ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ И КОНСТРУКЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

минобрнауки россии

государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра «Автоматизированные электроэнергетические системы»

 

 

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ И КОНСТРУКЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

Конспект лекций направление 140200 бакалавриат  

Основные виды поляризации в некоторых газообразных, жидких и твердых диэлектриках

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков

  Q=CU – заряд конденсатора С - ёмкость конденсатора

Виды электропроводности

Электропроводность диэлектриков – это состояние вещества, имеющего в наличие заряженные частицы, находящиеся в электрическом поле. Существует три основных вида электропроводности.

Электронная или металлическая электропроводность. Характерна для металлов и большинства твёрдых диэлектриков, носители зарядов – электроны.

Ионная или электролитическая электропроводность. Носители зарядов – ионы, характерный процесс – электролиз, в результате которого получаются новые вещества.

Молионная или электрофоретическая электропроводность. Носители зарядов группы молекул – молионы. Характерна для коллоидных растворов и суспензий. Результатом характерного процесса является изменение концентраций относительных слоёв жидкости.

Токи в диэлектриках

Сквозной ток - Iскв (ток утечки) обусловлен наличием в диэлектриках указанных в таблице свободных носителей заряда различной природы. В постоянном электрическом поле токи абсорбции могут устанавливаться в течение… Основными характеристиками электроизоляционных материалов являются удельная объёмная проводимость gv и удельная…

Виды диэлектрических потерь

Потери, обусловленные поляризацией. Наблюдаются в веществах с релаксационной поляризацией (диэлектрики с дипольной структурой и диэлектрики с ионной… Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью. Характерны… Ионизационные потери. Характерны для газообразных диэлектриков. Проявляются при напряжённостях поля, превышающих…

Пробой газообразных диэлектриков

Также электрическая плотность зависит от температуры, давления (рис.1.25), расстояния между электродами (рис.1.26). При пробое газа в неоднородном поле возникает частичный заряд в виде короны.…  

Пробой жидкого диэлектрика

Пробой увлажнённой жидкости зависит от содержания воды в жидкости. Вода в жидкости, находящейся в эмульсионном состоянии, образует сферические… Попадание первых капель воды в масло уже приводит к обра­зованию проводящих… В неоднородном электрическом поле влияние влаги выражено слабее, так как капли, концентрируясь в местах повышенной…

Пробой твёрдых диэлектриков

Пробой твёрдого неоднородного диэлектрика. Пробой твёрдого неоднородного диэлектрика характерен для всех технических диэлектриков, содержащих… Высокую электрическую прочность имеют диэлектрики с более плотной структурой,… Тепловой пробой происходит в том месте, где нарушен теплоотвод, то есть условия охлаждения наихудшие. Происходит с…

Механические свойства

Механические свойства характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние статические и динамические нагрузки без недопустимых изменений… Для пластмасс важной характеристикой является сопротивление раскалывания. Для… В большинстве случаев при определении твердости электроизоляционных материалов используется статический метод…

Тепловые свойства диэлектриков

В условиях эксплуатации изоляционным материалам длительное время приходится работать при повышенных температурах. Наименее чувствительна к… В твердых диэлектриках при повышении температуры происходит изменение как… Для многих твердых диэлектриков, в частности различных пластмасс, важно сохранять форму под влиянием механических…

Влажностные свойства диэлектриков

Влажностные свойства диэлектриков: влагопроницаемость, гигроскопичность, смачиваемость. Смачиваемость определяется краевым углом смачивания. Чем меньше угол… Гигроскопичность – это способность диэлектрика впитывать в себя влагу из окружающей среды.

Химические свойства

Кислотное число определяется количеством граммов едкого калия (КОН), необходимого для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 килограмме жидкого диэлектрика. Эта величина позволяет оценивать количество примесей, ухудшающих электроизоляционные и другие свойства диэлектрика.

При соприкосновении различных материалов они могут частично или полностью проникать друг в друга. Этот процесс называется растворимостью. Это свойство важно для оценки стойкости электроизоляционных материалов к действию различных жидкостей, с которыми они контактируют. При соприкосновении с активными химическими веществами электроизоляционные материалы могут вступать с ними в химическое взаимодействие и разрушаться. Химостойкость – это способность диэлектрика противостоять химически активным веществам.

 

Радиационные свойства

Воздействие радиации может привести к молекулярным преобразованиям и химическим реакциям, которые приводят к изменению всех свойств материала:… Отдельным видом ионизирующих излучений можно выделить излучение видимого…  

Трансформаторное масло

Трансформаторное масло, - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 °С до 400 °С. В зависимости от…   Основные физико-химические свойства масла.

Гетероцепные термопластичные смолы.

Наиболее распространенными отечественными видами полиамидов являются капрон и найлон. Для улучшения физико-механических свойств вводят стеклянные волокна, тальк,… Полиимиды. Слабополярный диэлектрик с хорошими электрическими характеристиками. По химическому строению делятся на…

Полярные термопласты

Эти полимеры являются низкочастотными диэлектриками и применяются в электроустановках, работающих при постоянном напряжении или в области низких… Поливинилхлорид (ПВХ):(винипласт) - линейный полярный полимер, полупрозрачный… Применяется для изготовления изоляции, защитных оболочек кабелей, электрических машин и трансформаторов, а также как…

Полимеры, полученные поликонденсацией. Фенолформальдегидные смолы. Эпоксидные смолы. Кремнийорганические смолы.

Фенолформальдегидные смолы –продукт поликонденсации фенола H5C6-OH с формальдегидом H2CO в закрытом котле водного раствора в присутствии… При избытке фенола в присутствии кислотного катализатора (соляной кислоты)… При избытке формальдегида получают термореактивную смолу бакелит. При получении бакелита он проходит сначала стадию А…

Текстильные материалы

Нагревостойкость, гигроскопичность, электроизоляционные и механические свойства текстильных материалов сильно зависит от химической природы и… В электроизоляционной технике текстильные материалы применяют в качестве… ЛЕКЦИЯ №9

Электротехническая керамика

Керамическими называют неорганические материалы, из которых могут быть изготовлены изделия той или иной формы, подвергаемые в дальнейшем обжигу при высокой температуре. В результате обжига в керамической массе происходят сложные физико-химические процессы, благодаря которым готовое (обожженное) изделие приобретает нужные свойства. Ранее керамические материалы изготовлялись на основе глины, образующей в смеси с водой пластичную, способную формоваться массу и после обжига приобретать значительную механическую прочность. Впоследствии появились и другие виды керамических материалов, в состав которых глина входит лишь в очень малом количестве или же совсем не входит.

Многие керамические электроизоляционные материалы имеют высокую механическую прочность, очень малый угол диэлектрических потерь, значительную нагревостойкость и другие ценные свойства. По сравнению с органическими электроизоляционными материалами керамика, как правило, более стойка к электрическому и тепловому старению, не дает остаточных деформаций при продолжительном приложении к ней механической нагрузки. Металлизация керамики (обычно нанесением серебра методом вжигания) обеспечивает возможность осуществления спайки с металлом, что имеет особое значение для создания герметизированных конструкций.

Фарфор.С самого начала развития электротехники фарфор был широко использован как электроизоляционный материал, и по настоящее время он является одним из основных материалов изоляторного производства. Для изготовления фарфора применяют специальные сорта глин (каолин — высококачественная светлая глина большой чистоты, а также другие виды огнеупорных пластичных глин) и минералы кварц SiO₂ и полевой шпат.

Развитие радиоэлектронной промышленности и электротермии вызвало необходимость в новых керамических материалах, обладающих повышенными свойствами по сравнению с фарфором. Разработка этих материалов сперва шла как путем усовершенствования фарфора, так и синтезом керамических материалов совершенно отличного от фарфора состава.

В качестве прогрессивного метода изготовления изделий точных размеров, допускающего широкую механизацию, отметим способ горячего литья из порошка керамического сырья с технологической связкой (например, парафином), удаляемой при обжиге.

Керамика с низкой диэлектрической проницаемостью.Эта группа материалов содержит в виде основной кристаллической фазы кварц, корунд, муллит, цельзиан, клиноэнстатит, форстерит, шпинель, периклаз, анортит, волластонит и циркон.

Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого окисла ВаО. Ультрафарфор, изготовляемый различных марок и представляющий собой дальнейшее усовершенствование радиофарфора, характеризуется большим содержанием Аl₂О₃.. Кроме того, ультрафарфор имеет существенно повышенную по сравнению с обычным фарфором механическую прочность.

Высокоглиноземистая керамика в основном состоит из окиси алюминия (глинозема) Аl₂О₃. Этот материал, требующий сложной технологии изготовления с весьма высокой температурой обжига (до 1750°С), обладает высокой нагревостойкостью (рабочая температура до 1600°С), чрезвычайно высокой механической прочностью и теплопроводностью (его теплопроводность в 10—20 раз выше, чем у фарфора). Значение алюминоксида — порядка 10.

Обладающий особо плотной структурой (его плотность близка к теоретической плотности Аl₂О₃) поликор (за рубежом — люкалокс), в отличие от обычной непрозрачной корундовой керамики, прозра­чен; кроме того, он имеет р на порядок выше, чем непрозрачная глиноземистая керамика. Поликор, в частности, применяется для изготовления колб некоторых специальных электрических источ­ников света.

Стеатит — вид керамики, изготовляемый на основе минерала талька. Таким образом, в то время как обычная керамика (фарфор и его разновидности) состоит в основном из силикатов алюминия, стеатитовая керамика — из силикатов магния. Тальк — хорошо известный минерал, обладающий способностью благодаря его чрезвычайной мягкости легко размалываться в порошок. Стеатитовая керамика обычно изготовляется обжигом массы, составляемой из талькового порошка с некоторыми добавками.

Возможно также изготовлять детали из талькового камня путем его непосредственной механической обработки (которая проста ввиду мягкости материала) с последующим обжигом. Специальные сорта стеатита с особо малым содержанием примесей окислов железа, предназначенные для высокочастотной изоляции, имеют хорошие механические свойства. Преимуществом стеатитовой керамики является также малая усадка при обжиге, позволяющая получать изделия сравнительно точных размеров. К тому же он не нуждается в глазуровке (благодаря плотной структуре) и может сравнительно легко дополнительно обрабатываться шлифовкой. Стеатит широко используется для установочной изоляции в радиотехнической аппаратуре, а также и в силовой электро­технике.

Керамика с высокой диэлектрической проницаемостью.Такая керамика применяется, в частности, для изготовления керамических конденсаторов; такие конденсаторы имеют значительно меньшие размеры и массу.

Двуокись титана существует в различных кристаллических модификациях; одна из них— рутил— имеет в направлении главной кристаллографической оси диэлектрическую проницаемость e=173. В керамических материалах на основе рутила благодаря беспорядочному расположению в пространстве кристаллов рутила и наличию различных добавок диэлектрическая проницаемость получается меньшей указанного значения, но все же превосходящей большинство практически применяемых твердых диэлектриков.

Многие радиокерамические конденсаторные материалы снижают значение  при повышении температуры.

Сегнетокерамика.Сегнетокерамика - это особая группа материалов, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами: резкой зависимостью диэлектрической проницаемости (e=900÷8000) от температуры и напряженности электрического поля, наличием диэлектрического гистерезиса. Первым по времени открытия (академиком Б. М. Вулом) сегнетокерамическим (обладающим сегнетоэлектрическими свойствами не только в виде монокристалла, но и в поликристаллическом состоянии, в виде керамики) материалом, сохранившим весьма большое значение до настоящего времени, был титанат бария BaTiO₃. Добавлением к титанату бария некоторых других материалов (как сегнетоэлектрических, так и несегнетоэлектрических) удается существенно изменять его свойства, и в частности сильно смещать точку Кюри в область более низких или более высоких температур. Весьма большой нелинейностью емкости обладают сегнетокерамические конденсаторные материалы, получившие название вариконды (сокращение слов «вариация» и «конденсатор»).

Слюда– природный минеральный электроизоляционный материал, обладает высокой электрической прочностью, высокой нагревостойкостью, хорошей гибкостью, влагостойкостью, высокими механическими характеристиками. В качестве электрической изоляции в настоящее время применяют два вида минеральных слюд: мусковит K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O и флогопит K₂O·6MgO·Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O, кроме того в состав слюды могут входить другие химические элементы, изменяющие ее свойства. Помимо природных слюд используются также и синтетические. Применяется слюды в качестве изоляции высоковольтных электрических машин, тяговых электродвигателей, в качестве диэлектрика в некоторых конденсаторах, а также для производства слюдяных материалов.

Мусковит– бесцветное вещество, имеет красноватый или зеленоватый оттенок.

Флогопитчаще янтарного, золотистого или коричневого цветов.

Слюдяная изоляция имеет высокую химическую стойкость, причем мусковит более стоек, чем флогопит. Сильные кислоты и щелочи действуют на слюду лишь при значительной концентрации, нагревании и длительном контакте. По электрическим свойствам мусковит является одним из лучших электроизоляционных материалов и превосходит флогопит. Мусковит механически более прочен, гибок, тверд и упруг. При нагревании слюды из нее начинает выделяться вода. При этом слюда теряет свою прозрачность, увеличивается ее толщина, ухудшаются электрические и механические свойства.

Синтетическую слюду, называемую фторофлогопитом, получают в процессе расплавления шихты с последующим медленным охлаждением. Она обладает более высокой химической стойкостью, нагревостойкостью, радиационной стойкостью, чем флогопит.

На основе слюды получают миканиты – листовые или рулонные материалы, полученные в результате склеивания отдельных лепестков слюды с помощью клеящего лака либо иногда сухой смолы на основе бумажной подложки, которая приклеивается либо с одной стороны, либо с двух сторон для увеличения прочности материала. Иногда миканиты прессуются.

Коллекторный миканит - это прессованная слюда флогопит с добавкой небольшого количества связующего вещества, в качестве которого используют лак на основе синтетической смолы. Применяется в электрических машинах для изоляции коллекторных пластин. Прокладочный миканит содержит большее количество связующего вещества по сравнению с коллекторным, обладает меньшей плотностью и более широкими допусками по толщине. Применяется в качестве твердых прокладок в электрических машинах. Гибкий миканит должен формоваться и изгибаться при нормальной температуре. Выпускается в рулонах и листах толщиной 0,15÷0,60 мм. Применяется для междувитковой и пазовой изоляции электрических машин. Жароупорный миканит получают на основе слюды флогопит и нагревостойкого связующего вещества (жидкого стекла, фосфорнокислого аммония). Применяется для изоляции нагревательных приборов.

Микафолий отличается от гибкого миканита тем, что он приобретает гибкость только в нагретом состоянии. Его получают наклеиванием одного и более слоев слюды на бумагу или стеклоткань. Применяют для изготовления различных изоляционных шпилек и стержней.

Слюдиниты по сравнению с миканитами более монолитны и однородны по толщине, имеют более высокую рабочую температуру и электрическую прочность. Для изготовления слюдинитов используют слюдинитовую бумагу. Ее получают из отходов слюды мусковит, которые нагревают до температуры 800°С и обрабатывают содой, серной и соляной кислотами. В результате пластинки расслаиваются на более тонкие и образуется пульпа, которая фильтруется и превращается в слюдинитовую бумагу на специальных бумагоделательных машинах. Сферы применения те же, что у миканитов.

Слюдокерамика получается в процессе обжига спрессованной мелкокристаллической слюды (мусковита и фторфлогопита) со связующим компонентом. Применяют в качестве термостойкой изоляции установочных и вакуумплотных деталей, элементов корпусов полупроводниковых приборов и интегральных схем, изоляторов радиоламп.

Прессмика- плотный материал, который получают горячим прессованием измельченной синтетической смолы без связующего компонента. Применяется для изготовления проходных и антенных изоляторов, конденсаторов, работающих при температурах до 400°С.

Микалекс - высококачественный изоляционный материал, негигроскопичен, огнестоек, может быть подвержен сложной техноло­гической обработке и запрессовке металлических стержней. Получают в результате термической обработки и последующего отжига смеси порошкообразной слюды с боратом свинца или легкоплавким борнобариевым стеклом. Применяют для изготовления плат переключателей, панелей малогабаритных воздушных конденсаторов, гребенок катушек индуктивности.

ЛЕКЦИЯ №10

Общие сведения о строении и свойствах металлов.

Строение металлов. Виды кристаллических решёток. Анизотропия. Полиморфизм.

Дефекты кристаллического строения Точечные дефекты. Линейные и поверхностные дефекты. Влияние дефектов на физико-механические свойства металлов.

 

 

В технике под металлами понимают вещества, обладающие комплексом металлических свойств: характерным металлическим блеском, высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой пластичностью.

Кристаллические решетки.Все вещества в твердом состоянии могут иметь кристаллическое или аморфное строение. В аморфном веществе атомы расположены хаотично, а в кристаллическом — в строго определенном порядке. Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение.

 

 

Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка — это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой расположены атомы. Наименьшая часть кристаллической решетки, определяющая структуру металла, называется элементарной кристаллической ячейкой.

На рис.2.1 изображены элементарные ячейки для наиболее распространенных кристаллических решеток. В кубической объемно-центрированной решетке атомы расположены в узлах ячейки и один атом в центре куба. Такую решетку имеют хром, вольфрам, молибден. В кубической гранецентрированной решетке атомы расположены в вершинах куба ив центре каждой грани. Эту решетку имеют алюминий, медь, никель и другие металлы. В гексагональной плотноупакованной решетке атомы расположены в вершинах и центрах оснований шестигранной призмы и три атома в середине призмы. Такой тип решетки имеют магний, цинк и некоторые другие металлы.

Кристаллизация металлов

  горизонтальный участок с температурой tкр, называемой температурой кристаллизации. Наличие этого участка говорит о…

Точеные дефекты

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей.… Рис.2.1. Точечные дефекты

Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 2.2) а) б)

Основные понятия в теории сплавов.

 

Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения.

В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.

Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз.

Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в оистеме

Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы ( С ). Это правило фаз или закон Гиббса

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится

где: С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры.

 

Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений

Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии… В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы: 1. механические смеси;

Классификация сплавов твердых растворов.

 

По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы:

· с неограниченной растворимостью компонентов;

· с ограниченной растворимостью компонентов.

При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента.

Для образования растворов с неограниченной растворимостью необходимы:

1. изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов;

2. близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %.

3. близость физико-химических свойств подобных по строение валентных оболочек атомов.

При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела, При дальнейшем увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси.

По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы:

· замещения;

· внедрения;

· вычитания.

В растворах замещения в кристаллической решетке растворителя часть его атомов замещена атомами растворенного элемента (рис. 4.4 а). Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

Рис.4.4. Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б)

 

При образовании растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение.

Твердые растворы внедрения образуются внедрением атомов растворенного компонента в поры кристаллической решетки растворителя (рис. 4.4 б).

Образование таких растворов, возможно, если атомы растворенного элемента имеют малые размеры. Такими являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева, углерод, водород, азот, бор. Размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация таких растворов не превышает 2-2.5%

Твердые растворы вычитания или растворы с дефектной решеткой. образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами, узлов в решетке.

К химическому соединению добавляют, один из входящих в формулу элементов, его атомы занимают нормальное положение в решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются, незанятыми.

 

Кристаллизация сплавов.

Основным отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для… В сплавах в твердых состояниях, имеют место процессы перекристаллизации,… Эти превращения называют фазовыми превращениями в твердом состоянии.

Диаграмма состояния.

. Рис. 4.5. Диаграмма состояния  

Структуры железоуглеродистых сплавов

Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов. Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году.… Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое…

Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит. 1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую… В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах…

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов

Линия AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (). На линии HJB при постоянной температуре 14990С идет… На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147o С идет…

Структуры железоуглеродистых сплавов

Особую группу составляют сплавы с содержанием углерода менее 0,02% (точка Р), их называют техническое железо. Микроструктуры сплавов представлены на…  

Медь и ее сплавы

 

Цветные металлы являются более дорогими и дефицитными по сравнению с черными металлами, однако область их применения в технике непрерывно расширяется. Это сплавы на основе титана, алюминия, магния, меди.

Переход промышленности на сплавы из легких металлов значительно расширяет сырьевую базу. Титан, алюминий, магний можно получать из бедных и сложных по составу руд, отходов производства.

Титан и его сплавы

Титан серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см3. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах… Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1 %, имеет… При температуре 882oС титан претерпевает полиморфное превращение, –титан с гексагональной решеткой переходит в – титан…

Алюминий и его сплавы

Алюминий – легкий металл с плотностью 2,7 г/см³ и температурой плавления 660^oС. Имеет гранецентрированную кубическую решетку. Обладает высокой тепло- и электропроводностью. Химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида алюминия Al₂O₃, предохраняет его от коррозии.

Механические свойства: предел прочности 150 МПа, относительное удлинение 50 %, модуль упругости 7000 МПа.

Алюминий высокой чистоты маркируется А99 (99,999 % Al), А8, А7, А6, А5, А0 (содержание алюминия от 99,85 % до 99 %).

Технический алюминий хорошо сваривается, имеет высокую пластичность. Из него изготавливают строительные конструкции, малонагруженные детали машин, используют в качестве электротехнического материала для кабелей, проводов.

 

Алюминиевые сплавы.

Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы.

Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный

По технологическим свойствам сплавы подразделяются на три группы:

· деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой:

· деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой;

· литейные сплавы.

Методами порошковой металлургии изготовляют спеченные алюминиевые сплавы (САС) испеченные алюминиевые порошковые сплавы (САП).

 

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.

 

Прочность алюминия можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняемые термической обработкой, вводят марганец или магний. Атомы этих элементов существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Обозначаются сплавы: с марганцем – АМц, с магнием – АМг; после обозначения элемента указывается его содержание (АМг3).

Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы нагартованные и полунагартованные (АМг3П).

Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.

 

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период.… Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении,… Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют…

Литейные алюминиевые сплавы.

К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий – кремний (силумины), содержащие 10…13 % кремния.

Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.

Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20. Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов и других средне- и малонагруженных деталей, в том числе тонкостенных отливок сложной формы.

 

Магний и его сплавы

Магний – очень легкий металл, его плотность – 1,74 г/см³. Температура плавления – 650^oС. Магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Очень активен химически, вплоть до самовозгорания на воздухе. Механические свойства технически чистого магния (Мг1): предел прочности – 190 МПа, относительное удлинение – 18 %, модуль упругости – 4500 МПа.

Основными магниевыми сплавами являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием. Сплавы делятся на деформируемые и литейные.

Сплавы упрочняются после закалки и искусственного старения. Закалку проводят от температуры 380…420^oС, старение при температуре 260…300^oС в течение 10…24 часов. Особенностью является длительная выдержка под закалку – 4…24 часа.

 

Деформируемые магниевые сплавы.

Магний плохо деформируется при нормальной температуре. Пластичность сплавов значительно увеличивается при горячей обработке давлением (360…520^oС). Деформируемые сплавы маркируют МА1, МА8, МА9, ВМ 5—1.

Из деформируемых магниевых сплавов изготавливают детали автомашин, самолетов, прядильных и ткацких станков. В большинстве случаев эти сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью.

 

Литейные магниевые сплавы.

Литейные сплавы маркируются МЛ3, МЛ5, ВМЛ–1. Последний сплав является жаропрочным, может работать при температурах до 300^oС.

Отливки изготавливают литьем в землю, в кокиль, под давлением. Необходимы меры, предотвращающие загорание сплава при плавке, в процессе литья.

Из литейных сплавов изготавливают детали двигателей, приборов, телевизоров, швейных машин.

Магниевые сплавы, благодаря высокой удельной прочности широко используются в самолето- и ракетостроении.

 

Медь и ее сплавы

Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку. Плотность меди 8,94 г/см³, температура плавления 1083^oС.

Характерным свойством меди является ее высокая электропроводность, поэтому она находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2, М3 и М4 (99 % Cu).

Механические свойства меди относительно низкие: предел прочности составляет 150…200 МПа, относительное удлинение – 15…25 %. Поэтому в качестве конструкционного материала медь применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди.

Различают две группы медных сплавов: латуни – сплавы меди с цинком, бронзы – сплавы меди с другими (кроме цинка) элементами.

 

Латуни.

При сплавлении меди с цинком образуется ряд твердых растворов (рис.21.2). Рис.21.2. Диаграмма состояния медь – цинк

Бронзы

Сплавы меди с другими элементами кроме цинка назаваются бронзами.

Бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. После букв идут цифры, показавающие содержание компонентов в сплаве. Например, марка БрОФ10-1 означает, что в бронзу входит 10 % олова, 1 % фосфора, остальное – медь.

Маркировка литейных бронз также начинается с букв Бр, затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов и ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь.

Оловянные бронзы При сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы. Эти сплавы очень склонны к ликвации из-за большого температурного интервала кристаллизации. Благодаря ликвации сплавы с содержанием олова выше 5 % имеют в структуре эвтектоидную составляющую Э(), состоящую из мягкой и твердой фаз. Такое строение является благоприятным для деталей типа подшипников скольжения: мягкая фаза обеспечивает хорошую прирабатываемость, твердые частицы создают износостойкость. Поэтому оловянные бронзы являются хорошими антифрикционными материалами.

Оловянные бронзы имеют низкую объемную усадку (около 0,8 %), поэтому используются в художественном литье.

Наличие фосфора обеспечивает хорошую жидкотекучесть.

Оловянные бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

В деформируемых бронзах содержание олова не должно превышать 6 %, для обеспечения необходимой пластичности, БрОФ6,5-0,15.

В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными и упругими свойствами, и используются в различных отраслях промышленности. Из этих сплавов изготавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.

Литейные оловянные бронзы, БрО3Ц7С5Н1, БрО4Ц4С17, применяются для изготовления пароводяной арматуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов червячных колес, вкладышей подшипников.

Алюминиевые бронзы, БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л, БрАЖН10-4-4.

Бронзы с содержанием алюминия до 9,4 % имеют однофазное строение – твердого раствора. При содержании алюминия 9,4…15,6 % сплавы системы медь – алюминий двухфазные и состоят из – и – фаз.

Оптимальными свойствами обладают алюминиевые бронзы, содержащие 5…8 % алюминия. Увеличение содержания алюминия до 10…11 % вследствие появления – фазы ведет к резкому повышению прочности и сильному снижению пластичности. Дополнительное повышение прочности для сплавов с содержанием алюминия 8…9,5 % можно достичь закалкой.

Положительные особенности алюминиевых бронз по сравнению с оловянными:

· меньшая склонность к внутрикристаллической ликвации;

· большая плотность отливок;

· более высокая прочность и жаропрочность;

· меньшая склонность к хладоломкости.

Основные недостатки алюминиевых бронз:

· значительная усадка;

· склонность к образованию столбчатых кристаллов при кристаллизации и росту зерна при нагреве, что охрупчивает сплав;

· сильное газопоглощение жидкого расплава;

· самоотпуск при медленном охлаждении;

· недостаточная коррозионная стойкость в перегретом паре.

Для устранения этих недостатков сплавы дополнительно легируют марганцем, железом, никелем, свинцом.

Из алюминиевых бронз изготавливают относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев литьем и обработкой давлением. Из бронзы БрА5 штамповкой изготавливают медали и мелкую разменную монету.

Кремнистые бронзы, БрКМц3-1, БрК4, применяют как заменители оловянных бронз. Они немагнитны и морозостойки, превосходят оловянные бронзы по коррозионной стойкости и механическим свойствам, имеют высокие упругие свойства. Сплавы хорошо свариваются и подвергаются пайке. Благодаря высокой устойчивости к щелочным средам и сухим газам, их используют для производства сточных труб, газо- и дымопроводов.

Свинцовые бронзы, БрС30, используют как высококачественный антифрикционный материал. По сравнению с оловянными бронзами имеют более низкие механические и технологические свойства.

Бериллиевые бронзы, БрБ2, являются высококачественным пружинным материалом. Растворимость бериллия в меди с понижением температуры значительно уменьшается. Это явление используют для получения высоких упругих и прочностных свойств изделий методом дисперсионного твердения. Готовые изделия из бериллиевых бронз подвергают закалке от 800^oС, благодаря чему фиксируется при комнатной температуре пересыщенные твердый раствор бериллия в меди. Затем проводят искусственное старение при температуре 300…350^oС. При этом происходит выделение дисперсных частиц, возрастают прочность и упругость. После старения предел прочности достигает 1100…1200 МПа

 

 

ЛЕКЦИЯ №12

Строение и свойства сплавов.

Основные способы обработки металлов. Термическая обработка. Отжиг. Закалка. Отпуск. Химическая обработка. Азотирование, борирование, цианирование, аллитирование. Термомеханическая обработка. Обработка давлением. Ковка, штамповка, волочение. Сварка, резка, пайка.

Дефекты обработок металлов и сплавов. Мягкие пятна, обезуглероживание, деформация, коробление, перегрев, пережег, низкая твердость.

 

Литейное производство – процесс получения фасонных заготовок в процессе заливки расплавленного металла в литейную форму, внутренняя полость которой с определенным допуском имеет конфигурацию будущей детали. После заливки жидкий металл охлаждается в форме и затвердевает. Полученная деталь называется отливкой. Достоинства литейной технологии - универсальность, экономичность.

Технология получения отливок складывается из следующих основных операций:

· Изготовление литейной формы;

· расплавление металла и заливка его в рабочую полость литейной формы;

· кристаллизация металла в литейной форме и охлаждение отливки4

· выбивка отливки из формы; если форма разовая, то ее разрушают, если металлическая, ее раскрывают;

· обработка прибылей и литниковой системы и при необходимости очистка поверхностей отливки;

· термическая обработка и, как правило, направление на механическую обработок для снятия припуска и получения точных размеров и необходимой шероховатости поверхности.

Все виды литья, применяемые в промышленности, можно разделить по материалу, литейной форме, способу заливки металла в форму, требуемых точности размеров и шероховатости поверхности отливок и по другим признакам.

Литье в песчанно-глинистые формы– наиболее простой и распространенный способ получения литых заготовок. Недостатки такого литья – большие припуски на механическую обработку, низкая производительность и плохие санитарно-гигиенические условия труда.

К специальным видам литья относятся:

Литье в оболочковые формы имеет повышенную точность литейной формы и позволяет снизить припуска механическую обработку. После кристаллизации металла и охлаждения отливки оболочковые формы разрушают.

Литье по выплавляемым моделям позволяет получить отливки сложные по форме, с массой от нескольких грамм до нескольких десятков килограммов. Оливки имеют высокую точность геометрических размеров, малую шероховатость поверхности и небольшую толщину стенок. Полученные отливки не требуют механической обработки. Технология данного литья имеет высокую производительность.

При литье в металлические формы (кокили) литейные формы изготавливают из чугуна или стали и используют их многократно. После кристаллизации металла и охлаждения отливки кокиль раскрывают и из него выталкивается отливка. Основные достоинства – высокая точность размеров и малая шероховатость поверхности отливок; образование мелкозернистой структуры, высокая производительность.

Литье под давлением получают отливки в кокилях, когда при литье и кристаллизации металла применяют значительные давления, что исключают образование пустот и снижает концентрацию поверхностных дефектов. Эти методом можно получить сложные по конфигурации и очень тонкие отливки без последующей механической обработки.

Центробежное литье – это литье в быстровращающиеся литейные формы: металлические, песчаные, оболочковые, по выплавляемым моделям. Под действиям центробежных сил расплавленный металл оттесняется к наружной поверхности формы, глее затвердевает ровным слоем, в результате чего металл в отливке уплотняется и улучшаются его механические свойства.

Обработка металлов резанием- технологические процессы обработки металлов путём снятия стружки, осуществляемые режущими инструментами на металлорежущих станках с целью придания деталям заданных форм, размеров и качества поверхностных слоев. Основные виды: точение, строгание, сверление, развёртывание, протягивание, фрезерование и зубофрезерование, шлифование, хонингование и др. Закономерности обработки металлов резанием рассматриваются как результат взаимодействия системы станок — приспособление — инструмент — деталь.

Термомеханическая обработка металла - пластическая деформация и термическая обработка выполняется главным образом по трем схемам: высокотемпературная (ВТМО), низкотемпературная (НТМО) и предварительная термомеханическая обработка (ПТМО).
ВТМО - термообработка с деформационного нагрева с последующим низким отпуском.

НТМО заключается в нагреве стали до 1000...1100°С, быстром охлаждении до температуры метастабильного состояния аустенита (400...600°С) и высокой степени (до 90% и выше) деформации при этой температуре.

ПТМО характерна простотой выполнения технологического процесса: холодная пластическая деформация (повышает плотность дислокаций), дорекристаллизационный нагрев (обеспечивает полигонизацию структуры феррита), закалка со скоростного нагрева, отпуск.

Химико-термическая обработка — это процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхности стальных деталей за счет насыщения ее различными химическими элементами. При этом достигается значительное повышение твердости и износостойкости поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины.В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

К видам химико-термической обработки относятся цементация, азотирование, цианированиеи некоторые другие.

Цементация — это процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производится путем нагрева стальных деталей при 880-950°С в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают два основных вида цементации — газовую и твердую.

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. При этом повышаются не только твердость и износостойкость, но и коррозионная стойкость. Проводится азотирование при температуре 500-600°С в среде аммиака NН₃ в течение длительного времени (до 60ч.) Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.

Цианирование — это процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом. Проводится цианирование в расплавах цианистых солей NаСN или КСN или в газовой среде, содержащей смесь метана СН₄ и аммиака NН₃. Различают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование. Низкотемпературное цианирование – проводится при температуре 540…600^oС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом.

Нитроцементация – газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.

Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950^oС, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском.

Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.

Диффузионная металлизвция – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.

Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной метализации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH₄Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL₂ образуется соединение хлора с металлом (AlCl₃, CrCl₂, SiCl₄), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная метализацияпроводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная метализация проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Сварку применяют для получения неразъемного соединения деталей при изготовлений изделий, машин и сооружений из металла.

Газовая сварка относится к сварке плавлением. Процесс газовой сварки состоит в нагревании кромок деталей в месте их соединения до расплавленного состояния пламенем сварочной горелки.

Аргонно-дуговая сварка – выполняется горелками , позволяющими окружать электрическую дугу завесой из инертного газа аргона, подводимого к горелке из баллона.

Электродуговая сварка – сварка электрической дугой производиться вручную или автоматически под флюсом.

Контактная электросварка – осуществляется путем электрического нагрева мест соединения металлов при одновременном действии сжимающей силы, направленной перпендикулярно к плоскости соединения. Контактная электросварка делится на:
- стыковую (сопротивлением - без расплавления металла в зоне стыка; оплавлением – концы деталей в месте возникновения электрического контакта нагреваются до оплавления, затем сжимаются);
- точечную (двухсторонняя – две и более детали сжимаются между электродами точечной машины; односторонняя – ток, протекающий во вторичной цепи трансформатора, распределяется между верхним и нижним листами, сварка осуществляется током, протекающим через нижний лист, усиленным медной прокладкой).

 

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры. Различают следующие виды термической обработки: отжиг, закалка и отпуск.

Отжиг - вид термической обработки, заключающийся в её нагреве до определённой температуры, выдержки при этой температуре и медленном охлаждении. Цели отжига - снижение твёрдости и улучшение обрабатываемости стали; изменение формы и величины зерна, выравнивание химического состава, снятие внутренних напряжений. Существуют различные виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, отжиг на зернистый перлит, нормализация.

Полный отжиг.Полный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей. При этом происходит полная перекристаллизация стали и уменьшение величины зерна. Исходная структура из крупных зерен феррита и перлита при нагреве превращается в аустенитную, а затем, при медленном охлаждении, в структуру из мелких зерен феррита и перлита. Повышение температуры нагрева привело бы к росту зерна. При полном отжиге снижается твердость и прочность стали, а пластичность повышается.

Неполный отжигпроизводится, если исходная структура не очень крупнозерниста или не надо изменить расположение ферритной (в доэвтектоидных сталях) или цементитной (в заэвтектоидных сталях) составляющей. При этом происходит лишь частичная перекристаллизация — только перлитной составляющей стали.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) заключается в нагреве стали до 1000-1100°С, длительной выдержке (10-15 часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате диффузионного отжига происходит выравнивание неоднородности стали по химическому составу.

Рекристаллизационный отжиг предназначен для снятия наклепа и внутренних напряжений после холодной деформации и подготовки структуры к дальнейшему деформированию. Нагрев необходимо осуществлять выше температуры рекристаллизации.

Низкий отжиг применяется в тех случаях, когда структура стали удовлетворительна и необходимо только снять внутренние напряжения, возникающие при кристаллизации или после механической обработки.

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизацию) применяют для сталей близких к эвтектоидному составу или для заэвтектоидных.

Нормализация состоит из нагрева стали, выдержки при этой темпе ратуре и последующего охлаждения на воздухе. Более быстрое охлаждение

по сравнению с обычным отжигом приводит к более мелкозернистой структуре.

Закалка — это вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем быстром охлаждении. В результате закалки повышается твердость и прочность, но снижается вязкость и пластичность.

Для достижения высокой скорости охлаждения закаливаемые детали погружают в воду (для углеродистых сталей) или минеральные масла (для легированных сталей).

Способность стали закаливаться называется закаливаемостью. Она характеризуется значением твердости, приобре­таемой сталью после закалки и зависит от содержания углерода. Стали с низким содержанием углерода (до 0,3%) практически не закаливаются и закалка для них не применяется.

Отпуск стали — это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и охлаждении. Цель отпуска — получение равновесной структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности. Различают низкий, средний и высокийотпуск.

Низкий отпуск проводится при температуре 150-200°С. В результате снимаются внутренние напряжения, происходит некоторое увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твердости.

При среднем отпуске производится нагрев до 350-450°С. При этом происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшении сопротивляемости действию ударных нагрузок.

Высокий отпуск проводится при 550-650°С. В результате твердость и прочность снижаются значительно, но сильно возрастают вязкость и пластичность и получается оптимальное для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Применяется для деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок.

Улучшение.Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных сталей.

Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стальных деталей и быстрого охлаждения с целью получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое в сочетании с вязкой сердцевиной. Существуют различные способы нагрева поверхности под закалку — в расплавленных металлах или солях, пламенем газовой горелки, лазерным излучением, током высокой частоты.

Индукционная закалка.При нагреве токами высокой частоты закаливаемую деталь помещают внутри индуктора, представляющего собой медные трубки с циркулирующей внутри для охлаждения водой.

 

Дефекты обработки металлов

Обезуглероживание– выгорание углерода с поверхности детали, происходит при окислении стали. Приводит к резкому снижению прочности, может вызвать… Перегрев – образование крупнозернистой структуры стали при нагреве выше… Пережогможет возникнуть в результате нагрева при еще более высоких температурах и длительной выдержке металла при…

Сверхпроводники

Температуру, при охлаждение до которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется температурой сверхпроводящего перехода.При… С точки зрения термодинамики сверхпроводники делятся на 3 класса. Сверхпроводники первого рода.Для них характерно скачкообразное изменение удельной теплоёмкости и определенная…

Контактные материалы

К неподвижным контактам относятся цельнометаллические (сварные или паяные) зажимные (болтовые, винтовые) соединения. Цельнометаллические соединения… Размыкающие контакты обеспечивают периодическое замыкание и размыкание… В качестве контактных материалов для слаботочных размыкающих контактов кроме чистых тугоплавких металлов (вольфрама,…

Тугоплавкие металлы

Молибден.Молибден применяют в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам. Механическая прочность молибдена в большой…

Благородные металлы

Серебро– белый блестящий металл, стойкий к окислению при нормальных условиях. Имеет наименьшее удельное сопротивление при нормальной температуре… Платина— металл, практически не соединяющийся с кислородом и весьма стойкий к… Палладий по многим свойствам близок к платине и в ряде случаев служит её заменителем. Палладий используют в…

Электрические свойства материалов

Полупроводниками являются сложные соединения различных элементов.таблицы Д. И. Менделеева, соответствующие общим формулам: двойные (бинарные)… Как и в металлах, электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом… Собственные полупроводники.Полупроводник, в котором в результате разрыва связей образуется равное количество свободных…

Компенсированные полупроводники.Полупроводник с акцепторными примесями называется дырочным полупроводником или р-типа. В полупроводниках могут одновременно содержаться донорная и акцепторная примеси. Такие полупроводники называются компенсированными.

СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТОГО ГЕРМАНИЯ.

 

Германий.Содержание германия в земной коре невелико, около 7·10-4%. В результате химической переработки исходного сырья образуется тетрахлорид германия, который путем дальнейших операций переводят в диоксид германия (GеО2) — порошок белого цвета. Диоксид германия восстанавливается в водородной печи при температуре 650—700°С до элементарного германия, представляющего собой серый порошок. В некоторых случаях порошок германия получают непосредственно из GеС14 путем разложения этого соединения при высокой температуре в атмосфере паров цинка. Порошок германия подвергают травлению в смеси кислот и сплавляют в слитки. Слитки германия используют в качестве исходного материала для получения особо чистого германия методом зонной плавки или же для непосредственного получения монокристаллов методом вытягивания из расплава (метод Чохральского).

Германий, использующийся в производстве полупроводниковых приборов, подразделяется на марки, отличающиеся легирующими примесями, значением удельного сопротивления и диффузионной длины не основных носителей заряда. Для изготовления полупроводниковых приборов слитки германия распиливаются на пластинки, поверхность которых протравливается для устранения дефектов обработки.

При плавлении удельная проводимость германия возрастает скачком примерно в 13 раз. При дальнейшем нагреве удельная проводимость сначала почти не изменяется, а начиная от температуры 1100°С — падает. В момент плавления германия происходит увеличение его плотности на 5—6%.

Германий применяется для изготовления выпрямителей переменного тока различной мощности, транзисторов разных типов. Из него изготовляются преобразователи Холла и другие, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, токов и мощности и т. д. Оптические свойства германия позволяют использовать его для фототранзисторов и фоторезисторов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн. Внутренний фотоэффект в германии наблюдается и при поглощении средних и быстрых электронов, а также при торможении элементарных частиц больших масс. Германиевые приборы должны быть защищены от действия влажности воздуха.

Кремний, как и германий, относится к ковалентным кристаллам четвертой группы таблицы Менделееева и имеет кубическую решетку типа алмаза. Это один из наиболее распространенных элементов земной коры (около 30%). Технический кремний (около одного процента примесей) получают в электрических печах восстановлением его оксидов углеродсодержащими веществами. Затем химическим путем образуют легколетучие хлористые соединения кремния, например трихлорсилан (SiHС13), представляющий собой жидкость с температурой кипения около 32°С. После тщательной дополнительной очистки трихлорсилан с потоком водорода поступает в камеру восстановления, в которой на нагретые электрическим током до 1250°С кремниевые стержни — затравки оседает чистый поликристаллический кремний. Процесс ведут до получения нужного диаметра стержня (в настоящее время до 300 мм). Выращивание объемных монокристаллов кремния осуществляют методами вытягивания из расплава и бестигельной зонной плавки. При этом имеются трудности. Температура плавления кремния значительно выше температуры плавления германия и близка к температуре размягчения труб, изготовленных из кварцевого стекла. Из этих труб в стержень может попасть кислород и другие примеси. Кроме того, кремний реагирует с углеродом, а потому зонную плавку стержня приходится вести без графитовой лодочки и не в кварцевых трубах, а в камерах из тугоплавких металлов. При вертикальном расположении стержня в процессе бестигельной зонной плавки узкая расплавленная зона удерживается вследствие большого поверхностного натяжения расплавленного кремния и малой плотности этого вещества. Коэффициент диффузии различных примесей в кремнии возрастает с повышением температуры. Электропроводность кремния, как и германия, очень сильно зависит от концентрации примесей. Температурная зависимость удельного сопротивления для кремния n-типа аналогична кремнию р-типа.

В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, фотоэлементов, тензопреобразователей и твердых схем микроэлектроники. При использовании кремния верхний предел рабочей температуры приборов может составлять в зависимости от степени очистки материала 120—200 °С, что значительно выше, чем для германия.

Селен— элемент шестой группы таблицы Менделеева. Его получают на заводах при электрической очистке меди. Селен существует в нескольких разновидностях — как аморфных, так и кристаллических, разных цветов.

Удельное сопротивление селена изменяется в очень широких пределах 1—1011 Ом·м и зависит от рода и концентрации примесей, температуры, освещенности. Селен обычно является дырочным полупроводником.

Примеси галогенов (хлор, бром, йод) уменьшают удельное сопротивление селена, если концентрация этих примесей меньше 5·10-4 % по массе. При дальнейшем увеличении содержания этих примесей сопротивление возрастает. Примеси теллура, ртути и ряда других металлов увеличивают сопротивление технически чистых образцов селена. Из селена изготовлялись фотоэлементы и выпрямители. В настоящее время применение селена существенно сократилось.

Электропроводность полупроводников. Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, то есть способность проводить электрический ток под воздействием постоянного (не изменяющегося во времени) электрического напряжения. Если полупроводник находится в электрическом поле с напряженностью Е, то имеющиеся в нем свободные носители заряда приобретают под действием этого поля направленное движение. Такое упорядоченное движение электрических зарядов и есть электрический ток.

В собственном полупроводнике носителями заряда являются свободные электроны и дырки, концентрации которых одинаковы. При наличии внешнего электрического поля плотность электронной составляющей тока, который протекает через собственный полупроводник, то есть число электрических зарядов, переносимых за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению электрического поля,

, (3-1)

где q=1,6·10^-19 - заряд электрона, Кл; n - концентрация электронов зоны проводимости, м^-3; v_n - средняя скорость упорядоченного движения электронов, возникшая под действием электрического поля (дрейфовая скорость), м/с.

Обычно скорость v_n пропорциональна напряженности поля:

, (3-2)

где m_n - коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью, м²/(В·с).

С учетом формулы (3-2) уравнение (3-1) можно представлять в виде закона Ома в дифференциальной форме:

,

где - удельная электрическая проводимость полупроводника, обусловленная электронами, См/м; r=1/g - удельное электрическое сопротивление, Ом·м.

Аналогично, дырочная составляющая плотности тока для собственного полупроводника:

,

где p- концентрация дырок валентной зоны, м^-3; _p - подвижность дырок, м²/(В·с). Удельная электрическая проводимость полупроводника, обусловленная дырками

.

Суммарная плотность тока через собственный полупроводник

.

Удельная электрическая проводимость собственного полупроводника

.

В примесном полупроводнике при комнатной температуре примесь полностью ионизирована и, следовательно, проводимость определяется свободными подвижными носителями заряда, электронами и дырками в n- и р- полупроводниках соответственно:

,

,

где n_n и р_р - концентрация основных носителей заряда электронов и дырок соответственно.

Так как концентрация и подвижность свободных носителей заряда зависят от температуры, то и удельная проводимость также зависит от температуры.

Фотопроводимость полупроводников. Перевод электрона в свободное состояние или образование дырки может осуществляться также под воздействием света. Энергия падающего на полупроводник света передается электронам. При этом энергия, передаваемая каждому электрону, зависит от часто­ты световых колебаний и не зависит от яркости света (силы света). С увеличением яркости света возрастает число поглощающих свет электронов, но не энергия, получаемая каждым из них. Энергия фотона

,

где h - постоянная Планка; v - частота световых колебаний; , -длина волны падающего света, выражаемая в микрометрах.

Фотопроводимость полупроводника определяется как разность удельной электропроводности при освещении и в темноте:

.

Темновая электропроводность . Электропроводность полупроводника при действии на него света , где n - дополнительное число электронов, образовавшихся в по­лупроводнике вследствие облучения его светом. Таким образом, фотопроводимость .

Освобожденные светом электроны находятся в зоне проводи­мости очень короткое время (10^-3...10^-7 с). При непре­рывном освещении полупроводника устанавливается динамичес­кое равновесие между образующимися дополнительными (нерав­новесными) носителями и уходящими на нижние уровни, т.е. устанавливается динамическое равновесие между процессами ге­нерации носителей заряда и их рекомбинацией.

С понижением температуры уменьшается темновая проводимость, служащая фоном, на котором появляется фотопроводимость, поэтому значение фотопроводимости возрастает.

 

ЛЕКЦИЯ №16

Полупроводники

Физические процессы в полупроводниках и их практическое применение.

Термоэлектрические явления в полупроводниках. Эффекты Зеебека, Томпсона, Пельтье.

Электромагнитные явления в полупроводниках. Эффект Холла.

Вентильные свойства полупроводников. Пробой р-n перехода.

С точки зрения применения в электротехнике к важнейшим относятся эффекты выпрямления, усиления (транзисторный эффект), Холла, Ганна, фотоэлектрический, термоэлектрический.

Электронно-дыцрочный p-n переход. Выпрямительными свойствами обладает лишь p-n переход и контакт полупроводника с другими металлами. p-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. На рисунке показан нерезкий p-n переход для разомкнутой цепи. В цепи с переменным электрическим полем p-n переход работает как выпрямитель. На рисунке показана вольт-амперная характеристика p-n перехода, которая описывается выражением

J=J_s ^. (e^qU/kT-1) ,

где J_s - ток насыщения (при обратном включении p-n перехода этот ток равен обратному току); U - приложенное напряжение; q/kT=40 В^-1 при комнатной температуре.

Эффектом Холла называется возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в проводнике или полупроводнике, по которым проходит электрический ток, при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока.

Если в магнитное поле с индукцией B поместить проводник или электронный полупроводник, по которому течет электрический ток плотности j, то на электроны, движущиеся со скоростью v в магнитном поле, действует сила Лоренца F, отклоняющая их в определенную сторону. На противоположной стороне скапливаются положительные заряды.

В дырочном полупроводнике знаки зарядов на поверхностях меняются на противоположные.

Поперечное электрическое поле препятствует отклонению движущихся заряженных частиц магнитным полем. Образующаяся разность потенциалов:

Dj = R (BI /d),

 

где I - сила тока; d - линейный размер образца в направлении вектора B; R - постоянная Холла.

Напряженность поперечного электрического поля определяется соотношением Е_п = R (B · j).

Наиболее часто датчики Холла изготовляют на основе селенида и теллурида ртути (HgTe,HgSe), антимонида индия (InSb) и других полупроводниковых материалов в виде тонких пленок или пластинок. С их помощью возможно измерение магнитной индукции или напряженнности магнитного поля, силы тока и мощности, а при подведении к контактам переменных напряжений - и преобразование сигналов. По измерению ЭДС Холла можно определить знак носителей заряда, рассчитать их концентрацию и подвижность.

Эффект Ганна - относится к эффектам сильного поля и заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник электрического поля высокой напряженности.

Впервые этот эффект наблюдался на арсениде галлия GaAs и фосфиде индия InP. На основе этого эффекта разработаны приборы, генерирующие в диапазоне частот до сотен гигагерц.

К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводниках относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томпсона.

Эффект Зеебека.Сущность явления 3еебека состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников или полупроводника и металла, возникает ЭДС, если между концами этих материалов существует разность температур. Один конец спая нагрет до температуры T₁, а другой - до Т₂, пусть Т₂ > T₁. При этом в цепи обнаруживается электродвижущая сила – термоЭДС

,

где a - коэффициент термоЭДС, который определяется материалами двух ветвей.

Рассмотрим процесс образования термоЭДС на примере однородного полупроводника, у которого один из концов нагрет больше, чем второй. Свободные носители заряда у горячего конца имеют более высокие энергии и скорости, чем у холодного. У горячего конца полупроводника свободных носителей больше, чем у холодного. Поэтому поток свободных носителей от горячего конца к холодному больше, чем от холодного к горячему. Если концентрация свободных электронов и дырок в полупроводнике или их подвижности не одинаковы, то концы полупроводников противоположно заряжены.

В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются электроны, поток их от горячего конца к холодному больше, чем от холодного к горячему. В результате этого на холодном конце накапливается

отрицательный заряд, на горячем остается нескомпенсированный положительный. Возникшее электрическое поле вызывает поток электронов от холодного конца к горячему.

Стационарное состояние устанавливается при равенстве этих потоков электронов. У дырочного полупроводника на холодном конце возникает положительный заряд. Таким образом, по знаку термоЭДС можно судить о типе электропроводности полупроводника.

Эффект Пельтье.Эффект, обратный явлению Зеебека, называют эффектом Пельтье. Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников или полупроводника и металла происходит поглощение или выделение теплоты в зависимости от направления тока.

Количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в контакте, пропорционально значению протекающего тока I:

,

где Q_П - теплота Пельтье; t - время прохождения тока; П - коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих материалов, температуры и направления тока.

Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование, управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры.

Термоэлектрические устройства отличаются простотой управления, возможностью тонкого регулирования температуры, бесшумностью, высокой надежностью работы. Основной недостаток термоэлектрических устройств- малая величина эффективности, что не позволяет их использовать для промышленного получения «холода».

Эффект Томпсона.Эффект Томпсона заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении тока в однородном материале, в котором существует градиент температур. Наличие градиента температур в полупроводнике приводит к образованию термоЭДС. Если направление внешнего электрического поля совпадает с электрическим полем, обусловленным термоЭДС, то не вся энергия, поддерживающая ток, обеспечивается внешним источником, часть работы совершается за счет тепловой энергии самого полупроводника, в результате чего он охлаждается. Применяются в бытовых и транспортных холодильниках, термостатах, для охлаждения и термостатирования термочувствительных элементов.

При смене направления внешнего электрического поля оно со­вершает дополнительную работу, что приводит к выделению теплоты дополнительно к теплоте Джоуля.

Теплота Томпсона

где t - коэффициент Томпсона.

 

 

ЛЕКЦИЯ №17

Магнитные материалы.

Классификация магнитных материалов. Диамагнетики. Парамагнетики. Ферромагнетики. Антиферромагнетики. Ферримагнетики.

Магнитные свойства. Магнитная анизотропия. Магнитострикция. Магнитная проницаемость. Магнитные потери. Основная кривая намагничивания. Петля гистерезиса

Все материалы, помещённые в магнитное поле, приобретают магнитный момент. Магнитные свойства характеризуются следующими характеристиками: магнитной индукцией B [Тл], магнитной проницаемостью , коэффициентом магнитной восприимчивости k_m- безразмерная величина, характеризующая способность к намагничиванию данного вещества, намагничиваемостью I [А/м], напряжённостью магнитного поля Н [А/м].

Намагничиваемость любого вещества в магнитном поле I можно определить как отношение суммарного магнитного момента M материала к единичному объему V:

I =M/V.

Намагничиваемость пропорциональна напряжённости:

I=k_m·H.

Магнитная индукция в веществе складывается из двух значений:

,

где- относительная магнитная проницаемость.

По магнитному строению и значению магнитной проницаемости (восприимчивости) материалы подразделяются на: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, ферримагнетики, антиферромагнетики.

Диамагнетизм– это свойство вещества намагничиваться навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля (в соответствии с законом электромагнитной индукции и правилом Ленца). Диамагнетизм свойственен всем веществам, но в «чистом виде» он проявляется у диамагнетиков.

Диамагнетики имеют m< 1 (материал «сопротивляется» магнитному полю) - вещества, в которых в "чистом" виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи. Магнитный момент, возникающий при этом эффекте, направлен навстречу внешнему полю. Для диамагнетиков k_м » - (10 ^{- 6} - 10 ^{- 7}), μ < 1. k_м слабо изменяется от температуры. Диамагнетизм присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими типами магнитного состояния.

Примерами диамагнетиков являются все вещества с ковалентной химической связью, щелочно-галлоидные кристаллы, неорганические стекла,, полупроводники-соединения А^IIIВ^V, А^IIВ^VI, кремний, германий, бор и др.,; ряд металлов: медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.; водород, азот, вода, нефть и др.

Парамагнетизм– это свойство веществ, называемых парамагнетиками, которые, будучи помещены во внешнее магнитное поле, приобретают маг нитный момент, совпадающий с направлением этого поля.

Атомы и молекулы парамагнетиков в отличие от диамагнетиков имеют собственные магнитные моменты. При отсутствии поля ориентация этих моментов хаотична (из-за теплового движения) и суммарный магнитный момент вещества равен нулю. При наложении внешнего поля происходит частичная ориентация магнитных моментов частиц в направлении поля, и к напряженности внешнего поля Н добавляется намагниченность J: В = ₀(Н+J). Индукция в веществе усиливается.

Парамагнетики > 1 (материал слабо воспринимает магнитное поле) – вещества с нескомпенсированными магнитными моментами и отсутствием магнитного атомного порядка. Магнитный момент парамагнетика равён нулю. Под действием внешнего поля из-за преимущественной ориентации магнитных моментов в направлении поля появляется намагниченность. Для парамагнетиков k_м > 0, μ < 1. k_м парамагнетиков в большинстве случаев сильно зависит от температуры. При комнатной температуре k_м » 10 ^{- 6} - 10 ^{- 3}.

К парамагнетикам относятся щелочные и щелочно-земельные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов, кислород, окись азота, Al, Na, Mg, Та, W, СаO и др.

Ферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты атомов в определенном объеме вещества (домене) параллельны, что обусловливает самопроизвольную намагниченность домена. Появление магнитного порядка связано с обменным взаимодействием электронов, имеющим электростатическую природу (закон Кулона). В отсутствии внешнего магнитного поля ориентация магнитных моментов различных доменов может быть произвольной, и рассматриваемый объем вещества может иметь в целом слабую или нулевую намагниченность. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов ориентируются по полю тем больше, чем выше напряженность поля. При этом изменяется значение магнитной проницаемости ферромагнетика и усиливается индукция в веществе.

Ферромагнетики обладают m>> 1 (магнитное поле в материале усиливается) – вещества, в которых ниже температуры Кюри Т_к наблюдается магнитная упорядоченность соответствующая параллельному расположению спинов в макроскопических областях даже в отсутствие внешнего магнитного поля. k_м ферромагнетиков (также как и μ) достигает больших положительных значений, сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, некоторые сплавы марганца, серебра, марганца, алюминия и др. При низших температурах некоторые редкоземельные элементы - гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий. Сплавы RCo₅, где R - редкоземельный элемент (Sm, Се или Рr).

Возникновение магнитных свойств у ферромагнетиков связывается с их строением. Домены - это области самопроизвольной намагниченности, возникающие даже в отсутствии внешнего магнитного поля, в которых магнитные моменты атомов ориентированы параллельно.

Антиферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества ориентированы антипараллельно, и в отсутствии внешнего магнитного поля суммарная намагниченность вещества равна нулю. Антиферромагнетик в отношении магнитного строения можно рассматривать как частный случай ферримагнетика, в котором магнитные моменты подрешеток равны по модулю и антипараллельны. Магнитная проницаемость антиферромагнетиков близка к 1.

Антиферромагнетики > 1 (материал слабо реагирует на магнитное поле, хотя по магнитной структуре схож с ферримагнетиками) – характеризуются антиферромагнитным атомным порядком, возникающим из-за антипараллельной ориентации одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков k_м = 10^-3 - 10^-5 сильно зависит от температуры. При нагревании магнитная упорядоченность исчезает при температуре, называемой точкой Нееля (антиферромагнитная точка Кюри).

К антиферромагнетикам относятся хром, марганец, церий, самарий и др. Химические соединения на основе металлов переходной группы окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и др. MnSe, FeCl₂, FeF₂, CuCl₂, MnO, FeO, NiO. В состав ферримагнетиков обязательно входят атомы ферромагнетиков.

Диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнетики относятся к слабомагнитным материалам, а ферромагнетики и ферримагнетики – к сильномагнитным материалам.

Ферримагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов образуют в определенном объеме вещества (домене) магнитные подрешетки атомов или ионов с суммарными магнитными моментами не равными друг другу и направленными антипараллельно. Ферримагнетизм можно рассматривать как наиболее общий случай магнитоупорядоченного состояния, а ферромагнетизм как случай с одной подрешеткой.

Ферримагнетики m>>1 (магнитное поле в материале усиливается, но магнитная структура материала отличается от структуры ферромагнетиков) – вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Как и антиферромагнетизм ферримагнетизм существует при температуре не выше точки Нееля, выше этой температуры ферримагнетики переходят в парамагнитное состояние.

К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные металлические сплавы и различные оксидные соединения, наибольший интерес среди которых представляют ферриты МnО • Fe₂О₃, ВаO • 6Fе₂O₃, (NiO • ZnO) Fe₂O₃, Li₂O(Fе₂O₃) и др.

 

 

ЛЕКЦИЯ №18

Магнитные материалы различного назначения.

Магнитомягкие материалы. Легированные стали. Железо. Кремнистая электротехническая сталь. Пермаллои. Альсиферы. Области применения.

Магнитотвёрдые материалы. Металлокерамические и металлопластические магниты. Магнитотвердые ферриты. Сплавы на основе редкоземельных материалов.

Заключение. Перспективные направления разработки новых высококачественных материалов. Прогрессивные тенденции рационального выбора материалов. Оценка применения материалов на основе экономического анализа.

 

Материалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств, разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.

Термины «магнитомягкие» и «магнитотвердые» не относятся к механическим свойствам материала. Некоторые механически твердые материалы являются магнитомягкими, а механически мягкие материалы могут относится к магнитотвердым. Основанием для деления магнитных материалов на магнитомягкие и магнитотвердые являются следующие особенности. Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают одинаково: на первом этапе происходит смещение границ доменов, на втором – вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на третьем парапроцесс. Согласно кривой намагничивания смещение границ доменов требует меньших энергетических затрат, чем процессы вращения магнитных моментов и парапроцесс. В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ доменов. Магнитотвердые материалы намагничиваются преимущественно за счет вращения векторов намагничивания и парапроцесса.

Форма петли гистерезиса обеих групп материалов, индукция насыщения B_s и остаточная индукция В_с примерно одинаковы, однако разница в коэрцитивной силе Н_с достигает очень большого значения. Так, для магнитотвердых материалов наибольшая коэрцитивная сила Н_с=800 кА/м, а для магнитомягких материалов наименьшая коэрцитивная сила Н_с=0,4 А/м, т.е. различие составляет 2*10⁶ раз.

Исходя из различий в коэрцитивной силе условно принято разделение на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы имеют малое значение коэрцитивной силы Н_с, поэтому способны намагничивания до насыщения даже в слабых магнитных полях. Они обладают следующими свойствами:

Узкая петля гистерезиса небольшой площади при высоких значениях индукции и небольшой коэрцитивной силой Н_с<4 кА/м (см.рис. 5.3, а,б,в);

Однородность структуры;

Минимальные механические напряжения;

Минимальное количество примесей и включений;

Незначительная кристаллографическая анизотропия.

Магнитомягкие материалы с округлой петлей гистерезиса применяют для работы в низкочастотных магнитных полях. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса применяют для изготовления устройств магнитной памяти.

Магнитотвердые материалы имеют большие значения коэрцитивной силы Н_с, трудно намагничиваются, но способны длительное время сохранять намагниченность. Они обладают широкой петлей гистерезиса с большой коэрцитивной силой Н_с>4 кА/м (рис 5.3, г) и наличием однодоменных структур, возникающих в небольших объемах магнитного вещества.

Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоянных магнитов.

Особую группу составляют материалы особого назначения, которые имеют сравнительно узкую область применения.

Низкочастотные магнитомягкие материалы

Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из… Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах выбирают… Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств, как во времени, так и по…

Магнитные материалы различного назначения.

  К магнитотвердым материалам относятся магнитные материалы с широкой петлей… Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются коэрцитивная сила Нс, остаточная индукция Вс,…

Высокочастотные магнитомягкие материалы

По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитодиэлектрики и ферриты. Кроме того, при звуковых,… Магнитодиэлектрики – это фактически высокочастотные магнитные пластмассы, в… mмд = 1/ (1/mф + V/3)

Магнитные материалы специализированного.

  Сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости при… Сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости от температуры. Сюда относят сплавы колмаллои (Cu, Ni),…

Перспективные направления разработки новых материалов.

I. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

Разрабатываются теоретические основы создания новых типов сталей, сочетающих высокую прочность со специальными физико-химическими свойствами.… - суперпрочные, устойчивые в условиях действия динамических нагрузок,… - стали со "сверхравновесным" содержанием азота, мартенситного и аустенитного классов;

II. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДЫ.

 

Разрабатываются теоретические основы создания нового класса легких(3,6‑3,7 г/см^3­) жаропрочных и жаростойких материалов на основе интерметаллидов для работы при более высоких температурах, чем это возможно для современных "суперсплавов", в следующих направлениях:

- построение диаграмм состояния;

- упорядочение, электронное строение;

- структурное и фазовое упрочнение.

Проводятся прикладные исследования по разработке технологии получения материалов на основе интерметаллидов для авиакосмической техники, энергомашиностроения, таких как:

- алюминиды никеля (Ni_3­Al, NiAl);

- алюминиды титана (Ti₃Al, TiAl);

- алюминиды ниобия (Nb₃Al, NbAl).

III. ПОКРЫТИЯ И МАТЕРИАЛЫ, ФОРМИРУЕМЫЕ НАПЫЛЕНИЕМ.

Разрабатываются плазменные и ионно-плазменные методы нанесения покрытий и получения материалов с отличающимися от исходных материалов физико-химическими свойствами вследствии протекания плазмохимических реакций и быстрой

закалки материала покрытия:

- теплозащитные покрытия, в том числе для лопаток газотурбинных двигателей;

- покрытия с особыми физическими

- полуфабрикаты композиционных материалов;

- декоративные ионно-плазменные покрытия, в том числе на керамике.

IV. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ (ВТСП).

 

Решаются фундаментальные и технологические проблемы, в том числе:

- кристаллоструктурные исследования ВТСП‑материалов, изучение процессов пиннинга;

- разработка основ технологии ВТСП-материалов с высокими электричес­кими и магнитныими характеристиками;

- поиск новых ВТСП‑композиций с оптимальными значениями критических параметров;

V. АМОРФНЫЕ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ.

 

Проводятся теоретические исследования и лабораторные испытания новых аморфных и нанокристаллических материалов, в том числе с использованием явления объемной аморфизации металлических сплавов при их затвердении. Для практического применения разрабатываются:

- аморфные сплавы тугоплавких металлов с повышенными термоэмис­сионными свойствами и электрической прочностью;

- магнитомягкие аморфные сплавы;

- термостойкие микрокристаллические материалы‑поглотители излучения в микроволно­вом диапазоне;

- объемно-аморфизируемые металлические сплавы на основе систем "интерметал­лид-интерметал­лид" с высокими упругими и трибологическими своствами;

- нанокристаллические сплавы для приборостроения;

- высококоррозионные аморфные сплавы;

- градиентные и нанокомпозитные материалы.

VI. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

Разрабатываются теоретические основы создания новых композиционных материалов (КМ), в следующих направлениях: - совместимость компонентов КМ: термодинамика и химия контактных явлений в… - особенности механизмов деформации и разрушения КМ;

VII. ПОРОШКИ И ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

 

Разрабатываются плазмохимические и химико-металлургические технологические процессы получения высоко- и ультрадисперсных порошков (средний размер частиц - 10-100 нм). Разрабатываются технологии изготовления материалов и изделий на основе получаемых порошков и их композиций, в том числе:

- металлов (Ni, Fe, Cu, W, Mo, Co, Nb, Ta);

- оксидов (Al₂O_3­, ZrO₂, TiO₂, Y₂O­_­5);

- нитридов и карбонитридов (TiN, NbN, AlN, Si₃N₄, TiCN, NbCN);

- карбидов- TiC, NbC, B₄ C, WC, TaC,

SiC);

- металлокерамики (Ni-Al₂O₃, Ni-ZrO₂, TiC-NbC-Ni, WC-Co);

- металл-углеродных композиций (W-C, Mo-C, Fe-C, W-Co-C);

- сфероидизирован­ных порошков (W, Al₂O₃, TiC);

- плакированных порошков (Al_2­O₃+W, ZrO₂+W, W+Cu).

VIII. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

 

Теоретические и прикладные исследования, направленные на создание полупроводниковых материалов для микроэлектроники с использова­нием методов выращивания монокристаллов на космических аппаратах и в магнитных полях, таких как:

- однородные монокристаллы твердых растворов халькогенидов висмута и сурьмы;

- механически прочные монокристаллы висмут - сурьма;

- высокочистые монокристал­лы карбида кремния кубической модификации;

- поликристаллические слои карбида кремния кубической модификации высокой чистоты;

- монокристаллы антимонида индия;

- исследование электронно-дырочных p-h переходов в кристаллах антимонида индия.