Материаловедение. Материалы презентация

г. Нижний Новгород, ул. Лескова, 68, т. [phone]
Автозаводская высшая школа управления и технологий
Очная и заочная форма обучения
- Автомобили и автомобильное хозяйство
- Автомобиле- и тракторостроение
- Технология машиностроения

Литература
1. Дудкин А.Н., Ким В.С.
Электротехническое материаловедение. Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2004 (2000). - 198 с.
2. Дудкин А.Н.
Руководство к лабораторным работам по электротехническим
материалам. - Томск: Изд. ТПУ, 2000 (1993).
3. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М.
Электротехнические материалы. – Л.: Энергия, 1977 (1985 г.).
4. Справочник по электротехническим материалам.
Под ред. Ю.В. Корицкого, т.1 - 1984, т.2 - 1987, т.3 - 1988.

5. Корицкий Ю. В.
Электротехнические материалы. Изд. 3-е.- М.:Энергия, 1976.
6. Тареев Б.М.
Электрорадиоматериалы.- М.: Высшая школа, 1978. - 336 с.
7. Пасынков В.В., Сорокин В.С.
Материалы электронной техники.- М.: Высш. шк., 1986.
8. Д.Д. Мишин Магнитные материалы.- М.: Высш. шк., 1991.
9. Шалимова К. В.
Физика полупроводников. Изд. 2-е.- М.: Энергия, 1976.
10. Б.М. Яворский, А.А. Пинский
Основы физики, т.2.- М.: Наука, 1972.

План лекции
Введение
Основные сведения о строении вещества
Классификация электротехнических материалов
Общие характеристики электротехнических материалов

1. ВВЕДЕНИЕ
Материаловедение - прикладная наука о связи состава, строения и свойств материалов. Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии.
Материаловедение относится к числу основополагающих учебных дисциплин для студентов специальностей приборного и энергетического профиля. Это связано с тем, что применение и разработка новых материалов являются основой современного производства
Целью изучения дисциплины «Электротехническое материаловедение» является формирование знаний и принципов использования электротехнических материалов в устройствах электротехники и электроэнергетики.

Задачей дисциплины является изучение современной классификации электротехнических материалов и взаимосвязи их основных характеристик со структурой и процессами, происходящими в них при воздействии электромагнитного поля, тепла, влажности, химически агрессивных сред и других технологических эксплуатационных факторов.
1. ВВЕДЕНИЕ

Перечень дисциплин, предшествующих изучению данной дисциплины:
- химия;
- физика;
- математика;
- электротехника.
Перечень смежных дисциплин:
- электрические машины;
- перенапряжение и изоляция в электроустановках;
- электрические аппараты.
1. ВВЕДЕНИЕ

материалы
спец.
назначения
конструк-ционные
электро-технические
магнитное поле
электрическое поле
проводники
полупроводники
диэлектрики
слабо-магнитные
сильно-магнитные
ферро-магнетики
ферри-магнетики
диамагнетики
парамагнетики
антиферро-магнетики

Машиностроение
Электрические машины, электромоторы, электрогенера-торы, электротурбины, электро-насосы и многие другие узлы и детали изготавливают из констру-кционных и электротехнических материалов.

Строительство
Конструкционные и электротехнические материалы
применяются в промышленном и гражданском строительстве при изготовления каркасов зданий, ферм и др. конструкций.

Электротехника
Конструкционные и электротехни-ческие материалы используют в электротехнической промышленности для изготовления электрических машин, кабелей, шинопроводов, магнитопроводов конденсаторов, полупроводниковых выпрямителей переменного тока.

Электротехнические материалы
Конструкционные материалы
это
материалы,
при
использовании
которых
основными
являются
механические
свойства
и
которые
в
электротехнических
изделиях
выполняют
вспомогательные
функции.
это
материалы,
характеризуемые
определёнными
свойствами
по
отношению
к электромагнитному
полю
и применяемые
в технике
с учётом
этих
свойств.

Строение вещества
Все вещества в природе состоят из мельчайших частиц
«молекул»
Молекулы состоят из еще меньших частиц
«атомов»
Атом является сложной мельчайшей частицей состоящей из
«протонов»
«нейтронов»
«электронов»

Строение вещества
Протон имеет положительный электрический заряд
Нейтрон не имеет электрического заряда, то есть он нейтрален
Электрон имеет отрицательный электрический заряд

Виды связи

Виды связи
Дипольная молекула характеризуется электрическим дипольным моментом

Типы кристаллических решеток
кубическая объемно центрированная, ее имеют α-железо, хром, вольфрам, ванадий;
кубическая гранецентрированная, ее имеют γ-железо, медь, алюминий;
гексагональная, ее имеют бериллий, кадмий, магний и другие металлы.

Виды связи
Поляризационная связь, или связь Ван-дер-Ваальса (Молекулярная связь)

Электрический заряд
Существует два рода электрических зарядов
«положительные»
«отрицательные»
и
Тела, имеющие заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются

Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов
Металлические изделия являются поликристаллами

Кристаллическое строение металлов
Атомная плоскость (111) золота
Изображение получено в сканирующем туннельном микроскопе

Кристаллическое строение металлов
Кончик заостренной вольфрамовой иглы.
Изображение в автоионном микроскопе.
Отдельные атомы видны как светлые пятна.
Граница зерна показана стрелками.
Увеличение X 3 460 000

Кристаллическое строение металлов
Силы притяжения и отталкивания Энергия связи при расстоянии уравновешены при расстоянии между атомами d0 минимальна
между атомами d0

Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов
Кубическая объемно-
центрированная решетка (ОЦК)

Кристаллическое строение металлов
Кубическая гране-
центрированная решетка (ГЦК)

Кристаллическое строение металлов
Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ)

Кристаллическое строение металлов
Плотная укладка атомов в металле (решетка ГПУ)

Кристаллическое строение металлов
кубическая объемно центрированная, ее имеют α-железо, хром, вольфрам, ванадий;
кубическая гранецентрированная, ее имеют γ-железо, медь, алюминий;
гексагональная, ее имеют бериллий, кадмий, магний и другие металлы.

Атомиум в Брюсселе
Это здание – гигантская модель объемно-центрированной решетки железа – главного металла цивилизации

Кристаллографические плоскости и их индексация

Дефекты кристаллических решеток
Схематическое изображение точечных дефектов кристаллической решетки:
а) – вакансия, б) – дислоцированный атом, в) – примесный атом.

Классификация конструкционных
материалов
Кривые нагрева и охлаждения:
а) кристаллического вещества б) аморфного вещества (стекла)

Взаимосвязь структуры
и свойств
Монокристалл
Al2O3 прозрачен.
Плотный поли-
кристалл Al2O3
полупрозрачен.
Пористый поли-
кристалл Al2O3
совершенно
непрозрачен.

Взаимосвязь между структурой и свойствами

Взаимосвязь основных понятий

Классификация электротехнических материалов

Зонная теория твердого тела

Зонная теория твердых тел
Зонные энергетические диаграммы различных твердых веществ:
а - проводник; б - полупроводник; в - диэлектрик.
ЗП
ВЗ
ЗЗ
ЗП-зона проводимости, ЗЗ-запрещенная зона, ВЗ-валентная зона

Если ΔW равна или близка к нулю, то электроны могут перейти на
свободные уровни благодаря собственной тепловой энергии и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относят к проводникам.
Если значение запретной зоны превышает несколько электрон-вольт (1 эВ - энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1В), то для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия. Такие вещества отно­сят к диэлектрикам.
Если значение запретной зоны составляет 0,1...0,3 эВ, то электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимости благодаря внешней энергии. Вещества с управляемой проводимостью относят к полупроводникам.

Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, характеризующая способность материала проводить электрический ток под воздействием постоянного электрического поля, т. е. поля, напряжение которого не меняется во времени.
Электропроводность характеризуется удельной электрической проводимостью γ и удельным электрическим сопротивлением ρ:
где J - плотность тока;
γ - удельная электрическая проводимость, См/м;
Е -напряженность электрического поля, В/м;
ρ = 1/γ - удельное электрическое со­противление, Ом*м.
Зонная теория твердого тела

Сила взаимодействия вещества с магнитным полем оценивается безразмерной величиной - магнитной восприимчивостью
где М - намагниченность вещества под действием магнитного поля ,
Н - напряженность магнитного поля
Магнитные материалы

Слабомагнитные материалы
- Диамагнетики
- Парамагнетики
Сильномагнитные материалы
- Ферромагнетики
- Антиферромагнетики
Магнитные материалы

Магнитные материалы

Основные кристаллографические
направления и плоскости
а – направления; б, в, г – плоскости
а
б
г
в

Магнитные материалы

Намагничивание и размагничивание ферромагнетика сопровождается изменением линейных размеров и формы кристалла. Это явление называется магнитострикцией.
Магнитострикция материала оценивается константой магнитострикции (магнитострикционная деформация насыщения)
где - относительное изменение линейных размеров образца, м;
l0- первоначальная длина образца, м.
Магнитные материалы

Металл – один из главных конструкционных материалов

Добыча и обогащение железной руды

Металлургический комплекс –производит разнообразные металлы

Металлургия состоит из двух отраслей – черной и цветной

Черная металлургия – производит сталь и ее сплавы.

Сортаменты конструкционных марок стали

Механические свойства проводниковых материалов.

Механические свойства, определяемые при статических нагрузках
а – диаграмма растяжения пластичного металла; б – образцы испытуемого металла на прочность и пластичность
при растяжении до испытания и после испытания
а б

Маркировка и микроструктура сталей

Схемы макроструктур слитков
а – типичная; б – транскристаллическая;
в – однородная мелкозернистая

Основные операции обработки металлов давлением
а – прокатка; б – прессование; в – волочение; г – ковка; д – штамповка объемная; е – листовая штамповка
а
б
в
е
д
г

Схемы пластической деформации
а – скольжение; б – двойникование
а
б

Схема сдвига на один параметр решетки верхней части зерна относительно его нижней части
при движении дислокации
через всю плоскость скольжения

Изменение микроструктуры поликристаллического металла при деформации
а – исходное состояние (ε = 0 %); б – ε = 1 %; в – ε = 40 %; г – ε = 80–90 %
а
б
в
г

Схемы изменения микроструктуры металла при деформации (прокатке)
а – холодная прокатка; б – горячая прокатка
а
б

Схемы объемно-напряженного состояния
при обработке металлов давлением

Испытания металлов на прочность.

3.1.Прочность материала
Прочность материала - это способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок.
Материалы испытываются на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг, кручение, истирание, а также совокупность этих нагрузок.
Прочность материалов характеризуется пределом прочности.
Пределом прочности (МПа) называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение образца. Предел прочности определяют опытным путем, используя при этом гидравлические прессы или разрывные машины и стандартные образцы материала.

Рис.3.1.Гидравлические стенды для испытания образцов

Рис.3.2. Испытание образца оконного блока

Рис.3.3. Разрушение болта при его растяжении с помощью резьбы и гайки.

Механические свойства, определяемые при статических нагрузках
а – диаграмма растяжения пластичного металла; б – образцы испытуемого металла на прочность и пластичность
при растяжении до испытания и после испытания
а б

К основным характеристикам предела прочности относятся :
разрушающее напряжение при растяжении σр.
разрушающее напряжение при сжатии σс.
разрушающее напряжение при статическом изгибе σи.

3.2. Разрушающее напряжение при растяжении σр.
Определяется на образцах определенной формы
( см. рис.3.4. )
Образец растягивают в специальной машине с гидравлическим приводом.
При разрушении образца фиксируют разрушающее усилие Р
На рисунке :
1 - образец.
2 - захваты.

Разрушающее напряжение подсчитывают по формуле :
Где : σр- разрушающее напряжение при разрыве ( Н /м2 )
Рр - разрушающее усилие при разрыве образца ( Н ).
S - площадь поперечного сечения образца ( м2 ).

Вид образцов при разрушении

3.3. Разрушающее напряжение при сжатии σс
Определяется на образцах , имеющих форму цилиндра или куба.
Обычно это цилиндр высотой 15 мм и диаметром 10 мм. Образец располагают между плитами испытательного пресса , к которым прикладывают сжимающую нагрузку до момента разрушения образца.
На рисунке :
1 - стальные плиты пресса.
2 - образец.

Разрушающее напряжение вычисляют по формуле :
Где : σ с - разрушаюшее напряжение при сжатии ( Н /м2 )
Рс - разрушающее усилие при сжатии образца ( Н )
S - площадь поперечного сечения образца ( м2 )

Испытание бетона на сжатие.

разрушенные образцы

3.4. Разрушающее напряжение при статическом изгибе σи
Определяется на образцах, представляющих собой бруски прямоугольного сечения.
Образец в испытательной машине свободно опирается на две стальные опоры. Изгибающее усилие прикладывается к сере- дине образца через стальной наконечник .
На рисунке :
1 - стальной наконечник.
2 - образец.
3 - стальные опоры.

Разрушающее напряжение изгиба определяется по формуле :
Где: σи - напряжение при изгибе ( Н /м2 )
Р - разрушающее усилие при изгибе(Н) .
L - расстояние между стальными опорами в испытательной машине ( м ).
b - ширина образца ( м ).
h - толщина образца ( м ).
Для большинства материалов в качестве образца при меняют бруски сечением
10 на 15 мм. и длиной 120 мм.

Разрушение металлизированного шланга при изгибе
Разрушение вставки изолятора

Действие разрушающих сил при изгибе кирпича

Испытания металлов на твердость.

Испытание на твердость — простой и быстрый способ проверки прочности металлического материала в условиях сложно напряженного состояния.
В производстве наиболее широко применяют
метод Бринеля (вдавливание стального шарика),
метод Роквелла (вдавливание алмазного конуса или стального шарика),
метод Виккерса (вдавливание алмазной пирамиды), .

9.1. Суть способа определения твердости методом Бринелля (твердость НВ) заключается в вдавливании стального закаленного шарика в испытуемый образец при заданной величине нагрузки.
в поверхность испытуемого металла вдавливается под нагрузкой стальной шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм. Нагрузка Р принимается равной 3000, 1000, 750, 250 кГ.
После окончания испытания определяют площадь отпечатка (лунки) от шарика и вычисляют отношение величины усилия, с которым вдавливался шарик, к площади отпечатка в испытуемом образце.

Рис.9.1.Определения твердости
методом Бринелля (твердость НВ)

На практике используют таблицы перевода диаметра отпечатка в число твердости НВ.
Данный способ определения твердости имеет ряд недостатков:
отпечаток шарика повреждает поверхность изделия;
сравнительно велико время измерения твердости;
невозможно измерить, соизмеримую с твердостью шарика (шарик деформируется);
затруднительно измерить твердость тонких и мелких изделий (происходит их деформация).

9.2. При определении твердости методом Роквелла используется прибор, в котором индентор - твердый наконечник 6 (рис. 9.2.) под действием нагрузки проникает в поверхность испытуемого металла, но измеряется при этом не диаметр, а глубина отпечатка.
Прибор настольного типа, имеет индикатор 8 с тремя шкалами — А. В, С для отчета твердости соответственно в диапазонах
20... 50;
25... 100;
20...70 единиц шкалы.

Рис. 9.2. Прибор Роквелла для определения твердости:
1 — рукоятка освобождения груза:
2 — груз;
3 — маховик;
4 — подъемный винт.
5 —столик;
6 — наконечник прибора; 7 — образец испытуемого металла;
8 — индикатор

За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 2 мкм.
При работе со шкалами А и С наконечником служит алмазный конус с углом 120° при вершине или конус из твердого сплава.
Алмазный конус применяют при испытаниях твердых сплавов, а твердосплавный конус — для деталей неответственного назначения твердостью 20...50 единиц.
При работе со шкалой В наконечником служит маленький стальной шарик диаметром 1,588 мм
Шкала В предназначена для измерения твердости сравнительно мягких металлов.

Твердость по Роквеллу обозначают символом НR с указанием шкалы твердости, которому предшествует числовое значение твердости из трех значащих цифр.
Например:
61,5 НRС - твердость по Роквеллу 61,5 единиц по шкале С при нагрузке 150 кгc, индентор - алмазный конус;
45 НRВ твердость по Роквеллу 45 единиц по шкале В при нагрузке 100 кгс, индентор - стальной шарик d - 3,588 мм.

Рис.9.3. Определение твердости методом Роквелла

9.3. При определении твердости способом Виккерса в качестве вдавливаемого в материал индентора используют четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°.
Метод Виккерса применяют при испытании твердости деталей малой толщины или тонких поверхност­ных слоев, имеющих высокую твердость.
Число твердости по Виккерсу - это условное среднее удельное давление на поверхности отпечатка

Рис.9.4.
При определении твердости способом Виккерса в качестве вдавливаемого в материал индентора используют четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°.

Твердость по Виккерсу обозначается символом HV, причем единицы измерения опускаются. Стандартными условиями испытания по Виккерсу являются: нагрузка Р =30 кгс, время выдержки 10-15 с.
Пример обозначения: 500 HV.
Если условия испытания отличаются от стандартных, то в этом случае указывают нагрузку и время выдержки.
Пример обозначения:
260 HV10/40, где 260 - твердость, полученная при нагрузке 10 кгс и выдержке 40 с.

Цветные металлические материалы.

Цветные металлы в промышленности
Цветные металлы: жаропрочны, хорошо проводят электрический ток, не ржавеют

Классификация цветных металлов
Тяжелые (медь, свинец, олово, никель, цинк, ртуть, хром и т.д.) сырьевой фактор
Легкие (алюминий, титан, магний, натрий, калий и т.д.) энергетический фактор
Драгоценные (золото, серебро, платина)

Значение России в цветной металлургии мира

Авиастроение
Применение алюминия, титана и их сплавов во всех видах транспорта, а в особенности воздушного привело к уменьшению собственной массы транспортных средств и к резкому увеличению эффективности их использования.

Кораблестроение
Алюминий и титан и их сплавы применяют при отделке и изготовлении корпусов и дымовых труб судов, спасательных лодок, радарных мачт, трапов.

Военная промышленность
Алюминий, титан, а также и их сплавы является стратегическим металлами и широко используется в военной промышленности при строительстве военной техники и оружия: самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а также для других целей в военной технике.

Электрический ток в металлических материалах.

а) Электронная теория строения металлов Представление об электронной структуре атомов послужило основанием для классической теории строения металлов. Валентные электроны наружного слоя атома слабо связаны с ядром.

Электроны, потерявшие связь со своим ядром называются свободными.
Атомы, потерявшие электроны из валентного слоя, становятся положительными ионами. Общий заряд свободных электронов в кристалле равен положительному заряду ионов, поэтому кристалл остается электрически нейтральным.

б) Определение электрического тока.
Если в металлах находится большое число свободных электронов, то при соединении металлического проводника с источником электрической энергии свободные электроны будут двигаться к положительному полюсу источника, а положительные ионы – к отрицательному полюсу источника.

Упорядоченное движение электрических зарядов называется электрическим током.
Признаки, по которым легко судить о наличии тока:
ток, проходя через растворы солей, щелочей, кислот, а также через расплавленные соли, разлагает их на составные части;
проводник, по которому проходит электрический ток, нагревается;
электрический ток, проходя по проводнику, создает вокруг него магнитное поле.

в) Сила тока. Плотность тока.
Силой тока называется величина численно равная отношению количества электрических зарядов q , прошедших через поперечное сечение проводника за время t .
Где: I – сила тока; А
q – суммарный электрический заряд; Кл.
t – время; с.

Плотностью тока называется отношение силы тока к площади поперечного сечения проводника .
Где: δ – плотность тока ; А/м2
I – сила тока , А
s –поперечное сечение проводника, , мм2

Чтобы обеспечить продвижение электрических зарядов вдоль электрической цепи, то есть создать электрический ток, необходима сила, которая бы двигала эти заряды.

Эта сила действует внутри источника и называется электродвижущая сила (ЭДС).
ЭДС численно равна разности потенциалов на полюсах источника.

Рис. 9.1. Замер ЭДС источника

Потенциалом ϕ данной точки поля называется работа, которую затрачивает электрическое поле, когда оно перемещает положительную единицу заряда из данной точки поля в бесконечность.

Если переместить заряд из одной точки поля с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2 , то необходимо совершить работу
Величина, равная разности потенциалов
называется напряжением.

б) Разность потенциалов.
Практическое значение имеет не сам потенциал в точке, а изменение потенциала, которое не зависит от выбора нулевого уровня отсчета потенциала.
Разность потенциалов называют также напряжением.
Единица разности потенциалов – Вольт (В)

Разность потенциалов между потенциалом грозовых туч и нулевым потенциалом Земли достигает миллионов вольт

Рис.9.2. Измерение напряжения

Электрические конденсаторы.

Диэлектрики
Диэлектриками называются материалы, в которых нет свободных электрических зарядов.
Существует три вида диэлектриков: полярные, неполярные и сегнетоэлектрики.

Электрические конденсаторы
Конденсатор электрический – система из двух или более электродов (обкладок), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.
E

а) Электроемкость
Физическая величина, характеризующая способность двух проводников накапливать электрический заряд называется электроемкостью.
На рисунках показано устройство, состоящее из двух пластин, разделенных диэлектриком и свернутых в спираль. При подаче на пластины напряжения U, на них накапливается электрический заряд, величина которого определяется формулой
Коэффициент пропорциональности С называется электроемкостью

Электроемкостью двух проводников называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним:
Единицей является - Фарад.
Это очень большая величина. На практике применяются дольные единицы электроемкости
1 мкФ =10-6 Ф, 1пФ = 10-12 Ф.

б) Емкость плоского конденсатора.
Электроемкость конденсатора вычисляют по формуле
Где:C – емкость конденсатора (Ф)
ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика
ε 0 = 8,85∙ 10-12 Ф\м – электрическая постоянная.
S – площадь пластин конденсатора. (м2)
d – толщина диэлектрика (м)

в) Энергия заряженного конденсатора
Энергия заряда конденсатора определяется уравнением:
Где:
W - энергия заряженного конденсатора (Дж)
С – емкость плоского конденсатора (Ф)
U - напряжение на пластинах конденсатора (В)
q – электрический заряд на пластинах конденсатора (Кл)