МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

Министерство науки и образования РФ

Южно – Уральский государственный университет

Факультет приборостроительный

Кафедра “Приборостроение”

 

 

Ю. А. Манаков

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Конспект лекций

 

 

Челябинск

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина “Материаловедение ” относится к дисциплинам обще профессионального профиля.

Цель преподавания данной дисциплины – дать студентам теоретические знания о строении и свойствах конструкционных и электротехнических материалов, способах изменения их свойств, приобрести практические навыки по выбору материала и (или) сортамента с учётом обусловленных и доступных для понимания на втором или третьем курсах конструктивно - технологических требований к детали. Студент должен получить целостное представление о взаимосвязи свойств материала с его строением. Поэтому изучение дисциплины “Материаловедение ” является актуальным. Дисциплина является базовой для различных конструкторских дисциплин.

Условия работы современных машин и приборов выдвигают различные, часто противоречивые, требования к свойствам и характеристикам материалов деталей, которые необходимо знать и учитывать при проектировании изделий.

Изучение дисциплины “Материаловедение ” базируется на знаниях по дисциплинам “Теоретическая механика”, “Химия”, ”Физика”, “Математика”. Знание строения и свойств материалов и умение выбрать материал детали в соответствии с конструктивно-технологическими требованиями является базовыми для изучения дисциплин: “Элементы приборных устройств”, “Технология приборостроения”, “Конструирование приборов и устройств”, и других.

В начале каждой темы приведены методические указания по ее изучению. В конце каждой темы предложены контрольные вопросы, ответы на которые позволят студенту оценить уровень усвоения изучаемой темы.

Методические указания по выполнению семестрового задания приведены перед теоретическими материалами.

 

 

Методические указания по выполнению семестрового задания

Семестровым заданием по «Материаловедению» предусмотрен выбор соответствующего материала детали исходя из ее назначения, требуемых свойств, и обозначение его марки и (или) сортамента в соответствии с действующими нормативами.

 

Требования при выполнении семестрового задания

1. Знание перечня материалов соответствующего класса или группы, их основных свойств и параметров, отражающих эти свойства.

2. Наличие минимум 2-3 источников справочной информации (справочник, технические условия и т.п.), где имеются материалы соответствующего содержания.

3. Наличие думающей головы – желательно, здравого смысла в действиях – обязательно.

Семестровое задание целесообразно выполнять в следующей последовательности.

1. Провести анализ задания: уяснить назначение детали, требования к ней, оценить необходимые значения параметров.

2. По результатам анализа подобрать из справочников возможные 2-3 марки материала, сравнить их параметры с требуемыми по заданию, и выбрать один материал и марку в соответствии со своими представлениями. Марки материалов, их параметры регламентированы стандартами, которые обязательно указываются при выборе. Помнить, что задача выбора материала является многовариантной, вы же представляете только один из возможных. Обязательно отметьте, какие полезные свойства, не указанные в задании, имеет выбранный материал.

Оценку стоимости материала проводить качественно, в соответствии с рекомендациями раздела лекций «Теоретические материалы», учебной литературы, своих представлений.

3. При выборе марки материала детали часто необходимо указать и сортамент материала, из которой изготавливают деталь. Если это требуется, сортамент выбирают исходя из формы детали, ее конструктивных особенностей, указанных в задании. На основании этого по справочнику находят данные о выпускаемом сортаменте, профиле, размерах и другие сведения.

4. Выбранную марку материала, или марку и сортамент, стандарт или ТУ на него обозначить в соответствии с действующими правилами и нормативами и указать в отчете по семестровой работе. Примеры обозначения см. в разделе Теоретические материалы данного пособия и литературе [4,6,8,9].

Отчет по семестровой работе оформляется в соответствии с основными требованиями, указанными в вариантах выдаваемого задания.

 

Теоретические материалы

Тема 1. Основные понятия

Методические указания.Необходимо усвоить, что изучает дисциплина Материаловедение, значение ключевых понятий: вещество, материал, характеристика, параметр, свойство, качество. Уяснить взаимосвязь понятий в виде формулы: (состав + структура) = строение Þ свойства.

Какие требования учитываются при выборе материала, условия эксплуатации изделий. Представлять классификацию материалов по их отношению к различным физическим полям.

Ключевые моменты темы: материаловедение, вещество, материал, характеристика, параметр, свойство, качество, состав, структура, свойства, классификация, климатическое исполнение, категории размещения.

 

Теоретический материал

Содержание материаловедения в кратком виде можно определить формулой: состав + структура => свойства.Состав определяется исходными веществами.…  

Общие понятия и определения

Рассмотрим некоторые понятия, используемые при изучении дисциплины. Вещество – есть совокупность взаимосвязанных атомов, ионов или молекул.… Материал – один из видов вещества, промежуточный продукт его переработки. Из материала делают изделия. Например, медь…

Классификация материалов

 

Применяемые материалы, как и любые изделия, можно классифицировать по различным признакам, соответственно получим разные классификации.

В нашем случае мы будем классифицировать материалы по их отношению к силовым и электромагнитным полям. Соответственно материалы разных групп должны иметь в первую очередь явно выраженные механические (конструкционные материалы), электрофизические (электротехнические материалы) или специальные свойства (рисунок 1). К специальным отнесем материалы, используемее для промывания, обезжиривания деталей, для смазки и другие. В рамках содержания дисциплины их рассматривать не будем.

Одни и те же материалы обычно выполняют разные функции: например, они являются и элементом конструкции, и проводят магнитный поток. Поэтому относятся и к конструкционным, и к электротехническим материалам. Например, керамика, магнитные сплавы и другие.

	Рисунок 1. Классификация материалов

 

Рисунок 1. Классификация материалов

Требования к материалам при их выборе

1. Назначения. 2. Условий эксплуатации. 3. Требований к материалу.

Вопросы для самоконтроля

1. Что изучает материаловедение? 2. Объяснить понятия: вещество, материал, характеристика, параметр, свойство,… 3. Как связаны между собой понятия: состав – структура – строение – свойство материала?

Тема 2. Строение металлов

Методические указания. Необходимо понять, как устроены кристаллические и аморфные структуры. Обратить внимание, что тип химической связи не только… Обратить внимание на признаки, по которым различают дефекты строения, в чем… Ключевые моменты темы: кристаллические, аморфные структуры, их строение, индексы направлений и плоскостей,…

Теоретический материал

Кристаллические и аморфные тела

Имеются две разновидности твердых тел, различающихся по свойствам – кристаллические и аморфные. Кристаллическиетела – сохраняют свою форму, остаются твердыми до температуры… Аморфные тела, находясь в твердом состоянии ,при нагревании размягчаются в большом температурном интервале, становятся…

Строение чистых металлов

- пространственного расположения частиц в кристалле (определяет его геометрическое строение); - электронного строения атомов и характера взаимодействия их в кристалле… - химического состава (чистый металл или сплав).

Кристаллографические направления и индексы

Кристаллографическими направлениями являются прямые, выходящие из принятой точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга… Кристаллографическими плоскостями являются плоскости, на которых расположены… Кристаллографические направления и плоскости принято обозначать индексами. Для определения индекса направления…

Анизотропия

Свойства кристаллов по различным кристаллографическим направлениям неодинаковы, так как число атомов и расстояния между ними разные по этим… Анизотропия – различие свойств кристалла в разных кристаллографических… Твердые тела являются поликристаллическими, состоящими из большого числа зерен (кристаллитов), ориентированных в…

Влияние типа химической связи на структуру и свойства кристаллов. Типы кристаллов

Тип связи, возникающий между частицами в кристалле, определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Частицы сближаются до… Силы отталкивания проявляются при сильном сближении частиц и растут… По типу превалирующей химической связи между частицами все кристаллы делят на молекулярные, ковалентные,…

Дефекты кристаллического строения

Точечные дефекты по размерам близки к межатомным расстояниям. К ним относятся вакансии, межузельный атом, примесный атом (рисунок 6). Вакансии – свободные места в узлах кристаллической решетки (рисунок 6,а).… Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше 00К из-за тепловых колебаний атомов. С…

Дислокационный механизм пластической деформации

Рассмотрим механизм перемещения дислокации при пластической деформации. На рисунке 10 изображена схема передвижения одной из дислокаций под… Экстраплоскость 1-1, содержащая дислокацию, под действием напряжения τ… Рассмотренный процесс повторяется с экстраплоскостями и их дислокациями до тех пор, пока экстраплоскость 4-4 не выйдет…

Вопросы для самоконтроля

2. Виды кристаллов в зависимости от типа химической связи между микрочастицами (атомами, ионами, молекулами). 3. В чем сущность кристаллического и аморфного строения? Понятие дальнего и… 4. Какие характерные типы кристаллических решеток в металлах вам известны?

Тема 3. Строение сплавов. Диаграммы состояния

 

Методические указания. При изучении темы отметить преимущества сплавы, способы их получения. Понятие фаза, компонент сплава. Строение сплавов, основные отличия свойств различных структур. Что отражает диаграмма состояния сплава, ее практическое применение.

Ключевые моменты темы: сплавы, фазы, их кристаллические структуры, диаграммы состояния, их связь со свойствами.

 

Теоретический материал

Строение сплавов

Сплавы классифицируют по различным признакам, например: - по количеству компонентов (элементов), входящих в сплав. Больший в… - по применению: конструкционные, инструментальные, шарикоподшипниковые, жаропрочные, пружинные и т. д.;

Диаграммы состояния двойных сплавов

При охлаждении в сплавах происходят изменения, образуются новые фазы (твердые, жидкие), структуры. Эти изменения можно проследить на основе анализа…     Диаграммой состоянияназывают графическое…  

Вопросы для самоконтроля

2. Что такое фаза сплава? 3. Как можно классифицировать сплавы? 4. Какие виды структуры при взаимодействии компонентов сплава могут образоваться? На что это влияет?

Тема 4. Строение неметаллических материалов

Коротко рассмотреть состав и строение стекол, обратить внимание отличие ситаллов от стекол по строению и свойствам, а также на двухфазовое строение… Ключевые моменты темы: после изучения темы представлять строение…  

Теоретические материалы

Строение полимеров

винилхлорида      

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое полимеры? Назовите известные вам полимеры. 2. Какие свойства отличают полимеры от металлов? 3. По каким признакам классифицируют полимеры, приведите примеры классификации?

Строение стекол

Структура аморфного стекла образуется при охлаждении стеклянной массы. Широкое применение находят силикатные стекла с добавками других оксидов. В… Наиболее высокими свойствами обладает кварцевое стекло, выплавляемое из… Из стекол специального состава при помощи контролируемой кристаллизации получают кристаллические стекла – ситаллы и…

Вопросы для самоконтроля

 

1. Что представляют собой стекла, их основные свойства?

2. Отличие ситаллов от стекол. Применение ситаллов.

3. В каком физическом состоянии могут находится стекла?

4. Почему свойства кварцевого стекла отличаются от свойств силикатного?

 

Строение керамики

В приборостроении применяют два вида керамики: техническую керамику для изготовления деталей различного конструктивного назначения (опоры приборов,…  

Вопросы для самоконтроля

 

1. Что представляет собой керамика и как ее получают?

2. Виды керамик и их назначение. Привести примеры разных видов керамики.

3. Назовите основные свойства керамики.

 

Композиционные материалы

Свойства КМ в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Основой КМ (матрица) служат металлы или сплавы (их называют КМ на… В матрице равномерно распределены остальные компоненты, их называют наполнители (иногда упрочнители), которые и…

Вопросы для самоконтроля

1. Что представляет собой КМ? 2. Чем определяются свойства КМ? Как их можно изменить? 3. Какие материалы используют в качестве упрочнителя, и какие – матрицы?

Тема 5. Свойства материалов и их определение

Методические указания. Начать изучение темы – с классификации свойств. Можно придерживаться и другой классификации, но указанные ниже свойства… Необходимо понять, что определяет каждое из названных свойств, знать, какой… Рассмотреть деление свойств на:

Теоретические материалы

Классификация свойств материалов, их общая характеристика

При выборе материалов часто приходится учитывать большое разнообразие их свойств. Классифицируя свойства с учетом конструкторской специфики, можно выделить три основные группы свойств: эксплуатационные, технологические,

потребительские (рисунок 20), которые и лежат в основе выбора материала, определяют техническую и экономическую целесообразность его применения.

 

Эксплуатационными (функциональными, или служебными) называют свойства материала, которые определяют функционирование деталей машин и приборов, их силовые, динамические, стойкостные, электрические, диэлектрические, магнитные, оптические и другие технико-эксплуатационные показатели.

Для подавляющего большинства деталей приборов функционирование их обеспечивает уровень механических свойств материалов. Механические свойства характеризуют поведение материала под действием внешних нагрузок. Условия нагружения деталей машин и приборов очень разнообразны, поэтому механические свойства включают большую группу показателей и рассмотрены ниже в отдельном параграфе.

Электрические, магнитные, диэлектрические свойства важны для соответствующих групп материалов (проводниковых, диэлектрических, магнитных), поэтому и изучать их удобнее в рамках тем электротехнических материалов (см. темы 9, 10, 11).

Функционирование отдельных деталей приборов зависит не только от механических, но и от других эксплуатационных свойств, так как спектр воздействий на прибор различных эксплуатационных факторов широк. Если такие воздействия становятся значительными, то определяющим становятся другие эксплуатационные свойства материала. Например, при действии на материал влаги учитывают его свойства влагопоглощения (способность адсорбировать влагу из окружающей среды); водопоглощение (способность абсорбировать влагу объемом вещества).

Жаростойкость характеризует способность материала противостоять химической коррозии при высоких температурах; жаропрочность—способность материала противостоять внешним нагрузкам при высоких температурах; коррозионная стойкость – способность материала противостоять электрохимическому или биологическому разрушению. Способность материала работать под воздействием потоков большой энергии или радиации определяет радиационные свойства материала.

Для материалов различных оптических приборов, элементов оптоэлектроники важными из свойств оптических материалов являются их способность пропускания, отражения, поглощения излучений различной длины волны. Эксплуатационные свойства материалов определяют при соответствующих испытаниях, и оценивают количественными параметрами (показателями).

Технологические свойства определяют пригодность материала к изготовлению из него деталей различными методами обработки при требуемом их качестве, с наименьшими трудозатратами. К ним относятся:

- литейные (жидкотекучесть – способность сплава заполнять литейную форму; усадка – изменение размеров и объема расплавленного сплава в процессе затвердевания и охлаждения; газопоглощение – способность поглощать газы в расплавленном состоянии и выделять их в процессе охлаждения, что приводит к порам; ликвация – образование неоднородностей химического состава в разных частях отливки);

- деформируемость – способность подвергаться обработке давлением различными методами (ковкой, штамповкой, прокаткой и другими);

- обрабатываемость резанием – способность обрабатываться методами со снятием стружки (точение, фрезерование, сверление, шлифование и другие);

- паяемость – способность к соединению деталей пайкой;

- адгезия– сцепление поверхностей разнородных тел (например, клея к склеиваемой поверхности), и другие.

К потребительским относятся свойства материала, определяющие в первую очередь экономичность, безопасность его применения, не загрязнение окружающей среды. Экономические свойства оценивают стоимостью материала , а количественным показателем является оптовая цена, или относительная стоимость в сравнениями с другими материалами.

 

Механические (прочностные) свойства материалов

Многие важные прочностные показатели материалов определяются при статических испытаниях на растяжение по стандартной методике, ГОСТ 1437-84, на… Значения напряженияσ определяют из выражения σ=P/F, где P –… На линейном участке в области упругих деформаций напряжения прямо пропорциональны удлинению. Эта зависимость известна…

Твердость материала

Испытания на твердость – доступный и распространенный вид механических испытаний, так как для многих материалов количественные значения твердости и… Наиболее распространенным испытанием на твердость при вдавливании индентора… При испытаниях на твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) в образец вдавливается закаленный шарик диаметром D под…

Теплофизические свойства

Теплопроводностью называется процесс передачи тепловой энергии от более горячих частей тела к холодным. Микрочастицы твердого тела участвуют в… Количественный показателем теплопроводности является экспериментально… и имеет размерность Вт/м*0К.

Изменение свойств материалов

Повышение прочности материала повышает надежность машин и приборов, снижает расход материала, что приносит значительный экономический эффект.… Повышение прочностных свойств деталей возможно также при использовании… Нитевидные кристаллы обладают прочностью, близкой к теоретической. В них практически отсутствуют дислокации и другие…

Вопросы для самоконтроля

1. Как можно классифицировать свойства материалов? 2. Назвать механические прочностные свойства материалов и как определяют их… 3. Для чего необходимо знать количественные показатели свойств материалов?

Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка

Представлять диффузию как физическое явление, ее связь со структурой и ее дефектами, роль в технологии. Понять назначение ТО, ХТО, сущность… Ключевые моменты темы: необходимо понять механизм диффузии, что такое…  

Теоретические материалы

 

Диффузия

Мерой диффузионной способности служит коэффициент диффузии D, который определяется на основе первого закона Фика: , (1) где: m – количество вещества, диффундирующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени (т.е.…

Термическая обработка

Термической обработкой(ТО) называют процессы, связанные с нагревом, выдержкой и охлаждением металла (материала), находящемся в твердом состоянии, с… Основу ТО определяют процессы аллотропических превращений и изменение взаимной…

Виды и операции ТО

Основные виды ТО – отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей (операций). Режимы ТО определяют основные параметры: температура нагрева, время выдержки, скорость нагрева и охлаждения. При нагреве стали, например, необходимо получить аустенитную структуру, что обеспечивается температурой, на 30…50^°С превышающую температуру критических точек при нагреве А_с1, А_с3, А_ст, рисунок 24. При охлаждении необходимо обеспечить превращение аустенита в желаемую структуру: перлит, сорбит, троостит, мартенсит, что достигается обеспечением требуемой температуры нагрева материала и скоростью его охлаждения.

В общем виде график ТО представлен диаграммой на рисунке 23.

Операции ТО для различных материалов имеют много общего и отличаются, в основном, только режимами. Поэтому рассмотрим их на примере сталей, как наиболее общего и характерного материала для ТО. Операции ТО проводят в твёрдом состоянии, при этом имеют место процессы вторичной кристаллизации.

Отжиг – вид ТО, заключающийся в нагреве сплава до определенной температуры (для стали выше линии GSE, рисунок 24), выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении (часто вместе с печью). В результате отжига сплав приобретает структуру, близкую к равновесной, происходит разупрочнение, повышение пластичности, измельчение зерна, снимаются остаточные напряжения.

В зависимости от требований к сплаву проводят одну из разновидностей операции отжига: нормализацию (устраняется крупнозернистость структуры, выравниваются механические свойства, по стоимости более дешевая операция ТО), рекристаллизационный отжига (снимается наклеп, образование текстуры), диффузионный отжиг (проводят при более высоких температурах и длительной выдержке). В процессе отжига протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации. Компоненты сплава распределяются более равномерно по объему материала.

Для различного сортамента операции отжига выполняются при его изготовлении. Для улучшения обрабатываемости материала операции отжига проводят в начале технологического процесса изготовления детали.

Закалка – вид ТО, заключающийся в нагреве сплава до определенной температуры (для стали – выше линии GSK, рисунок 24), выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении с целью получения неравновесной структуры. Неравновесные структуры материала при ТО получают, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов. Цель закалки – получение высокой твердости, прочности, заданных физико-механических свойств (например, увеличить удельное электрическое сопротивление или коэрцитивную силу в магнитотвердых сплавах).

Возможность упрочнения сплавов путем ТО обусловлена наличием аллотропических превращений в твердом состоянии. В сталях, охлаждая аустенит с различными скоростями (разной степенью переохлаждения), можно получить продукты превращения аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам. На рисунке 25 показаны качественные зависимости влияния скорости охлаждения стали и получаемые при этом закалочные структуры.

Малая скорость охлаждения V₁ приводит к образованию смеси феррита и цементита, называемой перлит (П), с твердостью HRC10, с крупными зернами.

Чем больше скорость охлаждения, тем более мелкодисперсная образующаяся феррито-цементитная смесь.

При охлаждении со скоростью V₂ получается первая закалочная структура, сорбит (С), который также представляет собой смесь феррита и цементита, но отличается от перлита более тонкодисперсным строением, и имеет твердость HRC20. Стали с сорбитной структурой износостойки, используются для изготовления нагруженных деталей.

При охлаждении со скоростью V₃ получается вторая закалочная структура, троостит (Т), которая образуется в результате распада переохлажденного аустенита при 500…550^°С. Обладает значительной упругостью. Твердость троостита порядка HRC40. Сталь со структурой троостита отличается высокими значениями прочности и упругости. Ее применяют для изготовления различных упругих элементов.

При очень быстром охлаждении со скоростью V₅ аустенит превращается в мартенсит (М), который имеет типичную игольчатую структуру. Мартенсит представляет перенасыщенный твердый раствор углерода в a-Fe. Превращение происходит при температуре 911^°С. Гранецентрированная кристаллическая структура g-Fe при 911^°С переходит в ОЦК структуру a-Fe. Освобождающиеся атомы углерода g-Fe приводят к перенасыщению им структуры a-Fe, и появлению закалочных напряжений. Мартенсит – твердая и хрупкая структура, с твердостью HRC 62…66.

Линия M_н на рисунке 25 характеризует начало бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.

Чем больше углерода в стали, тем лучше закалка. При содержании углерода менее 0,2 % сталь практически не закаливается. Скорость охлаждения обеспечивают закалочной средой: водой, растворами солей, расплавами, маслами. Особенно важна скорость охлаждения в интервале температур 650…550^°С, где аустенит менее всего устойчив. Его стараются пройти быстро. В интервале температур 300…200^°С в некоторых сталях образуется мартенсит. Поэтому в этом интервале температур требуется медленное охлаждение, чтобы избежать возникновения трещин и напряжений.

В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной или неполной. При полной закалке сталь переводят в однофазное аустенитное состояние нагревом выше критических температур А_с3 или Ас_ст; при неполной – до межкритических между А_с1 и А_с3(А_Сст). Обратим внимание, что температуры закалки доэвтектических и заэвтектических сталей неодинаковы.

В процессе закалки возможно образование остаточного аустенита, который с течением времени при обычных условиях может превратиться в мартенсит. Это превращение приводит к изменению размеров детали – нестабильности. Для повышения стабильности стали непосредственно после закалки проводят обработку холодом. Охлаждают сплав до температуры порядка минус 70^°С, при этом остаточный аустенит переходит в мартенсит. Обработку холодом применяют, например, при изготовлении шарикоподшипников, режущего инструмента.

Упрочнение сплавов может быть и без аллотропических превращений. В однофазных структурах (например, в твердых растворах с неограниченной растворимостью компонентов, см. диаграмму состояний, рисунок 14), перекристаллизация в твердом состоянии возможна в структурах, которые образуются в состоянии: жидкая фаза одного компонента и кристаллы другого компонента (т.е. между линиями ликвидус – солидус, рисунок 14). Такие сплавы называют стареющими: это сплавы алюминия, никеля и другие.

Отпуск – ТО, заключающаяся в нагреве предварительно закаленных сплавов до определенной температуры (для стали – ниже линии PSK), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью. Цель отпуска – уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости, получение необходимых механических свойств. При отпуске происходит распад мартенсита, выделяется углерод из перенасыщенного твердого раствора стали в виде мельчайших кристалликов карбида железа.

В зависимости от температуры нагрева различают низкий отпуск, средний отпуск, высокий отпуск. Чем выше температура отпуска, тем сильнее проявляются свойства пластичности, вязкости в материале, при одновременном снижении твердости.

Низкий отпуск стали производится при температуре 120…150^°С после закалки инструмента, цементованных, цианированных деталей.

Средний отпуск стали производится при температуре 350…400^°С, при этом снижается твердость. Рекомендуется для упругих элементов.

Высокий отпуск стали производиться при температуре 500…650^°С. Обеспечиваются после него достаточная прочность, вязкость, пластичность. Нагрев при ТО производят в термических печах .

Самопроизвольный отпуск, происходящий в сплаве при простой выдержке при комнатной температуре, или отпуск при очень низких температурах порядка 100…170^°С называется старением, соответственно естественным или искусственным.

 

Химико-термическая обработка

ХТО характеризуется тремя одновременно протекающими процессами: диссоциации (распад молекул диффундирующего элемента до атомарного состояния),… В зависимости от насыщающего элемента к видам ХТО относят цементацию,… Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, сравнительно быстро диффундируют на значительную глубину, образуя…

Вопросы для самоконтроля

2. Основные элементы режима ТО и их роль. 3. Все ли виды сплавов могут подвергаться упрочняющей ТО и почему? 4. Почему при увеличении скорости охлаждения аустенита возрастает твердость продуктов его распада? Назовите эти…

Теоретические материалы

Сплавы железа с углеродом

Общая характеристика железоуглеродистых сплавов

Сплавы железа (Fe) с углеродом (С) – стали, чугуны, являются наиболее распространенными материалами в машино-и приборостроении. Они обладают… Концентрация углерода в сталях не превышает 2.14%. При содержании углерода… С повышением содержания углерода в стали возрастают прочность и твердость, но снижается пластичность и вязкость…

Классификация сталей

 

Стали классифицируют по различным признакам: по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности, назначению, способу получения.

По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от содержания углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (менее 0,3% С), среднеуглеродистые (0,3…0,7% С), высокоуглеродистые (более 0,7% С).

В легированные стали, кроме железа и углерода, вводят легирующие добавки для придания специальных свойств. Основными легирующими элементами являются Mn, Si , Cr, Ni, W, Mo, Co, Ti, V, Zr, Nb и другие, причем концентрация каждого из них в сталях превышает 1%. Легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали.

Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термообработке (прокаливаемость – способность стали закаливаться на определенную глубину. Зависит от химического состава, размеров детали, условий охлаждения).

Кремний способствует получению более однородной структуры, повышает упругие свойства, способствует магнитным превращениям, повышает жаростойкость.

Хром повышает твердость, прочность, при ТО увеличивает глубину прокаливаемости, улучшает жаропрочность, жаростойкость, повышает коррозионную стойкость.

Никель действует аналогично марганцу, а также повышает электрическое сопротивление, снижает ТКЛР, увеличивает пластичность.

Молибден, вольфрам способствуют измельчению зерна, повышают твердость, прочность, теплостойкость стали.

Бор добавляют в стали в микродозах (0,002- 0,005%) для увеличения прокаливаемости. Микролегирование бором эквивалентно введению 1% Ni; 0,5% Cr; или 0,2% Mo.

Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяются на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и другие. По количеству введенного элемента их подразделяют на низко-, средне-ивысоколегированные. Концентрация легирующего элемента составляет, соответственно, мене 5%, от 5 до 10%, более 10%.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественныеиособовысококачественные. Под качеством в рассматриваемом признаке классификации понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства: мартеновские, электропечи, переплавы другие. Однородность химического состава, строения, свойств, и другие во многом зависят от содержания газов и вредных примесей в стали. Так, стали обыкновенного качества содержат до 0,05% S и 0,004% Р, качественные – не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные – не более 0,025% S и 0,025% Р (в обозначении марок таких сталей в конце ставиться буква А), особовысококачественные – не более 0,015% S и 0,025% Р (в обозначении таких марок в конце имеется буква Ш).

По степени раскисления (удаления из жидкого металла кислорода с целью предотвращения хрупкого разрушения при горячей деформации) стали классифицируют на спокойные (раскисляют Mn, Si, Al), полуспокойные (раскисление Mn, Si) и кипящие (раскисление Mn). Кипящие стали более дешевы, но имеют худшие механические свойства в сравнении со спокойными.

При классификации сталей по структуре учитывают ее строение в отожженном и нормализированном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аустенитные и ферритные. Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные – всех классов. Стали аустенитного класса образуются при легировании их в большом количестве Ni, Mn, ферритного класса при введении Cr, Si, V, W и других элементов.

 

Углеродистые стали

Углеродистые стали подразделяют на конструкционные и инструментальные. Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного… Углеродистые стали обыкновенного качества имеют повышенное содержание вредных примесей, их прочностные показатели…

Легированные стали

Легированные стали по назначению разделяют на конструкционные, инструментальные, и стали и сплавы с особыми свойствами. Их производят и поставляют… Маркируют легированные стали буквами и цифрами. По ГОСТ 4543-71 легирующие… Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш (например…

Стали и сплавы с особыми свойствами

В зависимости от основных свойств высоколегированные стали и сплавы по ГОСТ 5632-72 подразделяются на следующие группы: I – коррозионно-стойкие (нержавеющие); II – жаростойкие (окалиностойкие);

Сортамент сталей

– сортовой прокат; – листовой прокат; – трубный прокат;

Вопросы для самопроверки

2. Причины широкого применения сплавов Fe-C. 3. Классификация сталей. 4. Основные структуры (фазы) сплава Fe-C.

Цветные металлы и сплавы

Медь и ее сплавы

Медь обладает хорошими технологическими свойствами, прокатывается в тонкие листы и ленту, паяется, сваривается, из нее получают тонкую проволоку,… По ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки… Из меди марок М00, М0, М1 по ГОСТ 193-79 изготавливают медные слитки. Из медных слитков этих марок и медного сплава с…

Алюминий и его сплавы

Алюминий обладает малой плотностью, хорошей теплопроводностью и электрической проводимостью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью.… Алюминий особой и высокой чистоты применяют для изготовления оксидных… Сплавы алюминия характеризуются высокой удельной прочностью, способностью работать в условиях знакопеременных…

Сплавы магния

Достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность, немагнитность, они не дают искры при ударах и трении, обладают демпфирующими… К недостаткам магниевых сплавов наряду с низкой коррозионной стойкостью,… По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные (обозначаются МЛ) и деформируемые (МА); по…

Титан и его сплавы

Титан имеет две полиморфные модификации: низкотемпературную (до 882оС) − α-Ti, имеющий ГП кристаллическую решетку, и высокотемпературную… Воздействие примесей на титан многообразно. Алюминий, кислород, азот повышают… Отличительными особенностями титана и его сплавов являются хорошие механические свойства, малая плотность, высокая…

Бериллий и сплавы на его основе

Бериллий обладает полиморфизмом и имеет низкотемпературную модификацию α-Ве до температуры 1250оС, ГП кристаллическую решетку; и…   Таблица 3

Вопросы для самоконтроля

2. Дать характеристику углеродистых сталей, их применение, обозначение. 3. Структурные составляющие сплава Fe – C. 4. Дать характеристику углеродистых сталей, их применение, обозначение.

Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы

Методические указания.. В рамках темы в основном рассматриваются конструкционные материалы на основе полимеров, пластмассы, стекла, керамика. Однако… При изучении необходимо получить общее представление о многообразии пластмасс,… Ключевые моменты темы: иметь представление о качественных различиях свойств названных групп неметаллических…

Теоретические материалы

 

Термопластичные и термореактивные пластмассы

Термопластичные пластмассы (термопласты, полимеры) под нагрузкой ведут себя как вязкоупругие вещества. Стандартные испытания на растяжение и удар… Термопласты, как правило, не изменяют механических свойств под действием воды,… Термопласты имеют хорошие диэлектрические свойства и параметры, указанные в таблице 4. Свойства и применения их в…

Керамика, стекла, ситаллы

Керамика и ситаллы имеют наибольшую стабильность структуры и свойств, не подвержены старению и устойчивы к нагреву. В стеклах под влиянием… Керамика по назначению подразделяется на установочную(для изготовления… Керамику классифицируют на пассивную (ее свойства не зависят от внешних воздействий), и активную (ее свойствами можно…

Вопросы для самоконтроля

2. Что объединяет и в чём отличие термореактивных и термопластичных пластмасс? 3. Как можно повысить прочностные свойства пластмасс? 4. Назовите характерные свойства керамик и области их применения.

Теоретические материалы

Проводники имеют малое значение удельного электрического сопротивления, в пределах 10-8…10-5Ом*м, которое возрастает с увеличением температуры;… Полупроводники имеют значение удельного электрического сопротивления в… Диэлектрикиобладают большим значением удельного сопротивления в пределах 108…1016 Ом*м, отдельные их виды обладают…

Энергетические зоны твердого тела

    Согласно квантово-механическому представлению, электроны изолированного атома обладают определенными, квантованными… Взаимодействие атомов, их электромагнитных полей в твердом теле (кристалле)… Так как энергия электронов квантована, то есть они не могут иметь любые, а могут иметь только определенные, значения…

Проводниковые материалы

 

Понятие об электропроводности

Электропроводность характеризует способность материала проводить электрический ток. Закон Ома выражает зависимость плотности тока j от напряженности…  

Электрические свойства и параметры проводниковых материалов

Удельная электропроводность σ имеет размерность сименс на метр (См/м). Величина, обратная σ, называется удельным электрическим… ρ = Ом*м. В различных областях техники удельное электрическое… = 106мкОм*м = 106Ом*мм2/м.

Классификация и характеристика проводниковых материалов

Проводниковые материалы в зависимости от величины удельного сопротивления и применения подразделяют на следующие группы:

1) металлы и сплавы высокой проводимости;

2) сплавы с повышенным и высоким удельным сопротивлением;

3) жаростойкие проводящие материалы;

4) криопроводники;

5) сверхпроводники;

6) материалы для контактов;

7) припои.

Проводниковые материалы кроме высокой удельной проводимости (малого удельного сопротивления) должны иметь достаточную прочность, хорошие технологические свойства, коррозионную стойкость, хорошо свариваться и подвергаться пайке. Практическое применение в приборостроении находят химические чистые металлы Cu, Al, Ag, Au, Sn, Re, Pd, Bi и другие, используемые в качестве проводниковых материалов, материалов покрытий, а также сплавы на их основе: латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы и другие.

Серебро среди всех проводниковых материалов обладает наименьшим удельным сопротивлением (ρ=0,016 мкОм*м), невысокой твердостью НВ25, прочность σ_в~200 МПа и d50%. К недостаткам Ag следует отнести пониженную химическую стойкость и относительно высокую диффузию в материал подложки, на которую оно нанесено. При высокой влажности и повышенной температуре диффузионные процессы усиливаются. Применяется серебро в электротехнике и электронике в качестве материала микропроводников, в контактах, при изготовлении керамических и слюдяных конденсаторов.

Медь является основным проводниковым материалом в приборостроении в силу своих свойств (см. соответствующий раздел темы «Конструкционные материалы»). Отметим, что механические и электрические характеристики меди зависят не только от ее химической чистоты, но существенно и от ее состояния. Твердотянутая медь марки МТ имеет меньшую проводимость и относительное удлинение перед разрывом, но большую механическую прочность и твердость, чем отожженная медь марки ММ. В результате отжига прочность меди марок МТ снижается, но повышается проводимость (подробнее [1,9]). Основное применение меди – токопроводящие жилы обмоточных, монтажных и установочных проводов [10], контакты, детали токопроводящих устройств.

Алюминий, обладая большим сродством к кислороду, легко окисляется на воздухе и покрывается при этом прочной оксидной пленкой, защищающей металл от дальнейшего окисления. Это обуславливает его высокую коррозионную стойкость, но и создает значительные трудности при пайке. По отношению к большинству других металлов алюминий имеет отрицательный электрохимический потенциал, что в присутствии влаги способствует электрохимической коррозии в зоне контакта. Проводниковый алюминий используют для изготовления жил обмоточных, монтажных и установочных проводов, прессованных жил кабелей различного назначения [10].

К сплавам с повышенным (ρ>0,3 мкОм*м) и высоким (ρ>1 мкОм*м) удельным сопротивлением относятся ранее названные медно-никелевые сплавы: манганин, мельхиор, нейзильбер, константан; сплавы с особыми свойствами – никелевые, никель-хромовые, идущие для изготовления различных резисторов (их называют еще резистивные материалы). К материалам с высоким удельным сопротивлением можно отнести и материалы для термопар.

Выпускаются различные марки материалов с повышенным и высоким ρ, а также сортамент в виде полос, прутков, лент, проволоки, трубок.

Основными требованиями к материалам для резисторов являются низкий ТКρ, низкая термоЭДС в паре с медью, высокая стабильность электрического сопротивления во времени. Их применяют для изготовления технических (регулирующих, пусковых реостатов, нагрузочных элементов) и прецизионных (образцовые резисторы, элементы электроизмерительных приборов, катушки сопротивления, шунты, обмотки потенциометров) компонентов схем и приборов. Выпускаемая для изготовления резисторов из различных материалов с высоким удельным сопротивлением проволока имеет диаметр от 0,009…0,012мм и более [4,9,10]. Сплавы на основе благородных металлов кроме высокой коррозионной стойкости имеют малую термоЭДС в паре с медью. Основные параметры сплавов с повышенным и высоким сопротивлением приведены в таблице 7.

Таблица 7

Основные параметры проводниковых материалов

 

Материал	ρ, мкОм*м	ТКρ*10-6,оС-1	термоЭДС в паре с Сu, мкВ/оС	σв, МПа	tраб, оС
Материалы высокой проводимости
Серебро	0,016
Медь	0,017
Золото	0,024
Алюминий	0,028
Материалы с высоким удельным сопротивлением
Нейзильбер МНЦ15-20	0,3…0,32		14,4	350…1100
Манганин МНМц3-12	0,4…0,52	-2…10	1,0	400…540
Константан МНМц40-1,5	0,45…0,52			400…640
Сплав Х15Н60	1,09…1,12		–
Сплав Н80ХЮД-Ви	1,3…1,35		–
Сплав Х21Ю5ФМ-Ви	1,4…1,5		–	>800
Платина-иридий ПлИ-10	0,22..0,24		0,5…5	350…400
Палладий-вольфрам ПдВ-20	0,85…1,1		0,5…5	880…1760
Материалы жаростойкие
Нихром Х20Н80	1,0…1,1	-(110…130)	–
Фехраль Х23Ю5Т	1,3…1,4		–
Хромаль Х13Ю4	1,2…1,35	100…120	–

Жаростойкие проводящие материалы кроме высокого удельного сопротивления имеют высокую рабочую температуру (таблица 7). Это сплавы на основе Cr-Ni (нихромы) и Fe-Cr-Al (фехром, хромали), обладающие повышенной стойкостью к окислению при высоких температурах за счет легирования Al. Их применяют для изготовления нагревательных элементов, пусковых реостатов, работающих в тяжелых условиях. Недостаток фехралей, хромалей – низкие технологические свойства.

С понижением температуры удельное сопротивление в металлах уменьшается (рисунок 29). Однако есть металлы и сплавы, у которых при критической температуре значение ρ резко падает до нуля – материал становится сверхпроводником(рисунок 31).

Переход металла в сверхпроводящее состояние связан с фазовыми превращениями. При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и с ионами кристаллической решетки. Электроны с противоположными спинами спариваются, образуя электронные (куперовские) пары. Результирующий спиновый момент становится равным нулю, и сверхпроводник превращается в диамагнетик. В состоянии сверхпроводимости куперовские пары обладают большой энергией связи, поэтому обмена энергетическими импульсами между ними и решеткой нет, т.е. электронные пары не рассеиваются на узлах кристаллической решетки. Сопротивление материала становится равным нулю.

При повышении температуры до значений, выше критической Т_кр, куперовские пары распадаются, и состояние сверхпроводимости исчезает. Она исчезает также в сильных магнитных полях и при пропускании большого тока (критические значения поля и тока).

Сверхпроводниками являются ниобий, сплавы на его основе. Применяются сверхпроводники для изготовления обмоток мощных генераторов, электромагнитов, туннельных диодов, устройств памяти, при создании магнитных полей большой напряженности, в криогенных гироскопах с магнитным подвесом. В настоящее время получены керамические высокотемпературные сверхпроводники, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах минус 160…168^оС, которая может быть получена с помощью жидкого азота (температура порядка минус 195^оC).

К криопроводникам относятся материалы, которые при охлаждении до температур ниже минус 170^оС приобретают высокую электрическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее состояние. При низкой температуре удельное сопротивление проводника обусловлено, в основном, наличием примесей и дефектами кристаллической решетки, выражение (2). Поэтому криопроводники должны обладать высокой степенью чистоты и отсутствием дефектов кристаллического строения, что можно обеспечить отжигом.

На рисунке 32 приведена температурная зависимость удельного сопротивления особочистых Al, Cu, Be. Наименьшим сопротивлением при температуре жидкого азота обладает бериллий.

 

Однако его использование в качестве криопроводника затруднено вследствие низкий технологичности, дороговизны и токсичности. Криопроводники Al, Cu применяют в основном для изготовления токопроводящих жил кабелей и проводов, работающих при температурах жидких газов водорода (-252^оС), неона (-246^оС) и азота (-196^оС).

Материалы для контактов. Электрические контакты подразделяют на:

-разрывные – периодически замыкают и размыкают электрическую цепь;

-скользящие – осуществляют передачу тока с подвижной части прибора, электрической машины на неподвижную;

-неподвижные – обеспечивают электрическое соединение неподвижных проводников, например, двух контактных проводов с использованием зажимов.

Материалы для контактов должны удовлетворять следующим основным требованиям: иметь малое переходное сопротивление R_пер, высокую коррозионную и эрозионную стойкость, твердость, высокую электро-и теплопроводность, химическую стойкость, износостойкость, не должны свариваться при работе и другие.

В зависимости от электрической мощности разрывные контакты подразделяют на слабонагруженные, I_раб<5A; средне- и высоконагруженные I_раб>(5…15)А. Слабонагруженные контакты изготовляют из благородных металлов Au, Ag, Pt, Pd, их сплавов, а также сплавов Pt+Ru, Pt+Rh, Cu+Ag и других. Они обладают низким переходным сопротивлением и повышенной стойкостью против окисления. Но у них низкое сопротивление эрозионному изнашиванию, поэтому эти материалы можно использовать только в слабонагруженных контактах.

Средне- и высоконагруженные контакты часто изготавливают методом порошковой металлургии на основе вольфрама, молибдена, серебро-оксид кадмия, серебро-оксид меди, медь – графит, серебро – графит, серебро – никель, а также Ag+Ni+C, Ag+W+Ni, Cu+W+Ni и другие. Медная и серебряная фазы в этих композициях обеспечивают высокую тепло- и электропроводность контакта, а тугоплавкая композиция W, Мо – стойкость к механическому износу, электрической эрозии и свариваемости.

Сплавы на основе серебра и окисленной меди (СОМ-10), полученные по особой технологии [1], являются композиционным материалом, и обладают высокой стойкостью к свариванию и электроэрозионному изнашиванию. Применяются в высоконагруженных контактах, как разрывных, так скользящих.

Скользящие контакты должны обладать высокой стойкостью к истирающим нагрузкам, особенно при сухом трении. Не следует использовать один и тот же материал в скользящей контактной паре, так как при этом сильно увеличивается износ.

Наиболее высокими качествами обладают контактные пары, составленные из металлического и графитсодержащего материалов на основе меди (МГ3,МГ5 – соответственно 3 и 5% графита) и серебра (СГ3, СГ5). Медно-и серебрографитовые щетки применяются широко в электрических машинах.

В приборостроении в качестве щеток скользящих контактов применяют проволоку из проводниковых бронз, реже латуней, отличающихся высокой механической прочностью, износостойкостью, упругостью, антифрикционными свойствами и стойкостью к атмосферной коррозии (например, латуни ЛМц58-2, бронзы БрБ2, БрКд1 и другие). Кадмиевые бронзы по электропроводимости близки к электропроводности меди. Для изготовления коллекторных пластин и колец используют медно-никелевые сплавы, твердую медь, а также медь, легированную серебром.

Сплавы, используемые для соединения металлических деталей при помощи расплавленного дополнительного материала, называется припоями. Они используются при пайке с целью получения электрического или механического соединения. Различают припои двух типов: для низкотемпературной (t_пл 400^оС) и высотемпературной (t_пл > 600^оС) пайки. В приборостроении широкое применение для пайки металлов высокой проводимости находят низкотемпературные припои, которые должны иметь небольшое переходное электрическое сопротивление, обеспечивать хорошую смачиваемость поверхности, близкие ТКЛР материала соединяемых деталей и припоя. Этим требованиям отвечают припои на основе олово-свинец (припои ПОС) и олово-цинк (припои ПОЦ). Для пайки меди и ее сплавов применяют припой марок ПОС-30, ПОС-40, ПОС-61 и другие. Цифра показывает процентное содержание олова. Эвтектический сплав ПОС-61 имеет t_пл=183^оС, хорошую жидкотекучесть и широко применяется для пайки в ПС.

Для снижения температуры пайки припой олово-свинец легируют кадмием. Это припои марок ПОСК (t_пл ~ 140…160^oС).

Для пайки алюминия и его сплавов применяют сплавы на основе металлов олово-цинк: ПОЦ90, ПОЦ60 и другие, затвердевающие при темпераурах t_затв ~ 199…250^oC, и имеющие диаграмму состояния эвтектического типа,

Для пайки изделий, не допускающих нагрева до температуры выше 100^оС, используют сплавы висмута со свинцом, оловом, кадмием: сплав Вуда (t_пл = 60^оС), сплав Розе (t_пл = 94^оС) и другие.

При повышенных требованиях к электропроводности и механической прочности соединения при пайке используют припои, легированные серебром: например, ПСр1,5 (1,5% Ag) – температура плавления и затвердевания у них зависит от процентного содержания серебра и изменяется от 225 до 305^оС.

 

Полупроводниковые материалы

К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным сопротивлением в пределах 10-5…108 Ом*м. Их отличительными особенностями от других… – уменьшение удельного сопротивления при увеличении температуры (отрицательный… – введение в полупроводник малого количества примесей резко изменяет его удельное сопротивление (электрическую…

Вопросы для самоконтроля

1. Сущность зонной теории. 2. В чем суть теории электропроводности Друде? 3. Основные параметры электропроводности, их размерности.

Тема 10. Диэлектрические материалы

Ключевые моменты темы: знание физических явлений, определяющих свойства диэлектриков: поляризацию, электропроводность, диэлектрические потери,…  

Теоретические материалы

 

К диэлектрическим (диэлектрикам) относятся материалы, имеющие удельное электрическое сопротивление ρ более 10⁸ Ом*м. На энергетической диаграмме их валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. В диэлектрических материалах преобладает ионный или ковалентный тип химической связи, и практически нет свободных носителей зарядов.

 

Классификация и основные свойства диэлектриков

 

Многообразие диэлектрических материалов отражается и на их классификации по различным признакам.

По агрегатномусостоянию диэлектрические материалы подразделяются на газообразные (различные газы, воздух), жидкие (различные масла), и твердые. В рамках дисциплины будут рассмотрены только твердые диэлектрики.

По назначению диэлектрики подразделяют на:

– собственно диэлектрические материалы – класс электротехнические материалов, предназначенных для использования их различных диэлектрических свойств (большое ρ, поляризацию, диэлектрические потери и другие);

– электроизоляционные материалы – диэлектрики, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей в электротехнических и радиоэлектронных устройствах (основные свойства у них – большие значения сопротивления изоляции R_из, удельного сопротивления ρ, электрической прочности).

По постоянству свойств диэлектрики подразделяют на:

– пассивные – (их свойства стабильны при различных внешних воздействиях);

– активные – (их свойствами можно управлять с помощью различных воздействий энергетического характера, например температуры в пироэлектриках, вызываемыми механическими напряжениями в пьезоэлектриках).

По химическому составу диэлектрики подразделяют на неорганические (слюда, керамика, стекло), органические (полимеры, пластмассы, светотехнические материалы), и элементоорганические, в молекулы которых входят атомы Si, Mg, Al, Ti, Fe и других элементов.

Диэлектрики обладают большим разнообразием свойств, которые определяются природой сил химических связей между частицами, из которых состоит диэлектрик, и их структурой.

Свойства диэлектриков как конструкционных материалов рассмотрены в предыдущих темах. Из многообразия электрических свойств, определяющих их техническое применение, к основным можно отнести:

– поляризацию;

– электропроводность;

– диэлектрические потери;

– электрическую прочность;

– нагревостойкость.

 

Поляризация диэлектриков и ее виды

Ограниченное смещение электрически связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называют поляризацией. Способность диэлектрика к… На рисунке 34 изображен конденсатор с площадью электродов S и расстоянием…

Влияние температуры и частоты на поляризацию

    При низких температурах подвижность частиц и молекул в диэлектриках мала, а силы молекулярного взаимодействия…

Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности

Электронная электропроводность характеризуется перемещением в диэлектрике свободных электронов, дырок (электронных вакансий) и поляронов под… Свободные электроны в диэлектрике поляризуют небольшую область окружающего их… Ионная электропроводность связана с перемещением собственныхи примесныхионов через структурные дефекты диэлектрика:…

Параметры электропроводности диэлектриков и их зависимости

Удельное поверхностное сопротивление ρs численно равно сопротивлению квадрата Rs выделенного на поверхности материала, если ток течет через две… Если к диэлектрику приложить постоянное напряжение, то через него потечет ток… Ток абсорбции по мере установления поляризации постепенно спадает, и через диэлектрик устанавливается мало…

Диэлектрические потери

В диэлектрике под действием приложенного к нему напряжения протекает электрический ток, следовательно, в нем рассеивается энергия. Диэлектрическими… Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при постоянном, так и при… При постоянном напряжении, когда отсутствует периодическая поляризация (влияние поляризации проявляется только в…

Электрическая прочность диэлектриков

Если повышать приложенное к диэлектрику напряжение, то по достижении им определенного критического значения Uпр произойдет потеря диэлектриком… Электрическая прочность зависит от природы материала толщины диэлектрика,… Электрический пробой. Под действием сильного электрического поля в диэлектрике электроны переходят из валентной зоны в…

Нагревостойкость диэлектриков

Нагревостойкость диэлектриков – их способность выдерживать в течение длительного времени нагрев до определенной температуры, сохраняя свои важнейшие… По рекомендации Международной электротехнической комиссии, МЭК,…  

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое диэлектрик и их классификация? 2. Назвать основные свойства диэлектриков. 3. Поляризация, ее основные виды и влияющие на нее факторы. Чем отличаются упругие и неупругие виды поляризации?

Тема 11. Магнитные материалы

Знать классификацию магнитных материалов по природе, назначению, строению, основные свойства и применение МММ и МТМ. К ключевым моментам следует отнести понимание основных свойств магнитных…

Теоретические материалы

 

Общие положения

Магнитными называются материалы, которые применяются в технике с учетом их магнитных свойств и характеризуются способностью накапливать, хранить и… Орбитальный магнитный момент возникает в атомах за счет протекания микротока,… Орбитальные и спиновые магнитные моменты отдельных электронов складываются в результирующие орбитальные и спиновые…

Основные свойства и параметры магнитных материалов

    На рисунке 47 показана энергетическая выгодная доменная структура ферромагнетика с замкнутым магнитным полем. Деление…   Между доменами имеются переходные слои (доменные стенки) шириной в десятые – сотые доли микрометра, внутри которых…

Классификация магнитных материалов и их характеристика

В зависимости от значений магнитных параметров, назначения и применения магнитные материалы можно классифицировать на следующие группы: магнитомягкие, магнитотвердые и специальные магнитные материалы (рисунок 52).

Магнитомягкие материалы (МММ) намагничиваются в слабых полях (Н≤5∙10⁴ А/м), имеют большие значения магнитной проницаемости (µ_нач ~ 10²…10⁵; µ_max ~ 10³…10⁶, малые потери на перемагничивание. Применяются для изготовления сердечников различных катушек, реле, дросселей, электромагнитов, трансформаторов, магнитных систем электрических машин постоянного и переменного тока.

 

 

Рисунок 52. Классификация магнитных материалов

 

Магнитотвердые материалы (МТМ) намагничиваются в сильных магнитных полях (Н > 1000 кА/м), имеют большие потери при перемагничивании, большую коэрцитивную силу (Н_с до 560 кА/м), магнитную индукцию В_r ~ 0,1…2 Тл, удельную магнитную энергию до 70 кДж/м³. Используют МТМ для изготовления постоянных магнитов различной конфигурации.

Специальные магнитные материалы (СММ) имеют какие-то особые магнитные свойства, что предопределяет их относительно узкое применение в каких-то специальных областях техники. Например, материалы с прямоугольной петлей гистерезиса – в вычислительной технике, цифровых устройствах; термомагнитные, имеющие нелинейную зависимость индукции от температуры – в качестве магнитных шунтов. СММ нами не рассматриваются, подробнее в литературе [1,5,8,9].

 

Магнитомягкие материалы

МММ можно подразделить на следующие группы: технически чистое железо (включая низкоуглеродистые нелегированные стали); электротехнические стали;… К материалам, предназначенным для работы в постоянных магнитных полях или в… Легирование малоуглеродистых сталей кремнием увеличивает их удельное сопротивление ρ. Такие стали называют…

Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы (МТМ), в отличие от МММ, имеют большие коэрцитивную силу (от 5 до 600кА/м) и площадь петли гистерезиса, большие потери при… Свойства постоянного магнита определяются характером размагничивающей ветви… Постоянные магниты имеют рабочий воздушный зазор, на разомкнутых концах магнита возникают полюсы, которые и создают…

Вопросы для самоконтроля

1. Объясните причину магнетизма в ферро-и ферримагнетиках. 2. Как классифицируются материалы по магнитным свойствам и назначению? 3. Какие основные параметры характеризуют магнитные материалы?

Теоретические материалы

 

Точность размеров

∆ = Адейст - Аном. За номинальный размер отверстия принят его наименьший размер, вала –… Размеры, получаемые при обработке, должны лежать в заданном интервале размеров. Величина допустимого изменения…

Шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности также характеризует качество поверхностного слоя детали, определяет скорость изменения посадок, коэффициенты трения в… Шероховатость оценивают рядом параметров. Наиболее часто для оценки… Значения параметров Ra и Rz задают и оценивают в микрометрах. Допустимые значения параметров шероховатости…

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое точность и чем она оценивается?

2. Что такое квалитет точности?

3. Как обозначается точность на чертежах?

4. Шероховатость поверхности, параметры ее.

5. Обозначение шероховатости на чертежах.

6. На что влияют точность изготовления и шероховатость поверхности деталей? Привести примеры.

Литература

Основная учебная литература

 

1. Материаловедение: Учебник для вузов. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общей редакцией Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина – 4-е изд., стереотипн. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.: ил.

2. Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюнин В.М. и др. Материаловедение и технология металлов. Учебник для вузов. – М.: Издательство Высшая школа, 2000. –637 с.: ил.

3. Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для вузов. 1-ое или 2-ое издание. – М.: Высшая школа, 2004 или 2007. –519с.:ил.

 

Дополнительная учебная литература

 

4. Справочник конструктора-приборостроителя. Проектирование. Основные нормы – В.Л. Соломахо, Р.И. Томилин, Б.В. Цитович и др. – Минск: Высшая школа, 1988. – 272 с.

5. Электротехнические и конструкционные материалы. Под общей редакцией В.А. Филикова. – М.: Издательство Высшая школа, 2000. – 280 с.

6.Справочник конструктора и технолога. Сост. В.М. Михин, Б.Е. Кобызев и др. – Королев, ЦНИИ МАШ, 2000. – 582 с.

7. Алиев И.И. Электротехнические материалы и изделия. Справочник –М.:Радиософт,2005. – 352 с.

8. Конструкционные материалы: Справочник – Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.: Под общей редакцией Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990. –688 с.

9. Справочник по электротехническим материалам. В 3-х томах. Под редакцией Ю.В. Корицкого и др. 3-е издание. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

10. Справочник конструктора-приборостроителя. Детали и механизмы приборов. – В.Л. Соломахо, Р.И. Томилин, Б.В. Цитович и др. – Минск: Высшая школа, 1990. – 440 с.

Список сокращений и условных обозначений

ГП – гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка ГЦК – гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка КМ – композиционные материалы

Содержание

 

Предисловие………………………………………………………………2

Методические указания по выполнению семестрового задания………3

Теоретический материал

Тема 1. Основные понятия……………………………………………….4

1.1. Общие понятия и определения ……………………………4

1.2. Классификация материалов ……………………………….

1.3. Требования к материалам при их выборе ………………..

Тема 2. Строение металлов ……………………………………………..9

2.1. Кристаллические и аморфные тела ……………………….9

2.2. Строение чистых металлов ……………………………….10

2.3. Кристаллографические направления и индексы ………..12

2.4. Влияние типа химической связи на структуру и свойст-

ва кристаллов …………………………………………………..13

2.5. Дефекты кристаллического строения ……………………15

2.6. Дислокационный механизм пластической деформации ..19

Тема 3. Строение сплавов. Диаграммы состояния…………………….22

3.1. Строение сплавов ………………………………………....22

3.2. Диаграммы состояния двойных сплавов ………………...24

Тема 4. Строение неметаллических материалов ……………………….28

4.1. Строение полимеров ……………………………………….28

4.2. Строение стекол ……………………………………………32

4.3. Строение керамики ………………………………………...33

4.4. Композиционные материалы ……………………………...33

Тема 5. Свойства материалов и их определение ……………………….36

5.1. Классификация свойств и их общая характеристика ……36

5.2. Механические свойства материалов ……………………...39

5.3. Твердость материалов ……………………………………...42

5.4. Теплофизические свойства ………………………………...44

5.5. Изменение свойств материалов ……………………………46

Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка ………………..49

6.1. Диффузия ……………………………………………………43

6.2. Термическая обработка …………………………………….50

6.3. Химико-термическая обработка …………………………...54

Тема 7. Металлические конструкционные материалы …………………56

7.1. Сплавы железа с углеродом ………………………………..56

7.2. Цветные металлы и сплавы ………………………………..66

Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы ………………80

8.1. Термопластичные и термореактивные пластмассы ……...80

8.2. Керамика, стекла, ситаллы ………………………………...83

Тема 9. Электротехнические материалы. Проводниковые и

полупроводниковые материалы …………………………..…...85

9.1. Энергетические зоны твердого тела ……………………..86

9.2. Проводниковые материалы ………………………………87

9.3. Полупроводниковые материалы …………………………96

Тема 10. Диэлектрические материалы …………………………………99

10.1. Классификация и основные свойства диэлектриков .....99

10.2. Поляризация диэлектриков и ее виды ………………….100

10.3. Электропроводность диэлектриков и ее виды …………106

10.4. Диэлектрические потери ………………………………...111

10.5. Электрическая прочность диэлектриков ……………….115

10.6. Нагревостойкость диэлектриков ………………………..116

Тема 11. Магнитные материалы ……………………………………......118

11.1. Общие положения ………………………………………..118

11.2. Основные свойства, параметры магнитных материа-

лов ……………………………………………………….121

11.3. Классификация магнитных материалов и их

характеристика …………………………………………………127

Тема 12. Понятие о точности обработки и шероховатости

поверхности …………………………………...........................136

12.1. Точность размеров ……………………………………...136

12.2. Шероховатость поверхности …………………………...138

Литература ……………………………………………………………....139

Список сокращений …………………………………………………....140

Содержание ……………………………………………………………..141