдавлюванням алмазної піраміди під дією малих навантажень від 0,02 до 4,9 Н (від 2 до 500 Г). Методика вимірювання встановлена державними стандар­тами (ДСТ 9450-76), яка передбачає використання наступних типів алмазних наконечників: чотиригранну піраміду з квадратною основою (індекс „кв”), тригранну піраміду з основою у вигляді рівнобічного трикутника (індекс „тр”), чотиригранну піраміду з ромбічною основою (індекс „рб”), біциліндричний наконечник (індекс „ц”). Найчастіше використовують наконечник у вигляді чотиригранної піраміди з квадратною основою і кутом при вершині 136° (мікротвердість за Віккерсом). Мікротвердість визначають відношенням навантаження Р до площі поверхні відбитка S

H_ = P/S = (2Psin /2)/d² = 1,8544 P/d², (1)

де Р – навантаження на піраміду, d – середнє арифметичне довжини двох діагоналей відбитка після зняття навантаження,  – кут при вершині між протилежними гранями піраміди (136⁰, або 2,47 радіан).

Числа мікротвердості мають розмірність МПа або кГ/мм² (кгс/мм²).

Якщо Р виразити в грамах, а d в мікронах, то формула для обчислення мікротвердості матиме вигляд

H_=1854 P/d², кГ/мм².    (2)

За Держстандартом, число мікротвердості МПа записують без вказівки розмірності, наприклад H_ = 181.

Для зручності й прискорення обчислень мікротвердості складені таблиці, розраховані на певні навантаження. Крім цього, для обчислення значення мікротвердості може бути використана номограма (таблиці та номограми наведені в інструкції до ПМТ-3). Стосовно вибору навантаження при дослідженні твердості слід зазначити, що, згідно з прийнятою точкою зору, твердість, яка визначається методом вдавлювання конуса або піраміди, не повинна залежати від навантаження. Це підтверджено дослідними даними для навантажень 10÷100 кГ. Однак при дослідженні мікротвердості, тобто при малих навантаженнях, спостерігається як збільшення, так і зменшення мікротвердості при збільшенні навантаження. Це пов’язано з рядом причин – деякі з них залишаються не з’ясованими. Тому на даний час загальноприйнятого пояснення залежності мікротвердості від величини навантаження немає. Зважаючи на це, слід визначати робочу величину навантаження дослідним шляхом, вибравши одне з оптимальних значень.

Слід зазначити, що простота самих вимірювань мікротвер­дості в технічному плані, при недооцінці роботи по відбору проби, особливо підготовці поверхні, вибору місця для нанесення відбитка, може привести дослідника до неправильних висновків. Метод вимірювання мікротвердості – надзвичайно чутливий до різних факторів, і ця чутливість є вирішальною при використанні методу в різних цілях. Тому, як і при інших чутливих експериментальних методах, необхідний певний досвід у роботі і точне знання його особливостей.