Основы материаловедения

Билет №14

1. Принципы получения магнитотвердых материалов

Магнитотвердыми называют материалы с высокой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией. Их применяют для изготовления постоянных магнитов - источников постоянного магнитного поля. Исторически первыми магнитотвердыми материалами были механически твердые, закаленные углеродистые стали. Поэтому, такие материала получили название магнитотвердых.

Самыми «старыми» магнитотвердыми материалами являются углеродистые стали, закаливаемые на мартенсит. До температуры 911С железо имеет ОЦК решетку, выше этой температуры термодинамически более выгодной становится ГЦК решетка. Углерод может образ-ть с железом хим-ое соединение цементит - Fe₃C, а также растворяться в железе. Раствор углерода в железе с ОЦК решеткой принято называть феррит, а раствор углерода в железе с ГЦК решеткой принято называть аустенит. Раствор-ть углерода в аустените сущ-но выше раствор-ти углерода в феррите. Это связано с тем, что на одну элементую ячейку ГЦК решетки аустенита приходится всего одна межатомная пора, и размер ее много больше размера межатомной поры в решетке феррита. При охлаждении чистого железа при температуре 911С происходит перестройка ГЦК решетки в ОЦК, или превращение аустенита в феррит. При наличии в сплаве углерода темп-ра превращения аустенита в феррит снижается, за счет того, что раст-р углерода в аустените имеет большую энтропию, чем раствор углерода в феррите меньшую своб-ую энергию.

При медленном охлаждении сплавов системы Fe-C (сталей) из температурной области аустенита углерод диффузионным путем выделяется в виде цементита, а решетка аустенита перестраивается в решетку феррита. При резком охлаждении сталей углерод не успевает выделиться из аустенита и при перестройке кристаллической решетки решетка феррита оказывается искаженной застрявшими атомами углерода. В результате вместо ОЦК решетки получается тетрагональная объемно-центрированная решетка или решетка мартенсита. Поскольку решетка мартенсита упакована неплотно, то при мартенситном превращении в стали возникают напряжения. Рост напряжений приводит к росту энергии системы, поэтому полного превращения аустенита в мартенсит не происходит и в стали формируется структура, состоящая их дисперсной смеси аустенита и мартенсита. Поскольку решетка аустенита плотноупакована, то аустенит не ферромагнитен. В то же время у ферромагнитного мартенсита неплотноупакованная тетрагональная решетка, что обусловливает его ферромагнетизм. Кроме того, тетрагональность мартенсита приводит к большой анизотропии его магнитных свойств. Таким образом, получается идеальная с точки зрения магнитотвердых материалов структура - дисперсная смесь ферромагнитной и неферромагнитной фаз, причем у ферромагнитной фазы большая магнитная анизотропия. Однако свойства сталей, закаленных на мартенсит далеки от идеала, причина состоит в том, что у закаленных сталей большой объем занят неферромагнитной фазой - аустенитом, поэтому их намагниченность, а следовательно, и остаточная индукция, невелики. Другим недостатком сталей мартенситного класса является их низкая прокаливаемость - способность воспринимать закалку на значительную глубину, что препятствует мартенситному превращению в глубинных слоях материала. Для повышения прокаливаемости стали дополнительно легируют хромом вольфрамом молибденом и кобальтом. Поскольку атомы легирующих элементов взаимодействуют с вакансиями, то скорость диффузии снижается и превращение аустенита в ферритно-цементитную смесь затрудняется. Таким образом, прокаливаемость сталей возрастает. Особенно эффективно легирование сталей кобальтом, поскольку у атомов кобальта имеется магнитный момент и при наличии кобальта остаточная индукция возрастает.

2. Пьезоэлектрики. Природа пьезоэлектрического эффекта. Применение пьезоэлектриков

Пьезоэлектриками называют диэлектрики, в которых под действием механических напряжений появляется поляризация, а под действием электри-ческого поля пьезоэлектрики упруго деформируют-ся. Таким образом, пьезоэлектрики являются элект-ромеханическими преобразователями, преобразую-щими механическую энергию в электрическую и обратно.

Пьезоэлектрический эффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центра симметрии, у которых при деформации ячейки происходит появление электрического момента. Заряды q, возникающие на поверхности пластин из пьезокристаллов пропорциональны приложенным силам.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллы, лишенные центра симметрии: кварц, турмалин, сегнетова соль и др. Часто используется пьезокерамика. Пьезоэлектрики нашли широкое применение для изготовления резонаторов, преобразователей колебаний и др.

Билет №15

1. Влияние напряженности магнитного поля на величину магнитной индукции в ферромагнетиках

При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле векторы намагниченности каких-либо доменов окажутся совпавшими или близкими к совпадению с вектором напряжён-ти внешнего магнитного поля. Энергия таких доменов будет мин, тогда как энергия всех остальных доменов повысится. Для того чтобы понизить энергию системы благоприятно ориентированные домены растут. При этом увелич-ся намагниченность (М) и, , возрастает индукция (В). Зависимость индукции от напряженности внешнего магнитного поля принято называть кривой намагничивания.

На начальном участке кривой намагничивания увеличение напряж-ти внешнего поля ведет к незначительному росту индукции, причем при отключении внешнего поля индукция снижется до 0. Этот участок принято называть участком обратимого намагничивания или областью Релея (I).

На 2 участке незначит-ое измен-ие напряжен-ти внешнего поля ведет к заметным изменениям индукции. Этот участок называют участком резкого роста инд-ии или областью скачков Баркгаузена (II).

На 3 участке кривой намагничивания зависимость индукции от напряженности внешнего поля вновь ослабевает. Этот участок называют участком замедленного намагничивания или область намагничивания за счет процессов вращения (III).

На четвертом участке индукция растет пропорционально напряженности магнитного поля. Этот участок называют участком насыщения или областью парапроцесса (IV).

2. Влияние давления на электрическую прочность газов

Другим ярким представителем развития фотонной ионизации является зависимость электропрочности газов от давления. При повышении давления выше атмосферного электропрочность газа растет. Это связано с уменьшением межмолекулярных расстоянием и снижением длины свободного пробега ионов. При снижении давления электрическая прочность газа уменьшается и даже под действием поля малой напряженности газ начинает светиться. Для случая воздуха, чем ниже давление, тем меньше длина волны испускаемого света, то есть по мере уменьшения давления цвет свечения меняется с красного до синего. При низких давлениях (менее 10^-4 торр.) воздух перестает светиться - «черный вакуум». Изменения длины светового излучения связано с тем, что по мере снижения давления длина пробега ионов возрастает и ионы набирают большую кинетическую энергию. Соответственно возбужденные столкновениями с ионами электроны атомов испускают кванты большей энергии или меньшей длины. При разряжении соответствующем «черному вакууму» концентрация молекул в межэлектродном пространстве насколько мала, что длина пробега ионов сравнивается с межэлектродным промежутком. Поэтому вероятность ионизации молекул становится ничтожно малой и пробой наступает за счет вырывания электронов из электродов.

Билет №16

1. Влияние температуры на спонтанную намагниченность ферромагнетиков

Так как магнитные материалы используются главным образом при климатических температурах, важным параметром является намагниченность при этих температурах. Хорошо известно, что величина спонтанной намагниченности в ферромагнетиках уменьшается с повышением температуры. Это падение намагниченности,, слабое при относительно низких температурах, резко возрастает с приближением к точке Кюри. (Величина спонтанной намагниченности уменьшается с ростом температуры и в точке Кюри (Тс) становится равной нулю). Температурные изменения намагниченности сопровождаются так называемыми кооперативными эффектами. Слабые изменения намагниченности в области низких температур, вероятно, связаны с механизмом спиновых волновых возбуждений.

Компенсационный эффект заключается в том, что, когда сумма магнитных моментов атомов сорта А и сумма магнитных моментов атомов сорта В равны друг другу, спонтанная намагниченность полностью исчезает.

2. Электреты и их применение

Электретами называют диэлектрики, у которых постоянный электрический момент или избыточный заряд сохраняются длительное время. Электреты могут служить источниками электрического поля в окружающем пространстве, аналогично постоянным магнитам, являющимися источниками магнитного поля. Эта аналогия в свойствах постоянных магнитов и электретов отражена в их названии (по-английски постоянный магнит - magnet). В зависимости от способов получения различают термоэлектреты, фотоэлектреты, электроэлектреты, трибоэлектреты, радиоэлектреты.

Билет №17

1. Принципы выбора материалов для зажимных контактов

В зажимных контактах («клеммы», болтовые соединения и т.д.) действительная поверхность контакта заметно меньше поверхности налагаемых друг на друга проводников. Это связано с наличием на поверхности сопрягаемых деталей неровностей и слоя окислов. Поэтому чем мягче материал контактов и чем выше его коррозионная стойкость, тем меньше сопротивление контакта. В этой связи контакты обычно облуживают - покрывают слоем олова. Для особо надежных контактов применяют серебрение или золочение.

Важно также иметь в виду, что при контакте разнородных материалов (например, меди и стали) происходит активная коррозия химически более активного элемента. Так при контакте стали с медью, будет происходить интенсивная коррозия стали, и появление окислов железа приведет к росту сопротивления контакта. Поэтому в тех случаях, когда необходим контакт стальной детали с медной, обе детали облуживают.

2. Суперионные проводники

Суперионные проводники (суперионики), неметаллические кристаллические или стеклообразные вещества с высокой электрической проводимостью (10-1--10-3 Ом-1см-1), сравнимой с проводимостью жидких электролитов и расплавов солей. К ним относятся, например, AgI, RbAg4I5, некоторые твёрдые растворы. Вещества с ионной проводимостью используются как твёрдые электролиты, соединения со смешанной ионно-электронной проводимостью выполняют роль электродов.

Билет №18

1.Природа высокой магнитной проницаемости пермаллоев

Пермаллоями называют сплавы железа и никеля, работающие в слабых полях. При этом различают низконикелевые пермаллои и высоконикелевые пермаллои. Низконикелевые пермаллои содержат 45-65% Ni, высоконикелевые пермаллои - 76-80% Ni. Для низконикелевых пермаллоев характерны более высокое удельной электросопротивление и повышенная индукция насыщения, однако, магнитная проницаемость низконикелевых пермаллоев ниже магнитной проницаемости высоконикелевых пермаллоев. Важно отметить, что индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев ниже индукции насыщения низконикелевых пермаллоев. Это обстоятельство связано с тем, что магнитный момент иона никеля ниже магнитного момента иона железа.

Для материалов, работающих в слабых полях, чрезвычайное значение имеет высокое значение начальной магнитной проницаемости. Иначе говоря, для таких материалов важна большая подвижность границ доменов в условиях малой напряженности внешнего магнитного поля. Следовательно, такие материалы должны быть однофазными и иметь малую магнитную анизотропию и магнитострикцию.

Увеличение межатомных расстояний между атомами переходных металлов вследствие легирова-ния, приводит к снижению магнитной анизотропии. Поэтому для достижения максимальной магнитной проницаемости используют сильно легированные сплавы. Примером могут служить альсифер и пермаллои.

2. Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость диэлектриков с ионной связью

Повышение температуры увеличивает меж-атомные расстояния, вследствие чего связь между отдельными ионами ослабляется, и облегчается взаимное смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Поэтому при повышении температуры диэлектрическая проницаемость ион-ных кристаллов возрастает (рис. 30).

Рис. 30. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для ионных кристаллов.

Время установления этого механизма поляризации сравнимо с периодом оптических колебаний ионов в кристаллической решетки и составляет 10-12-10-13 с. Поэтому до частот 1012- 1013 Гц диэлектрическая проницаемость веществ с ионной связью не зависит от частоты внешнего поля.

(Поляризация упругого ионного смещения. Этот вид поляризации вызван упругим смешением ионов из равновесных положений под действием внешнего электрического поля. Он характерен для ионных кристаллов (мрамор, поваренная соль, слюда, кварц и др.). Важно отметить, что в таких материалах, наряду с поляризацией упругого ионного смещения, присутствует и поляризация упругого электронного смещения. Из приведенных данных следует, что величина поляризации возрастает с увеличением радиусов ионов и с увеличением их зарядов).

Билет №19

1. Особенности применения низконикелевых и высоконикелевых пермаллоев

Пермаллоями называют сплавы железа и никеля, работающие в слабых полях. При этом различают низконикелевые пермаллои и высоконикелевые пермаллои. Низконикелевые пермаллои содержат 45-65% Ni, высоконикелевые пермаллои - 76-80% Ni. Для низконикелевых пермаллоев характерны более высокое удельной электросопротивление и повышенная индукция насыщения, однако, магнитная проницаемость низконикелевых пермаллоев ниже магнитной проницаемости высоконикелевых пермаллоев. Важно отметить, что индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев ниже индукции насыщения низконикелевых пермаллоев. Это обстоятельство связано с тем, что магнитный момент иона никеля ниже магнитного момента иона железа.

Высоконикелевые пермаллои прим-ся для изг-я сердечников малогаб-х трансф-в, реле и магн-х экранов; магнитных усилителей и бесконтактных реле.

Низконикелевые пермаллои прим-ся для изг-я сердечников междуламповых и маломощных силовых трансф-в, дросселей, работающих при повышенных индукциях.

При использ-ии пемал. сплавов необ-мо иметь в виду их искл-но высокую чувств-ть к деформациям.

Магнитные свойства пермалоев чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве. Удельное сопротивление высоконикелевых пермалоев почти в три раза меньше, чем низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительно использовать низконикелевые пермалои. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость пермалоев, и уменьшает чувствительность к деформациям, но снижается индукция насыщения. Медь увеличивает постоянство r в узких интервалах напряженности магнитного поля, повышает температурную стабильность и удельное сопротивление, а также делает сплавы легко поддающимися механической обработке. Кремний и марганец в основном только увеличивают удельное сопротивление пермалоев.

2. Влияние температуры на тангенс угла потерь диэлектриков с неполярной ковалентной связью

С увеличением температуры концентрация носи-телей заряда в диэлектрике повышается. Поэтому вероятность столкновения носителя заряда со струк-турной единицей вещества также растет. Следова-тельно, при увеличении температуры потери на сквозную электропроводность возрастают.

В неполярных диэлектриках реализуется упругая электронная или упругая ионная поляризация. Как известно, при развитии упругих процессов потерь энергии нет, поэтому в неполярных диэлектриках основной вид потерь - потери за счет сквозной электропроводности.

Билет №20

1. Природа высокой магнитной проницаемости альсифера

Альсифер- сплав системы Fe-Si-Al, содержащий около 9,5% кремния и 5,5% алюминия. При этом составе магнитная анизотропия минимальна и сплав имеет очень высокую магнитную проницаемость. Отклонение от оптимального состава приводит к снижению магнитной проницаемости .

Сплав отличается достаточно высоким удельный электрическим сопротивлением, что снижает потери на вихревые токи. Вместе с тем, сплав непластичен и тверд. Детали из него изготавливают методом порошковой металлургии, а окончательная обработка деталей возможна только анодно-механическим и электроискровым способами, а также шлифовкой. Трудность обработки повышает стоимость изделий, однако, поскольку сплав не содержит дорогостоящих компонентов его широко применяют для изготовления магнитных экранов и магнитопроводов.

Для материалов, работающих в слабых полях, чрезвычайное значение имеет высокое значение начальной магнитной проницаемости. Иначе говоря, для таких материалов важна большая подвижность границ доменов в условиях малой напряженности внешнего магнитного поля. Следовательно, такие материалы должны быть однофазными и иметь малую магнитную анизотропию и магнитострикцию.

Увеличение межатомных расстояний между атомами переходных металлов вследствие легирова-ния, приводит к снижению магнитной анизотропии. Поэтому для достижения максимальной магнитной проницаемости используют сильно легированные сплавы. Примером могут служить альсифер и пермаллои.

2. Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектриков

В сегнетоэле-ах в опред-ом диапазоне темпер-р наблюдается спонтанная или самопроизвольная поляр-ия.

Существенное влияние на диэлектрическую проницаемость оказывает температура. При повышении температуры кинетическая энергия ангармонических колебаний ионов возрастает, и электростатическая связь между ионами ослабевает. Внешнему полю легче перебросить ионы из одного положения в другое, соответственно, поляризация и диэлектрическая проницаемость возрастают. Максимум диэлектрической проницаемости наблюдается при температуре Кюри.

Легирование сегнетоэлектриков приводит к изменению энергии связи между ионами и дает возможность изменять температуру Кюри и величину диэлектрической проницаемости.

Билет №21

1. Типы химических связей между атомами, влияние типа связи на свойства материалов

Ковалентная связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов с близкими ионизационными потенциалами. В чистом виде ковалентная связь реализуется при взаимодействии элементов с наполовину заполненными электронными оболочками. H₂ ,C, Si, Ge, Sn. Соседние атомы обмениваются электронами.

Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и, тем самым, притягиваются друг к другу. Каждый атом взаимодействует с ограниченным числом соседей, причем число соседей равно числу валентных электронов атома. Следовательно, ковалентная связь насыщенна. Кроме того, атом взаимодействует только с теми соседями, с которыми он обменялся электронами, то есть ковалентная связь имеет направление.

Ионная связь образуется при взаимодействии атомов с малым количеством валентных электронов и атомов с большим количеством электронов на валентных оболочках. При этом наружные электроны атомов с низкими потенциалами ионизации переходят на валентные оболочки атомов с высокими ионизационными потенциалами. Ионная связь ненасыщенна, поскольку каждый из отрицательно заряженных ионов притягивает к себе положительно заряженные, а каждый из положительно заряженных ионов притягивает к себе все отрицательно заряженные. Однако ионная связь направлена, поскольку ион притягивает к себе разноименно заряженные ионы и отталкивает одноименно заряженные.

Уменьшение размера иона и увеличение его заряда ведет к росту энергии связи, а следовательно, к росту температуру плавления материала, уменьшению коэффициента теплового расширения и к увеличению модуля упругости.

Металлическая связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов, у которых валентные электронные оболочки застроены меньше чем на половину. Поскольку энергия иона минимальна при полностью заполненной внешней оболочке, атомы отдают внешние валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, между которыми находятся свободные электроны (электронный газ).

Металлическая связь не имеет направления и ненасыщенна. Кристаллические решетки металлов упакованы плотно.

Связь Ван-дер-Ваальса образуется при сближении молекул или атомов инертных газов и заключается в их связи между собой за счет постоянных или взаимно созданных дипольных моментов.

2. Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость полярных диэлектриков

Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от их температуры и частоты внешнего электрического поля. При низких температурах, когда подвижность молекул и радикалов, входящих в состав молекул, мала, поворот диполей на большие углы невозможен, и в материале наблюдается поляризация электронного упругого смещения и дипольно-упругая поляризация. В связи с этим диэлектрическая проницаемость полярных материалов при низких температурах мала (=2-2,5). С возрастанием температуры подвижность диполей увеличивается, и облегчается их ориентация под действием внешнего поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость растет. Однако при дальнейшем росте температуры кинетическая энергия теплового движения диполей возрастает настолько, что броуновское движение диполей разрушает ориентацию, задаваемую внешним полем. Поэтому диэлектрическая проницаемость снижается (см. рис. 31). Таким образом, зависимость =f(t) для веществ с дипольно-релаксационной поляризацией имеет характерную форму "холма".

Рис.31. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и от частоты электрического поля (f1f2).

Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения, то наступление состояния поляризации требует времени. С увеличением вязкости возрастает время, необходимое для наступления поляризации. При увеличении частоты электрического поля время действия поля на диполи за половину периода уменьшается, а следовательно, уменьшается величина поляризации и снижается величина диэлектрической проницаемости. С увеличением частоты максимум диэлектрической проницаемости не только снижается, но и смещается в сторону высоких температур, то есть меньших вязкостей диэлектрика.

Билет №22

1. Влияние энергии межатомного взаимодействия на свойства материалов

Любой материал представляет собой продукт взаимодействия огромного количества атомов, и свойства материала зависят от характера взаимодействия этих атомов. Зная характер взаимодействия атомов, можно прогнозировать свойства материалов. Поскольку взаимодействие множества атомов анализировать достаточно сложно, вначале для простоты рассмотрим взаимодействие двух атомов.

Между двумя атомами действует сила притяжения, она убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между атомами. Помимо силы притяжения, между атомами действует и сила взаимного отталкивания, которая обратно пропорциональна расстоянию в степени n, где n больше 2.

В том случае, когда взаимодействует множество атомов, смещение любого из них приводит к росту энергии системы, Поэтому потенциальную кривую можно представить в виде периодической функции (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость энергии потенц-го взаимодейс-твия (Wp) от расстояния между атомами (x) для случая взаимодействия множества атомов.

При минимуме энергии системы расстояния между атомами одинаковы и равны r₀. Вдоль любого направления расстояния будут равны r₀, хотя эти расстояния по разным направлениям будут разными. Расстояние между атомами вдоль какого-либо направления принято обозначать а.

Для переброса атома из одного равновесного положения в другое требуется повышение энергии. Поэтому в том случае, когда энергия системы минимальна или незначительно отличается от минимальной, атомы не могут перемещаться из одного положения в другое, и мы имеем дело с твердым телом. При значительном повышении энергии системы атомы активно колеблются, обмениваются энергией - и в результате могут переходить из одного положения в другое. В этом случае мы имеем дело с жидким телом. Дальнейший рост энергии системы приводит к выходу атомов из потенциальной ямы, они перестают взаимодействовать друг с другом, могут занимать различные положения - и мы имеем дело с газом.

2. Влияние частоты электрического поля на диэлектрическую проницаемость диэлектриков с ионной связью

(Поляризация упругого ионного смещения. Этот вид поляризации вызван упругим смешением ионов из равновесных положений под действием внешнего электрического поля. Он характерен для ионных кристаллов (мрамор, поваренная соль, слюда, кварц и др.). Важно отметить, что в таких материалах, наряду с поляризацией упругого ионного смещения, присутствует и поляризация упругого электронного смещения. Из приведенных данных следует, что величина поляризации возрастает с увеличением радиусов ионов и с увеличением их зарядов).

Время установления этого механизма поляризации сравнимо с периодом оптических колебаний ионов в кристаллической решетки и составляет 10-12-10-13 с. Поэтому до частот 1012- 1013 Гц диэлектрическая проницаемость веществ с ионной связью не зависит от частоты внешнего поля.

Повышение температуры увеличивает меж-атомные расстояния, вследствие чего связь между отдельными ионами ослабляется, и облегчается взаимное смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Поэтому при повышении температуры диэлектрическая проницаемость ион-ных кристаллов возрастает (рис. 30).

Билет №23

1. Изменение свойств металлических материалов при холодной пластической деформации

В основе пластической деформации лежит необ-ратимое перемещение одних частей кристалла отно-сит других. После снятия нагрузки исчезает только упругая состав-ляющая деформации. Пластичность (способность металлов перед разрушением прете-рпевать значительную пластическую деформацию) является одним из важней-ших свойств металлов. Благодаря пластичности возмож-на обработка металлов давлением. Пластичность позволяет пере-распределять локальные напряжения равномерно по всему объему металла, что снижает опасность разрушения. Для металлов характерно большее сопротивление растяжению или сжатию, чем сдвигу след-но процесс пластической деформации предс-тавляет собой процесс скольжения одной части кристалла относит другой по кристаллографической плоскости или плоскостям скольжения с более плотной упаковкой атомов, где наименьшее сопро-тивление сдвигу. Скольже-ние осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. В результате скольжения кристаллическое строение перемещающихся частей не меняется.

Пластическая деформация способствует упроч-нению металлов, уменьшению плотности, увели-чению электри-ческого сопротивления, умень-шению теплопроводности, снижению устойчивости против коррозии.

Холодную деформацию проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации под действием пластической деформации. После снятия нагрузки, превышающей предел текучести, в образце остается остаточная деформация. При повторном нагружении повышается предел текучести металла и снижается его способность к пластической деформации, т.е. происходит упрочнение металла. При деформации зёрна меняют свою форму и ориентировку, образуя волокнистую структуру с преимущественной ориентировкой кристал-лов. Происходит разворот беспорядочно ориентирован-ных зёрен осями наибольшей прочности вдоль направле-ния деформации. Зёрна деформируются и сплющивают-ся, вытягиваясь в направлении действующих сил, образуя волокнистую или слоистую структуру. Чем выше степень деформации, тем больше зёрен получает преимуществен-ную ориентировку, механические свойства, характери-зующие сопротивление деформации, улучшаются, происходит деформационное упрочнение, а способность к пластической деформации снижается.

2. Влияние температуры на электропроводность диэлектриков и проводников

Электропроводность диэлектриков опреде-ляется в основном перемещением ионов. На концентрацию ионов оказывают влияние: состав ма-териала, температура, облучение материала части-цами высоких энергий. Концентрация подвижных носи-телей заряда в полярных материалах, как правило, выше, чем в неполярных. Это связано с тем, что ионы примесей электрически взаимо-действуют с дипольными моментами полярных молекул, поэтому очистка полярных материалов от примесей затруднена.

При повышении температуры энергия системы повышается на величину kT и вероятность выхода иона из потенциальной ямы возрастает. Поэтому электропро-водность диэлектриков при повышении температуры растет в соответствии с выражением:

г=г0exp(E_a/kT),

где: г0 - удельная электропроводность диэлектрика, константа,

Ea - энергия активации выхода иона из потенциальной ямы,

kT- тепловая энергия системы.

Проводниковые материалы

Основными носителями заряда в металлических материалах являются свободные электроны, появляющиеся при образовании металлической связи. Как известно металлическая связь образуется между атомами элементов с валентной электронной оболочкой заполненной менее чем на половину. В этом случае валентные электроны отрываются от атомов и обнажается полностью заполненная электронная оболочка. При этом валентные электроны становятся свободными, образуя «электронный газ». Ранее мы отмечали, что чем выше плотность электронного газа, тем плотнее упакована кристаллическая решетка металлов. В этой связи следует ожидать что электропроводность металлов с ГЦК решеткой будет выше, чем электропроводность металлов с ОЦК решеткой.

Число свободных электронов не зависит от температуры, при нагреве в области комнатных температур электросопротивление увелич-ся практически линейно.

Билет №24

1. Точечные дефекты кристаллической решетки. Влияние точечных дефектов не свойства материалов

К ним относятся атомы инородных элементов (легирующих элементом или примесей), межузельные атомы (атомы основного элемента, по каким-либо причинам покинувшие узлы кристаллической решетки и застрявшие в междоузлиях), вакансии или не занятые атомами узлы кристаллической решетки.

Представление о вакансиях было впервые введено Я. И. Френкелем для объяснения процессов диффузии в металлах - материалах с плотноупакованной кристаллической решеткой.

При наличии в кристаллической решетки вакансии атом может перескочить из узла решетки в вакантное место. Тем самым вакансия смещается, и процесс диффузии можно описывать как последовательное перемещение атомов или как движение вакансий.

Согласно модели Френкеля, при образовании вакансий атом из узла кристаллической решетки перепрыгивает в междоузлие, и появляется пара дефектов - вакансия и межузельный атом, или пара Френкеля.

В материалах с ионной связью между атомами основным носителем заряда являются ионы. При появлении вакансий перемещение ионов облегчается, а следовательно, падает удельное электросопротивление. При появлении в материале примесей кристаллическая решетка искажается, энергия материала локально повышается, что способствует облегчению выхода иона из потенциальной ямы. Таким образом, появление любых точечных дефектов ведет к снижению электросопротивления материалов с ионной связью.

В материалах с ковалентной связью присутствие вакансий приводит к обрыву ковалентной связи и появлению на валентной оболочке атома неспаренного электрона. Наличие неспаренных электронов энергетически невыгодно, и атом теряет его. Таким образом, в материале появляются два носителя заряда: отрицательно заряженный свободный (делокализованный) электрон и положительно заряженная дырка. Следовательно, увеличение концентрации вакансий ведет к падению удельного электрического сопротивления материалов с ковалентной связью.

Присутствие неизовалентных примесей ведет к появлению в материале дырок или свободных электронов, то есть к повышению концентрации носителей заряда.

2. Влияние частоты электрического поля на диэлектрическую проницаемость полярных диэлектриков

Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от их температуры и частоты внешнего электрического поля.

Рис.31. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и от частоты электрического поля (f1f2).

Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения, то наступление состояния поляризации требует времени. С увеличением вязкости возрастает время, необходимое для наступления поляризации. При увеличении частоты электрического поля время действия поля на диполи за половину периода уменьшается, а следовательно, уменьшается величина поляризации и снижается величина диэлектрической проницаемости. С увеличением частоты максимум диэлектрической проницаемости не только снижается, но и смещается в сторону высоких температур, то есть меньших вязкостей диэлектрика.

Билет №25

1. Поверхностные дефекты кристаллической решетки, влияние поверхностных дефектов на свойства материалов

К поверхностным дефектам решетки относят-ся дефекты упаковки и границы зерен.

Дефект упаковки. При движении обычной полной дислокации атомы последовательно становятся из одного равновесного положения в другое, а при движении частичной дислокации атомы переходят в новые положения, нетипичные для данной кристаллической решетки. В результате в материале появляется дефект упаковки. Появление дефектов упаковки связано с движением частичных дислокаций.

В том случае, когда энергия дефекта упаковки велика, расщепление дислокации на частичные энергетически невыгодно, а в том случае, когда энергия дефекта упаковки мала, дислокации расщепляются на частичные, и между ними появляется дефект упаковки. Материалы с низкой энергией дефекта упаковки прочнее материалов с высокой энергией дефекта упаковки.

Границы зёрен представляют собой узкую переходную область между двумя кристаллами неправильной формы. Ширина границ зерен, как правило, составляет 1,5-2 межатомных расстояния. Поскольку на границах зерен атомы смещены из равновесного положения, то энергия границ зерен повышена. Энергия границ зерен существенно зависит от угла разориентации кристаллическихрешеток соседних зерен. При малых углах разориентации (до 5 град.) энергия границ зерен практически пропорциональна углу разориентировки. При углах разориентировки, превышающих 5 град., плотность дислокаций на границах зерен становится столь высокой, что ядра дислокаций сливаются.

Зависимость энергии границ зерен (Егр) от угла разориентации (). сп₁ и сп₂ - углы разориентации специальных границ.

При определенных углах разориентации соседних зерен энергия границ зерен резко снижается. Такие границы зерен называются специальными. Соотв-но углы разориентации границ, при которых энергия границ минимальна, называют специальными углами.

Измельчение зерен ведет к росту удельного электрического сопротивления металлических материалов и падению удельного электрического сопротивления диэлектриков и полупроводников.

2. Влияние температуры на электрическую прочность диэлектриков

При нахождении диэлектрика в электрическом поле, часть энергии электрического поля рассеи-вается в диэлектрике из-за диэлектрических потерь, и диэлектрик нагревается. Повышение температуры диэлектрика по сравнению с окружающей средой ведет к отводу тепла. Дальнейшее развитие процессов зависит от соотношения скорости отвода тепла и скорости тепловыделения. На рисунке 43 показаны зависи-мости мощности тепловыделения (Р_тв) и мощности отвода тепла (Р_то) от температуры для неполярного диэлектрика. Как видно из приведенного рисунка в области температур от точки a до точки b мощности отвода тепла превышает мощность тепловыделения, поэтому повышения температуры не происходит. Вне этой области мощность выделения тепла превы-шает мощность отвода тепла и диэлектрик нагре-вается. Нагрев материала диэлектрика может привес-ти к его растрескиванию, оплавлению, обугливанию, что снижает электропрочность диэлектрика и ведет к его разрушению.

Очевидно, что стойкость к электротепловому пробою зависит как от свойств самого материала, так и от конструкции изолятора. Чем выше поверхность изолятора, тем больше тепла рассеивается в окружающую среду и меньше вероятность электротеплового пробоя.

Следует также отметить, что в случае, когда рабочая температура изолятора приближается к точке b любое повышение температуры приведет к выходу изоляции из строя. В то же время в случае, когда рабочая температура находится ниже точки, а колебания температуры не столь опасны. Нагрев диэлектрика приведет к увеличению мощности отвода тепла. Поэтому мощности выделения и отвода тепла сравняются.

Таким образом, наиболее опасными температу-рами являются температуры вблизи точки b. Поэто-му зависимость электропрочности диэлектриков от температуры выглядит, как показано на рис. 44.

Билет №26

1. Объемные дефекты кристаллических решеток. Влияние объемных дефектов на свойства материалов

К объёмным, или трехмерным дефектам кристаллической решетки относятся трещины и поры. Наличие трещин резко снижает прочность как материалов на металлической основе, так и неметаллических материалов. Это связано с тем, что острые края трещин являются концентраторами напряжений. Важно отметить, что при одинаковой геометрии трещин пластичность металлических материалов остается выше, чем неметаллических.

Присутствие в материале пор также снижает прочность металлических материалов, поскольку уменьшается истинное сечение деталей. В неметаллических материалах влияние пор на свойства материала не столь однозначно. Крупные поры снижают прочность материала, поскольку уменьшается сечение изделий. В то же время мелкие поры могут повышать прочность материалов. Это связано с тем, что при возникновении пор появляется свободная поверхность. Таким образом, на атомы, находящиеся на поверхности пор, действуют сжимающие напряжения. Неметаллические материалы с ионной или ковалентной связью между атомами хорошо сопротивляются действию сжимающих и плохо противостоят действию растягивающих напряжений. При всех реальных схемах нагружения (например, изгиб) в материале возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При наличии пор сжимающие напряжения на их поверхности компенсируют внешние растягивающие напряжения. Поэтому присутствие мелких пор ведет к росту прочности неметаллических материалов.

Поскольку энергия атомов на поверхности объёмных дефектов повышена, то они являются источником вакансий. При нагреве трещины и поры как бы "испаряются", превращаясь в вакансии. При охлаждении вакансии вновь "конденсируются". При "конденсации" вакансионного "пара" система стремится к минимуму энергии, а следовательно, к минимуму поверхностной энергии. Таким образом, при нагреве и последующем охлаждении острые трещины превращаются в сферические поры, то есть за счет чередования нагрева с охлаждением можно превращать опасные трещины в менее опасные поры.

Уменьшение сечения материала при наличии пор и трещин, а также искажение кристаллической решетки вблизи их поверхности приводит к повышению удельного электросопротивления металлических материалов. В неметаллических материалах наличие объёмных дефектов снижает удельное электросопротивление вследствие повышения подвижности ионов по вакансиям в материалах с ионной связью и облегчения выхода электронов в материалах с ковалентной связью.

2. Природа электрического пробоя диэлектриков. Механизмы электрического пробоя

Под пробоем диэлектриков понимают потерю ими диэлектрических свойств. Принято различать напряжение пробоя (U_пр) и электрическую прочность (Е_пр).

Напряжение пробоя это то напряжение, при котором резко снижается удельное сопротивление материала изделия. Электрической прочностью называют напряженность электрического поля, при которой происходит пробой. В однородном поле электрическая прочность определяется как отношение напряжения пробоя к толщине материала. В неоднородных полях под Е_пр понимают среднюю напряженность электрического поля.

В твердых диэлектриках после пробоя нередко остается прожженное отверстие, вокруг которого наблюдается область частичного разложения и оплавления материала. При повторном приложении электрического поля пробой в этой области наблюдается при меньшей напряженности поля. Поэтому пробой изоляции из твердых диэлектриков проводит к выходу электрической машины или аппарата из строя. Высокая подвижность молекул жидких и газообразных диэлектриков приводит к восстановлению свойств изоляции после пробоя. В этом смысле газообразные или жидкие диэлектрики надежнее, чем твердые, хотя их электропрочность ниже.

Электрический пробой развивается практи-чески мгновенно при достижении напряженности поля равной электропрочности диэлектрика. Обычно электрический пробой наблюдается в газах, но может развиваться и в твердых и в жидких диэлектриках.

Увеличение плотности ионов в диэлектриках (пробой) может быть вызвано развитием ударной ионизации или ионной ионизации. Для развития ударной ионизации необходимо выполнение условия: Eql=mv²/2=Eэс (2.13)

где: Е - напряженность поля, q - заряд иона, l - длина пробега иона от одного столкновения до другого, mv²/2 - кинетическая энергия иона, Еэс - энергия электростатического взаимодействия электронов с ядрами атомов.

При выполнении этого условия ионы, пролетая под действием электрического поля от одного столкновения со структурными единицами материала до другого, набирают кинетическую энергию, достаточную для того чтобы выбить электрон из атома. В результате столкновения появляется два дополнительных носителя заряда: электрон и новый ион. Таким образом, размножение носителей заряда возрастает в геометрической прогрессии и происходит пробой диэлектрика.

При напряженности поля меньшей, чем та, при которой наблюдается ударная ионизация в газах может развиваться фотонная ионизация. В этом случае при столкновении иона со структурной единицей материала энергии переданной атому не достаточно для отрыва электрона от атома, поэтому возбужденные электроны испускают фотоны. При одновременном попадании нескольких фотонов на какую-либо молекулу, переданная энергия сравнивается с энергией электростатического взаимодействия электронов с ядрами и происходит ионизация.

Для иллюстрации развития фотонной ионизации рассмотрим зависимость электропрочности газов от расстояния между электродами (рис. 40).

Очевидно, что длина пробега носителей заряда не зависит от расстояния между электродами, а зависит только от давления газа. Поэтому можно ожидать, что электропрочность газов не будет зависеть от расстояния между электродами, эксперименты показывают обратное. При увеличении расстояния между электродами напряжение пробоя не линейно повышается, а электропрочность падает. Природа такой зависимости состоит в том, что при увеличении расстояния между электродами, возрастает объем заключенного между ними газа. Следовательно, увеличивается количество ионов между электродами. Рост столкновений ионов и молекулами газа приводит к возрастанию количества фотонов, образующихся в единицу времени. Поэтому вероятность попадания нескольких фотонов на одну и ту же молекулу увеличивается.

Другим ярким представителем развития фотонной ионизации является зависимость электропрочности газов от давления. При повышении давления выше атмосферного электропрочность газа растет. Это связано с уменьшением межмолекулярных расстоянием и снижением длины свободного пробега ионов.

При снижении давления электрическая прочность газа уменьшается и даже под действием поля малой напряженности газ начинает светиться. Для случая воздуха, чем ниже давление, тем меньше длина волны испускаемого света, то есть по мере уменьшения давления цвет свечения меняется с красного до синего. При низких давлениях (менее 10^-4 торр.) воздух перестает светиться - «черный вакуум». Изменения длины светового излучения связано с тем, что по мере снижения давления длина пробега ионов возрастает и ионы набирают большую кинетическую энергию. Соответственно возбужденные столкновениями с ионами электроны атомов испускают кванты большей энергии или меньшей длины. При разряжении соответствующем «черному вакууму» концентрация молекул в межэлектродном пространстве насколько мала, что длина пробега ионов сравнивается с меж-электродным промежутком. Поэтому вероятность ионизации молекул становится ничтожно малой и пробой наступает за счет вырывания электронов из электродов.

Электрич-й пробой твердых диэлектриков

При рассмотрении электрического пробоя в твердых диэлектриках следует иметь в виду, что электрическая прочность зависит не только от материала, но и от формы изолятора. Дело в том, что в твердых диэлектриках помимо сквозного электрического пробоя может развиваться поверхностный пробой.

Для развития сквозного пробоя требуется очень высокая напряженность электрического поля. Это связано с тем, что плотность твердых диэлектриков велика и длина пробега ионов мала. Следовательно, для того, чтобы ион набрал достаточную кинетическую энергию, (mv²/2=Eql) нужна высокая напряженность электрического поля. Вместе с тем, на поверхности любого материала имеется слой адсорбированных молекул. Из окружающего пространства (из воздуха) на поверхность могут адсорбироваться молекулы азота, кислорода, углекислого газа, воды и так далее. В тех местах, где адсорбируются молекулы воды и углекислого газа, образуется угольная кислота. Иначе говоря, на поверхности появляются участки с повышенной концентрацией ионов. Таким образом, вероятность ионизации молекул на поверхности диэлектрика становится выше, а электропрочность снижается.

Другой важной особенностью пробоя твердых диэлектриков является снижение их электрической прочности после пробоя. Пробой сопровождается плавлением или прожиганием диэлектрика. При повторном приложении напряжения пробой возникает в этой области при сравнительно малой напряженности поля. Особенно опасен пробой для органических диэлектриков, в месте пробоя которых происходит разложение органики и выделение элементарного углерода. После пробоя жидкостей или газов высокая подвижность молекул приводит к исчезновению канала пробоя. Поэтому, хотя газовая изоляция и имеет меньшую электропрочность, но после пробоя эксплуатационные свойства материала восстанавливаются, то есть она более надежна.

Билет №27

1. Влияние размера зерен на коэрцитивную силу ферромагнетиков

Величина коэрцитивной силы Нс растет при уменьшении среднего размера частиц до некоторого критического размера. Для таких металлов как Fe, Ni, Co максимальное значение Нс достигается для частиц со средним диаметром 20...25, 50...70 и 20 нм, соответственно.

Если после намагничивания ферромагнетика до насыщения отключить внешнее магнитное поле намагниченность ферромагнетика полностью не снимается и сохраняется остаточная индукция (В_r). Это вызвано тем, что дефекты структуры, препятствующие перемещению границ доменов при намагничивании, препятствуют обратному смещению границ доменов при размагничивании. Для того чтобы снять остаточную индукцию необходимо приложить поле обратной полярности. При некотором значении напряженности поля, называемом коэрцитивной силой (Н_с), индукция исчезнет. Дальнейшее увеличение напряженности поля в обратном направлении приведет к намагничиванию ферромагнетика. Естественно, что знак вектора магнитной индукции при этом поменяется. Отключение внешнего магнитного поля вновь приведет к появлению остаточной индукции, для снятия которой необходимо приложить коэрцитивную силу. Таким образом, при нахождении ферромагнетика в переменном магнитном поле появляется петля гистерезиса. Чем больше в материале дефектов структуры, затрудняющих смещение границ зерен, тем выше значение коэрцитивной силы и шире петля гистерезиса.

2. Потери энергии электрического поля в диэлектриках. Меры оценки потерь энергии электрического поля.

Под действием электр-ого поля в диэлек-ке развиваются два основных процесса: поляризация и сквозная электропр-сть. Развитие этих процессов может привести к рассеянию энергии электрич-ого поля в диэлек-ке в виде тепла. Так, под действием электр-ого поля свободные носители заряда набирают кинет-ую энергию и, сталкиваясь с молекулами вещ-ва, передают им эту энергию. Т-м об-ом, энергия электрич-ого поля трансформируется в тепловую энергию материала. Кроме того, в случае, когда структурные единицы вещ-ва (молекулы) полярны, внешнее электр-ое поле совершает работу по повороту диполей по полю, и, , энергия поля вновь рассеивается в материале.

Для количеств-ой оценки величины диэлектр-их потерь используют понятие тангенс угла диэлектрических потерь.

В идеальном диэлектрике сдвиг фаз между напряжением и реактивной составляющей тока равен 90 градусам. В реальном диэлектрике появляется активная составляющая тока. Поэтому векторная диаграмма токов и напряжений выглядит, как показано на рисунке 3.10.

Рис. 3.10. Векторная диаграмма токов и напряжений в реальном диэлектрике

Зная величину напряжения, круговую частоту и емкость, можно определить реактивную составляю-щую тока:

Ip=U**C . (7)

Тогда активная составляющая тока определится как:

Ia=Ip*tg . (8)

Рассеиваемую мощность можно определить следующим образом:

Р=UIa= UCtg . (9)

Таким образом, tg можно использовать в качестве меры потерь энергии поля в диэлектрике.

Билет №28

1. Изменение механических и электрических свойств металлов при холодной пластической деформации

В основе пластической деформации лежит необ-ратимое перемещение одних частей кристалла отно-сит других. После снятия нагрузки исчезает только упругая состав-ляющая деформации. Пластичность (способность металлов перед разрушением прете-рпевать значительную пластическую деформацию) является одним из важней-ших свойств металлов. Благодаря пластичности возмож-на обработка металлов давлением. Пластичность позволяет пере-распределять локальные напряжения равномерно по всему объему металла, что снижает опасность разрушения. Для металлов характерно большее сопротивление растяжению или сжатию, чем сдвигу след-но процесс пластической деформации предс-тавляет собой процесс скольжения одной части кристалла относит другой по кристаллографической плоскости или плоскостям скольжения с более плотной упаковкой атомов, где наименьшее сопро-тивление сдвигу. Скольже-ние осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. В результате скольжения кристаллическое строение перемещающихся частей не меняется.