Материаловедение. Технология конструкционных материалов

 

 

Методические указания

по лабораторным работам по курсу

Материаловедение. Технология конструкционных материалов

для студентов факультетов

Энергетики,

Мехатроники и автоматизации

Новосибирск, 2009 г УДК 621.315.5/61(076)+620.22(076)  

Введение

В толковом словаре русского языка[1] слово «образование» определяется как «получение систематизированных знаний и навыков…». Корень этого слова – «образ» определяется там же, как философское понятие: «результат и идеальная форма отражения предметов и явлений материального мира в сознании человека». То есть, образование, систематизация знаний – это создание в своём сознании цельного образа какой-либо предметной области, в нашем случае – электроэнергетики.

Электроэнергетика, как важнейшая отрасль народного хозяйства, в основе своей имеет оригинальные и разнообразные технические решения и устройства, являющиеся результатом исследований как фундаментальных наук (физики, химии и др), так и прикладных, в первую очередь – теоретической электротехники и материаловедения. Теоретическая электротехника позволяет разрабатывать принципы технических устройств, а материаловедение – создавать эти устройства и успешно их эксплуатировать.

Систематизированные знания и навыки в материаловедении невозможно получить только из книг, лекций и при выполнении письменных заданий. Важнейшей составляющей при формировании адекватного образа электротехнических материалов является выполнение лабораторных работ. Только на лабораторных работах укладываются в единую систему книжные знания и практические навыки, полученные как непосредственными ощущениями при знакомстве с реальными материалами (визуальными, осязательными и т.д.), так и при выполнении измерений параметров этих материалов с использованием измерительной техники.

При постановке лабораторных работ по материаловедению упор был сделан не на методики измерений (хотя без них не обойтись), а на непосредственное знакомство с характеристиками материалов и использованием этих характеристик в практической деятельности. Студент видит реальный материал и с помощью возможно более простых методик и приборов определяет заданные параметры.

При выполнении лабораторных работ студенту предоставляется возможность увязать получаемые результаты с книжными знаниями и основными понятиями, полученными на лекциях и практических занятиях. Для этого в лаборатории имеются справочники по электротехническим материалам, а настоящие методические указания содержат раздел «Основные понятия и свойства материалов, изучаемые на лабораторных работах».

Успешное выполнение лабораторной работы предполагает, в первую очередь соблюдение студентами распорядка и правила безопасности при проведении лабораторных работ. С этих сведений и начинаются методические указания.

Выполнению основной задачи – систематизации знаний поможет и логичное оформление отчёта по проделанной работе. Рекомендации по такому оформлению также приводятся в начале Методических указаний. Следует главное внимание уделить здесь содержательной части, помня, конечно, и о том, что хорошая внешняя форма улучшает содержание.

 

Распорядок и правила безопасности при проведении лабораторных работ

Перед включением лабораторной установки необходимо, руководствуясь методическими указаниями к конкретной лабораторной работе, изучить устройство… При выполнении работы необходимо помнить следующее: l Запрещается прикасаться к частям и органам управления лабораторных установок, кроме тех, использование которых явно…

Описание лабораторных работ

Изучение явления контактной коррозии металлов

Методы измерения. Измерения проводятся при помощи измерительного преобразователя рН-метра МУЛЬТИТЕСТ ИПЛ-301. Прибор позволяет измерять: - потенциалы металлов в водных растворах кислот, солей и оснований по… - водородный показатель среды – рН[2](от 0 до 14);

Определение удельного электрического сопротивления и температурного коэффициента удельного электрического сопротивления металлов

Методы измерения Удельное сопротивление металлов определяется через сопротивление участка проволоки, на котором измеряется падение напряжения при… Сечение проволок определяется по результатам измерений их диаметров. Диаметр… Вначале измерение падений напряжения проводится при малом токе, который практически не нагревает проволоки. Если ток…

Знакомство с диэлектрическими материалами и измерение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь

резина, стеклотекстолит, лакоткань (толщина 0,125 мм),

Контрольные вопросы

1. Что такое "диэлектрическая проницаемость"?

2. Что такое "угол диэлектрических потерь"?

3. Назовите наименования материалов, представленных в образцах к лабораторной работе.

4. Нарисуйте векторную диаграмму, соответствующую параллельной схеме замещения диэлектрика.

5. Нарисуйте векторную диаграмму, соответствующую последовательной схеме замещения диэлектрика.

6. Какой материал более прозрачен: полиметилметакрилат или поливинилхлорид?

7. Как отличается емкость воздушного конденсатора от емкости такого же конденсатора, но с измеренным Вами диэлектриком ?

8. На что расходуется мощность диэлектрических потерь и от чего она зависит?

9. В каких случаях и как неплотное прилегание электрода к образцу (воздушная прослойка) может заметно изменить результаты измерений ?

10. В какую сторону изменяются измеренные значения при увеличении доли проводящих включений в образце (например, сажи в резине)?

11. Чем отличается текстолит от гетинакса?

12. Назовите химические названия оргстекла, винипласта, “синей” изоленты.

13. Назовите значения диэлектрической проницаемости известных Вам твердых диэлектриков.

14. Назовите значения тангенса угла диэлектрических потерь известных Вам твердых диэлектриков.

15. Какое значение емкости получится, если в измерительном конденсаторе установить двухслойный диэлектрик из измеренных образцов?

16. Как будет выглядеть векторная диаграмма, если ее построить по измеренным данным?

 

Снятие основных кривых намагничивания и петель

Гистерезиса ферромагнитных и ферримагнитных материалов

Цель работы Целью работы является изучение магнитных свойств ферромагнитных материалов,… Методы измерений

Определение удельного электрического сопротивления,

Температурного коэффициента удельного электрического

материала – эком   Цель работы

Определение электрической прочности воздуха и

Трансформаторного масла и знакомство с частичными

Цель работы. Провести опыты по определению пробивного напряжения трансформаторного масла и воздуха и рассчитать среднее его значение для этих… В опыте с двухслойным диэлектриком (стекло-воздух), пользуясь полученным…  

Контрольные вопросы

 

1. Дайте определение понятия «твёрдость».

2. Какие методы определения твердости Вы знаете?

3. Чем отличается определение твердости по Бринеллю и по Роквеллу?

4. Объясните процесс измерения твёрдости материалов по Бринеллю.

5. Объясните процесс измерения твёрдости материалов по Роквеллу.

6. Какую роль в процессе измерений играет упругая деформация?

7. Каким образом неровности поверхности материала влияют на показания прибора и почему?

8. Объясните необходимость предварительной нагрузки в 10 кг (метод Роквелла).

9. Что будет, если для сглаживания неровностей образца между ним и измерительным столом поместить мягкую прокладку?

10. Каким значением в методе Бринелля ограничена измеряемая твердость и почему?

11. Из каких условий выбирается диаметр шарика при испытании на твёрдость по Бринеллю?

12. Пример записи твердости по Бринеллю.
13. При замере какой твердости снимается отсчет показании по шкалам A, С, В?
14. Пример формы записи твердости по Роквеллу?

15. Почему у стали обыкновенного качества твердость может быть ниже, чем у пластмассы?

16. Чем интересен титан как конструкционный материал?

 

 

Основные понятия и свойства материалов, изучаемые на лабораторных работах

Общие пояснения

Приступая к выполнению лабораторной работы, студент должен, прежде всего, осознать слова, составляющие заголовок работы. В заголовке, как правило,… Иногда ту или иную лабораторную работу приходится выполнять с опережением, по… Расположение материала в главе выполнено блоками. Все понятия, используемые и изучаемые в той или иной лабораторной…

Удельное электрическое сопротивление

Электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток, обусловленная наличием свободных зарядов в веществе. В электротехнике… . Значение удельной электрической проводимости вещества – γопределяется как произведение суммарного заряда…

Температурный коэффициент

Температурный коэффициент любого параметра «а», ТКа – это значение относительного изменения этого параметра, определяемого при увеличении… при Т2 > Т1. Независимо от размерности параметра (удельное сопротивление, длина и т. д.) размерность температурного коэффициента…

Теплоотдача

Конвекция – перенос теплоты в газах, жидкостях или сыпучих средах потоками вещества. Естественная (свободная) конвекция возникает в поле силы… Теплопроводность – это перенос энергии, осуществляемый в результате… .

Диэлектрическая проницаемость

По своей физической природе диэлектрическая проницаемость – это мера поляризации вещества в электрическом поле. Поляризацией называется смещение под… В случае, когда при поляризации происходит взаимодействие частиц и… Количественно поляризация определяется вектором поляризации Р, равным сумме дипольных моментов q×r в единице…

Диэлектрические потери

Наибольшие потери бывают при переменном электрическом поле, которое с соответствующей частотой меняет направление поляризации, создавая тем самым… - поляризацию диэлектрика, - электропроводность диэлектрика,

Электрическая прочность диэлектриков

Электрической прочностью, Eпр называется средняя напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой. Напряжение, при… где h- толщина диэлектрика (промежуток между электродами, разрядный промежуток). Пробивное напряжение зависит от…

Частичные разряды в диэлектриках

Для возникновения частичного разряда в твердом диэлектрике необходимы два условия: - наличие воздушного включения, напряженность поля в котором выше, чем в самом… - напряжение, приложенное к диэлектрику должно быть достаточным для того, чтобы напряженность поля в воздушном…

Начальная кривая намагничивания

Кривая намагничивания – это зависимость индукции в материале (В) от напряжённости внешнего магнитного поля (Н). Кривая намагничивания является… Ферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все… Ферримагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов образуют в…

Электрохимическая коррозия металлов

Коррозией материала называются химические превращения материала (прежде всего окисление), происходящие при участии внешней среды. Коррозия… По характеру источника энергии. Обеспечивающего протекание этих процессов… - коррозия в неоднородной и влажной грунтовой среде,

Медь

Свинец

Сталь в бетоне

Сталь в грунте

Алюминий

Цинк.

Более благородные металлы имеют по отношению к грунту более высокий электрохимический потенциал, а менее благородные – более низкий. Тот или иной электрохимический потенциал металла по отношению к грунту обусловлен особенностями взаимодействия металла с грунтовой средой. Электрохимические потенциалы измеряются по отношению к стандартным электродам сравнения, электрохимический потенциал которых неизменен.

- Электрокоррозия(коррозия под действием блуждающих токов) происходит в водной и грунтовой средах в зонах, прилегающих к электрифицированному на постоянном токе транспорту (железная дорога, трамвай, метро). Электрокоррозии подвержены обычно протяжённые металлические коммуникации, например, трубопроводы. Схема коррозионных токов показана на рис. 4.8. На рисунке рассмотрен применр, когда вблизи железной дороги, электрифицированной на постоянном токе, проходит воздушная линия электропередачи (ВЛ). Грозозащитный трос этой ВЛ соединён с заземлёнными опорами.

Рис 4.9. Пример распределения блуждающих токов при наличии ВЛ, проходящей вблизи электрифицированной железной дороги

 

Список литературы

1. Справочник по электротехническим материалам: В 3 т. Т.1/ Под ред. Ю.В.Корицкого и др. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 368 с.: ил.

 

2. Справочник по электротехническим материалам: В 3 т. Т.2/ Под редакцией Ю.В.Корицкого и др. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 464 с.: ил.

 

3. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В.Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. – Т.3. – 3-е изд., перераб. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. – 728 с.: ил.

4. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В, Тареев Б.М. Электротехнические материалы: Учебник для вузов. – 7-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. – 304 с., ил.

 

5. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учеб.для вузов. В 2 т. / А.В.Шишкин, В.С.Чередниченко, А.Н.Черепанов, В.В.Марусин; под ред. В.С.Чередниченко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – Т.1. Элементы теоретических основ материаловедения и технологии получения материалов. – 448 с.

6. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учеб.для вузов. В 2 т. / А.В.Шишкин, В.С.Чередниченко, А.Н.Черепанов, В.В.Марусин; под ред. В.С.Чередниченко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – Т.2. Технология получения и обработки материалов. Материалы как компоненты оборудования. – 508 с.

7. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнология» / под ред. В.С.Чередниченко. – 4-е изд. стер. – Москва, Издательство «Омега-Л», 2008, 752 с.

8. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: сборник практических заданий / С.М.Коробейников, С.В.Нестеров, Ю.В.Целебровский, Н.А.Черненко; под общ. ред. Ю.В.Целебровского. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. – 120 с.

 

 

Приложение 1

 

Учебно-научная лаборатория электротехнического материаловедения

 

 

Отчёт

по лабораторной работе

 

(название работы)

 

 

Выполнили студенты гр. ______________

( № группы)

 

______________

(Фамилия, И.О.)

______________

(Фамилия, И.О.)

 

Преподаватель ______________

(Фамилия, И.О.)

 

 

______________

(Дата)

 

Приложение 2

 

Сведения о полупроводящих материалах

П2.1. Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов

(П1) Здесь ni - концентрация носителей заряда i-ого сорта, qi - значение заряда, mi… Большой интерес к полупроводникам вызван возможностью управления их свойствами путем добавления небольших количеств…

П2.2 Резистивные материалы

Графит. Вторым по значению резистивным материалом является графит. Графит – одна из кристаллических модификаций углерода. Это непрозрачный, мягкий,… Помимо чистого углерода известно много модификаций технического углерода. Их… Тот факт, что графит имеет повышенное удельное сопротивление по сравнению с металлами, позволяет применять его в…