Полупроводниковые материалы 8 страница

    Рисунок 5.30 – Механизм пьезоэффекта в титанате бария BaTiO3   Появление свободных зарядов на поверхности Q сопровождается возникновением разности потенциалов U = Q/C, где Q – величина заряда, освобожденного при деформации; C – электрическая емкость кристалла. Если на поверхность такого кристалла нанести электроды и замкнуть их на некоторое сопротивление, то в цепи потечет ток. К пьезоэлектрикам предъявляют следующие требования: - достаточно высокое значение пьезомодуля; это достигается несимметричной структурой и малой плотностью материала; -малые потери; для этого необходимо высокое значение ρv, то есть отсутствие свободных, несвязанных зарядов в объеме диэлектрика. Иначе эти заряды могут нейтрализовать возникающий на поверхности заряд, заметно снижая пьезоэффект. Все сегнетоэлектрики, обладая спонтанной поляризацией, обладают и спонтанной деформацией элементарной ячейки, являются и пьезоэлектриками. К пьезоэлектрикам относятся и несегнетоэлектрические кристаллы, например кварц SiO2, турмалин (силикат бора и алюминия, содержащий ионы Na, Ca, Mg, Mn, Fe и др.). Сейчас известно около 1000 пьезоэлектриков; в практике применяют порядка 30 материалов, первое место среди них занимает кристаллический пьезокварц, как естественный, так и выращенный искусственно. Плоская пластина пьезкварца с двумя металлическими электродами представляет из себя простейший пьезоэлектрический резонатор, резонансная частота его обратно пропорционально зависит от толщины h пластины.Кварцевые резонаторы имеют очень высокую добротность Q, достигающую 106, то есть очень острый резонанс. Пьезомодуль у кварца порядка 2·10-12 Кл/Н. Пьезокварц находит широкое применение для стабилизации и эталонирования частот, а также удобен для создания узкополосных фильтров из-за очень резкого и узкого резонанса, для изготовления кварцевых генераторов. Пьезокерамикой называют сегнетокерамику после того, как ее поляризуют сильным постоянным полем. В керамике долго сохраняется остаточная поляризация после снятия поля. Пьезокерамика делится на три основные группы: титанат бария и его производные, ниобат бария-свинца (НБС), цирконат-титанат свинца (ЦТС) и его производные. Основные свойства этих групп пьезокерамики представлены в таблице 5.18. Пьезокерамика применятся в излучателях большой мощности, в пьезоэлектрических преобразователях и фильтрах, для изготовления генераторов и приемников УЗ колебаний, датчиков давления, вибрации, ускорения, деформации и т.п.   Таблица 5.18 – Свойства пьезокерамики Свойства     Титанат бария Титанат бария - кальция с кобальтом НБС ЦТС с танталом ЦТС с ниобием Плотность, г/см3 5,3 5,4 5,5 7,3 7,3 ε   1100-1800 1000-1200 tg δ   0,003-0,03 0,01-0,015 0,015 0,02 0,022 Пьезомодуль× ×104, Кл/Н 8,4-20 11,6 18,3·10-7 28,3·10-7 36,3·10-7 Добротность, Q - - Коэффициент, электро- механической связи 0,18-0,37 0,2-0,35 0,2-0,4 0,45 0,42   5.5.3. Электретное состояние в диэлектриках Электреты - диэлектрические материалы, длительно сохраняющие поляризованность после воздействия на них внешних источников энергии (поляризующее поле, световая энергия, радиационное излучение). Электреты служат источником постоянного электрического поля в окружающее пространство подобно постоянным магнитам, являющимися источниками магнитного поля. Электреты как группа материалов были сначала теоретически предсказаны английским физиком О. Хэвисайдом в 1896 г., первые образцы их были получены М. Егучи в Японии в 1922 г. путем охлаждения расплавленной смеси воска и канифоли в сильном постоянном электрическом поле. Полученные таким способом электреты сохраняют свой заряд в течение нескольких месяцев. Электретными материалами являются такие диэлектрики, у которых можно вызвать разделение зарядов или ориентацию существующих диполей и зафиксировать это состояние. Разделение и фиксацию зарядов чаще всего производят в постоянном поляризующем поле Еп =0,5…5 МВ·м-1. В зависимости от величины поляризующего поля Еп на поверхности диэлектрика под поляризующими электродами могут преобладать заряды, перешедшие с электродов в приповерхностные слои диэлектрика – гомозаряды (имеют тот же знак, что и поляризующий электрод), Еп 1 МВ·м-1; или заряды, противоположные по знаку заряду поляризующих электродов – гетерозаряды, полученные за счет ориентации и «замораживания» диполей диэлектрика (полярных молекул или доменов сегнетоэлектриков) или смещением ионов диэлектрика поля Еп; Еп 0,5 Мв*м-1. Результирующий заряд электрета определяется разностью гомо- и гетерозарядов на его поверхности. Экспериментально доказано, что гомозаряды сохраняются более длительное время, чем гетерозаряды, так как на последние сильное дезориентирующее влияние оказывает тепловое движение диполей. Поверхностная плотность зарядов (поляризованность) у различных электретов может составлять 10-6…10-4 Кл·м-2. Эта величина не является постоянной, она сильно зависит от времени хранения, температуры, а также от давления воздуха и его влажности. Электретный эффект наблюдается у диэлектриков органического происхождения (воски, канифоль, полиамидные смолы, поливинилацетаты, фторопластовые пленки) и неорганического происхождения (титанат бария, титанат кальция, титтанат магния, слюда, неорганическое стекло), а также- у серы, сульфида цинка. Электреты применяют как источники постоянного электрического поля. В электретных микрофонах и телефонах, вибродатчиках и т.п. используется индуцирование переменного напряжения в металлической мембране, колеблющейся в поле электрета. Электреты могут служить чувствительными элементами в датчиках механической вибрации, в дозиметрах проникающей радиации, барометрах, гигрометрах и т.п. 5.5.4 Материалы для активных элементов твердотельных оптических квантовых генераторов (ОКГ) Эта группа диэлектрических материалов, управляемых светом, электромагнитными волнами оптического диапазона (10-9…10-3м). В последнее время оптические квантовые генераторы-лазеры заняли очень прочное положение в новой технике – оптоэлектронике, телевидении, голографии, космической связи, медицине и т.п. Лазер - квантовый генератор когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн. Лазер включает в себя следующие основные элементы (рисунок5.31): рабочее тело 1 с активной средой, систему накачки 2 (например, мощные газоразрядные лампы), резонатор 3 из двух плоскопараллельных зеркал, одно из них полупрозрачное, чтобы через него можно было осуществлять выход излучения. По типу агрегатного состояния активного вещества рабочего тела все лазеры принято делить на газовые, твердотельные и полупроводниковые.     Рисунок 5.31 – Схема ОКГ   Рассмотрим принцип возникновения вынужденного излучения в веществе. Для этого изобразим простейшую энергетическую систему из двух уровней Е1 и Е2 на рисунок 5.32. Спонтанное излучение происходит при самопроизвольном переходе системы из возбужденного состояния с уровня Е2 на более низкий уровень Е1 (рисунок 5.32,а), переход без воздействия внешнего излучения. Так как акты спонтанного перехода не связаны во времени, то спонтанное излучение некогерентно (примером спонтанного излучения является свечение при люминесценции). Вынужденное стимулированное излучение происходит в результате перехода системы с Е2 на Е1, вызванного действием внешнего излучения соответствующей резонансной частоты (рисунок 5.32,б). Так как вынужденные переходы происходятодновременно, испускаемое излучение ħ·ν по частоте соответствует поглощенному кванту, вынужденное излучение является и монохроматичным и когерентным. Возникновение вынужденного излучения в твердотельном ОКГ на рубине базируется на работе трехуровневой системы. Рубин - это монокристалл Al2O3 с равномерно распределенными в нем ионами Cr3+, что и дает рубину характерную розовую окраску. Ионы Cr3+ в диэлектрике с большой шириной запрещенной зоны Al2O3 создают систему своих (рисунок 5.33) энергетических уровней с энергиями Е1<Е2<Е3. Уровень Е1 называют основным, он соответствует невозбужденного состоянию электронов в Cr3+. Уровни Е2 и Е3 соответствуют возбужденному состоянию электронов, причем время жизни носителей на Е3 очень мало, а на Е2 велико. Электроны с уровня Е3 безизлучательно переходят на уровень Е2, в результате большая часть электронов оказывается на этом уровне. В следующий момент электроны могут самопроизвольно возвращаться с Е2 в основное состояние Е1, при этом идет самопроизвольное, спонтанное излучение фотона с энергией ħ·ν = Е2 – Е1     Рисунок 5.32 Рисунок 5.33   Самопроизвольное излучение не согласовано по фазе, оно некогерентно и не сфокусировано в пространстве. Переход электронов с Е2 на Е1 можно сделать вынужденным за счет воздействия внешнего электромагнитного излучения накачки. Вновь рождаемые при этом фотоны совершенно идентичны по своим свойствам первичным фотонам, т.е. они имеют ту же энергию ħ·ν, излучаются одновременно, т.е. в той же фазе, в одном направлении. Таким образом, вынужденное излучение является не только монохроматическим, но и когерентным, и сфокусированным в пространстве. Именно таким и является стимулированное лазерное излучение. В твердотельных ОКГ в качестве активной среды используется кристаллическая или стеклообразная матрица, в которой равномерно распределены активные ионы. Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровнями активного иона, при этом сама матрица играет пассивную роль. Тип активного иона определяет спектр излучения ОКГ. В качестве активных ионов используются исключительно элементы переходной группы и редкоземельные элементы, т.е. элементы, содержащие незастроенные 3d и4f электронные оболочки. Электроны, расположенные на этих глубоких уровнях, экранизируются своими наружными, внешними оболочками от электростатического взаимодействия с соседними ионами матрицы. Это дает возможность считать каждый активный атом дискретным, т.е. его энергетические уровни слабо расщеплены, это обеспечивает высокую монохроматичность излучения ОКГ. Активные ионы находятся в матрице в положение замещенных ионов матрицы, следовательно радиус активного иона должен быть очень близок к радиусу замещаемого иона матрицы. В подавляющем большинстве случает (до 90%) активирование осуществляется ионами неодима Nd3+, затем идут ионы хрома Cr3+ и Dy3+ диспозия. Кроме того [15], упоминаются следующие ионы-активаторы: 3d–Co2+, Ni2+, 4f–Pr3+, Sm3+, Eu3+, Ho3+, Er3+. В качестве наиболее распространенных материалов для матриц можно указать лазерное бариевое стекло BaO–К2O–SiO2 и монокристаллы: α–корунд Al2O3 (лейкосапфир), флюорит CaF2, вольфроматы и молибдаты щелочноземельных металлов (CaWO4, CaMoO4), соединения со структурой граната (Y3Al5O12, Y3Fe5O12, Gd3Ga5O12) и др. В таблице5.19 приведены свойства некоторых материалов, используемых в твердотельных ОКГ – лазерах.   Таблица 5.19 – Свойства материалов, используемых в твердотельных ОКГ-лазерах Активная среда рабочего тела   Матрица Акти- ватор Концен-трация активатора, мол. % Длина волны лазерного излученя λ, мкм Показатель преломле-ния КПД, % Рубин   Al2O3 Cr3+ 0,05 0,69 красный 1,76 0,22 Стекло с ниодимом Бариевое стекло Nd3+ 1,06 ик 1,54 до 5 Иттрий-алюми- ниевый гранат с неодимом Y3Al5O12 Nd3+ 1,3 1,06 ик 1,83 Натрийлатано- либдат с неодимом NaLa(MoO4)2 Nd3+ 1,06 ик 1,82 2,5 Флюрит с диспрозием CaF2 Dy3+ 0,02 2,36 ик 1,42 Шеелит с неодимом CaWO4 Nd3+ 1,06 ик 1,92 1,7     5.5.5. Люминофоры К управляемым светом (внешним электромагнитным излучением) диэлектрикам относятся не только материалы для активных элементов ОКГ, но и люминофоры. Явление люминесценции связано со спонтанным переходом (рисунок 6.14) части электронов вещества из возбужденного состояния (после поглощения внешнего излучения) в основное и выделении при этом энергии в виде квантов света ħ·ν. Происходит «высвечивание» возбужденного материала. Люминофорами называют вещества, обладающие способностью светиться в течение короткого или длительного времени после прекращения действия внешнего излучения, причем это свечение превышает обычное тепловое излучение. В зависимости от вида внешнего источника энергии, возбуждающего электроны, люминофоры [16] делят на фото-, катодо- и электролюминесцентные материалы (возбуждаемые светом, электронным пучком, электрическим полем). Люминофоры по ширине запрещенной зоны относятся к классу диэлектриков и к классу полупроводников. По составу это обычно бывают не чистые вещества, они содержат примеси – активаторы. Атомы активатора искажают кристаллическую решетку люминофора, делают ее дефектной. Изменяя состав и концентрацию активаторов, получают люминофоры с различными характеристиками. Фотолюминофоры, возбуждаемые светом. Применяются в составах для светящихся шкал и стрелок, в люминесцентных лампах, осветительных и рекламных. Для этих целей применяются в следующие составы (после тире указан активатор): галофосфат кальция 3Ca3(PO4)2·Ca(F,Cl)2–Sb, Mn; нитрид алюминия AlN–Am, Eu, AlN–Mn. Для медицинских ламп, дающих не только «белый» свет, но и содержащих ультрафиолетовую составляющую, используют BaSiO3–Pb; (Sr, Ca)3(PO4)2–Tl; (Ca,Zn)3(PO4)2–Tl. Для аварийного освещения, для светящихся шкал применяются люминофоры с длительным послесвечением: сернистый цинк с активаторами ZnS–Cu, ZnS–Cu, Co. Катодолюминофоры, светящиеся при приложении разности потенциалов, достаточной для свечения, используют для изготовления панельных светильников, электролюминесцентных конденсаторов и других изделий. В качестве таких материалов применяют, в основном, соединения цинка и кадмия – ZnS, ZnSe, Zn(S, Se), (Zn, Cd)S с активирующими примесями Pb, Mn, Al, Ag, Cu и др. 5.5.6. Жидкие кристаллы Жидкие кристаллы – органические вещества, которые находятся в промежуточном (мезоморфном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым телом. С одной стороны, для них характерна большая текучесть, способность находится в каплевидном состоянии, а с другой стороны, жидким кристаллам присуща анизотропия свойств, прежде всего оптическая анизотропия. Особенность жидких кристаллов состоит в том, что мезоморфное (жидкокристаллическое) состояние существует в ограниченном температурном интервале, достаточно узком.     Рисунок 5 - Последовательность фазовых превращений при нагревании вещества   Жидкокристаллическое состояние образуют, главным образом, те соединения, молекулы которых имеют удлиненную форму палочки. Большую часть известных жидких кристаллов составляют органические соединения ароматического ряда, т.е. соединения, молекулы которых содержат бензольное кольцо. Сейчас известно более 3000 органических веществ, дающих жидкие кристаллы. Например, бензойнокислый холестерин – представитель ароматических углеводородов, имеет Т1=145°C, Т2=179°C. По электрическим свойствам жидкие кристаллы относятся к классу диэлектриков с невысоким удельным сопротивлением ρ≈ 109 – 1014 Ом·м. Величина проводимости регулируется растворением диссоциирующих ионных соединений. По закономерности расположения молекул жидкие кристаллы делят на три группы: смектические, нематические и холестерические [17]. Смектические жидкие кристаллы имеют слоистое строение, молекулы в слое ориентированы параллельно друг другу за счет сил дисперсионного взаимодействия, т.е. это межмолекулярные Ван-дер-Ваальсовы силы, а плоские слои молекул равно удалены друг от друга. Из-за высокой вязкости смектические жидкие кристаллы не нашли широкого применения. В нематических жидких кристаллах длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, центры тяжести молекул расположены беспорядочно, нематические жидкие кристаллы имеют малую вязкость. Холестерические жидкие кристаллы на молекулярном уровне в тонком слое похожи на нематические, однако вся структура дополнительно закручена вокруг оси винта, перпендикулярной молекулярным осям, получается слоистая винтовая структура с шагом спирали. Основой сильной зависимости свойств жидких кристаллов от внешних факторов (температуры, давления, электрического поля и др.) является малая величина молекулярных сил, отвечающих за упорядоченную структуру жидкого кристалла.   Холестерические жидкие кристаллы используются для создания цветовых термометров, самых чувствительных датчиков температуры – термоиндикаторы способны регистрировать изменение температуры в тысячные доли градуса. Такие приборы используются в технике и медицинской диагностике; с их помощью модно очень просто получать картинку теплового поля в виде цветовой диаграммы. Этот же принцип используется и для визуализации инфракрасного излучения (ИК-излучения), например при настройке ИК-лазеров, юстировке ИК-приборов; и для визуализации полей СВЧ. Нематические жидкие кристаллы сильно реагируют на изменения напряженности электрического и магнитного полей (при этом меняется их прозрачность и другие оптические характеристики), это дает возможность использовать их как управляемые материалы для этого вида внешних воздействий. Примером нематических жидкостей являются как чистые вещества, так и их смеси в различном соотношении. В частности широко используется эвтектическая смесь двух нематиков: МББА (р-метоксибензилиден-р-п-бутиланилин) и ЭББА (р-этоксибензилиден-р-п-бутиланилин). Нематические жидкие кристаллы применяются, в основном, в различных индикаторных устройствах, к ним относятся дисплеи, крупноформатные табло, цифровые индикаторы для микрокомпьютеров, циферблаты часов и цифровых измерительных приборов. Основными достоинствами индикаторов такого типа являются: а) хороший контраст при ярком освещении, б) низкая потребляемая мощность (десятки мкВт/см2), в) совместимость с интегральной технологией производства интегральных схем, г) сравнительная простота изготовления и низкая стоимость. Принципиальными недостатками индикаторов на жидких кристаллах являются низкое быстродействие (10-2…10-1с), а также процессы электро- и фотохимического старения.     6 КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 6.1 Свойства конструкционных материалов Все конструкционные материалы можно условно разделить на однородные и композиционные, металлические и неметаллические (Рисунок 6.1).   Рисунок 6.1 – Классификация конструкционных материалов Металлы – химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью между атомами. Сплавы – твердые вещества, образованные сплавлением двух или более компонентов. Сплав образуется в результате как чисто физических процессов (растворение, перемешивание), так и в результате химического взаимодействия между элементами. Разнообразие состава типов межатомной связи и кристаллических структур сплавов обуславливает значительное различие их физико-химических, электрических, магнитных, механических, оптических и других свойств. Сплавы на основе железа называются черными, на основе других металлов цветными. Неметаллические материалы – неорганические и органические материалы, композиционные материалы на неметаллической основе, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, графит, стекло, керамика и т.д. Полимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Композиционные материалы – гетерофазные (состоящие из различных по физическим и химическим свойствам фаз) системы, полученные из двух и более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента. При этом: материал является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе (компоненты различаются по свойствам, между ними существует явная граница раздела); один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей; компонент прерывистый, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим. В приборостроении большое применение находят различные неметаллические материалы, такие как пластмассы, резина, стекло, керамика, лакокрасочные и клеевые материалы, причем с развитием химии и новых технологий доля неметаллических материалов в приборостроении постоянно увеличивается. Выбор пластмасс определяется назначением детали и характерной особенностью ее получения (прессование, литье и другие способы), причем особенности строения, механические и физические свойства пластмасс существенно влияют на конструкцию детали и способ ее изготовления. Применение порошковых материалов определяется необходимостью изготовления изделий с особыми свойствами и структурой, которые недостижимы другими методами производства, либо изделий с обычным составом, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях производства. Свойства конструкционных материалов подразделяются на: механические; технологические; эксплуатационные. К механическим свойствам относятся: прочность; упругость; пластичность; твердость; ударная вязкость. Эти свойства определяют прочность и долговечность конструкции. Прочность – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению. Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают после окончания действия сил, а пластические остаются. Пластичность – способность материала деформироваться. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений – отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы изменяется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность. Большинство механических характеристик материалов определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84). При растяжении образцов с площадью поперечного сечения S0 и рабочей (расчетной) длиной lо строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка P– удлинение ∆l образца (рисунок 6.2).   Рисунок 6.2 – Диаграмма растяжения   Диаграмма растяженияхарактеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации – до нагрузки Рупр; равномерной пластической деформации от Рупр до Рмах; и сосредоточенной пластической деформации от Рмах до Рк. Если образец нагрузить в пределах Рупр, а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится. Закон Гука для линейного участка диаграммы: σ = Е ε, где Е – называется модулем упругости или модулем Юнга. Е имеет размерность кг/см2 и является одной из физических констант материала. Модуль упругости при растяжении численно равен тангенсу угла наклона диаграммы напряжений к оси абсцисс. Между относительной поперечной деформацией и относительной продольной деформацией при простом растяжении и сжатии в пределах применимости закона Гука существует постоянное соотношение, абсолютная величина которого называется коэффициентом Пуассона μ = ε1/ε – безразмерная величина и для всех изотропных материалов лежит в пределах 0 – 0,5 (0 для пробки, 0,5 для каучука, для стали 0,3). При нагружении образца более Рупр появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки Рмах в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается отРмах до Рк, и при нагрузке Рк происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца исчезает, а пластическая ∆lост остается. При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением. Размерность напряжения МПа. Пользуясь указанными характеристиками, и зная площадь сечения образца S0, определяют основные характеристики прочности материала: σпц = Рпц/S0 - предел пропорциональности; σуп = Руп/S0 - предел упругости; σт = Рт/S0 - предел текучести; σв = Рмах/S0 - предел прочности или временной сопротивление; σк = Рк/S0 - напряжение в момент разрыва. Поскольку диаграмма растяжения металлов характеризует не только свойства металлов, но и размеры образца, то ее принято перестраивать в относительных координатах σ – ε, такая диаграмма называется диаграммой напряжений. Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением:   , где l0, S0 - начальные длина и площадь поперечного сечения образца; lk, Sk - конечная длина и площадь в месте разрыва. Допустимые значения напряжений в расчетах выбирают меньше в 1,5 - 2,5 раза. Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора). О твердости судят либо по глубине проникновения индентора, либо по величине отпечатка от вдавливания. Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Наибольшее распространение получили методыопределения твердости Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы определения твердости представлены на рисунке 6.3.   Рисунок 6.3 – Схема определения твердости материала по Бринеллю (а), по Роквеллу (б), по Виккерсу (в)   Твердость по Бринеллю определяют на твердомере Бринелля. В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D = 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия. Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля. Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к площади сферической поверхности отпечатка. Метод Роквелла основан на вдавливании в поверхность под определенной нагрузкой наконечника в виде шарика или алмазного конуса. Для мягких материалов (до НВ 230) используется стальной шарик диаметром 1,6 мм, для более твердых материалов – конус алмазный. Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка Р0 (100 н) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р1, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой P. Твердость по Виккерсу определяется по величине отпечатка индентора -алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136o. Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки Р к площади поверхности отпечатка. Нагрузка Р составляет 50…1000 н. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе. Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонких изделий, поверхностных слоёв. Метод обеспечивает высокую точность при высокой чувствительности. Способ микротвердости – используется для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Метод аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании P составляют 5…500 н. Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытания на ударную вязкость производят на маятниковых копрах. Испытуемые образцы имеют надрезы определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту. Ее определяют по ГОСТ как удельную работу разрушения призматического образца с концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра:   КС = К/S, где К - работа разрушения; S - площадь поперечного сечения образца в месте концентратора. Измеряется в МДж/м2.Обозначают KCU, KCV, KCT, U, V, T - вид концентратора (U, V - образный; Т - трещина усталости). Технологические свойства конструкционных материалов Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки. К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся: литейные свойства; деформируемость; свариваемость; обрабатываемость режущим инструментом. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин. Литейные свойства характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок. Литейные свойства определяются способностью расплавленного металла или сплава к заполнению литейной формы (жидкотекучесть), степенью химической неоднородности по сечению полученной отливки (ликвация), а также величиной усадки – сокращением линейных размеров при кристаллизации и дальнейшем охлаждении. Способность материала к обработке давлением– это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь (обработка без снятия стружки). Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным. Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб. Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания. Свариваемость – это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества при сварке. Свойство оценивается по качеству сварного шва. Обрабатываемость резанием – характеризует способность материала поддаваться обработке режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству обработанной поверхности.