Основы электроматериаловедения
Общие сведения об электроматериалах. Проводники с высоким сопротивлением. Физические свойства металлов. Обработка металлов давлением. Технология холодной пластической деформации. Виды чугунов, твердые сплавы и керамика. Магниевые сплавы, тантал.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лекция |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 20.01.2010 |
| Размер файла | 29,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
2
Содержание
- Лекция 1. Электроматериаловедение
- Лекция 2. Общие сведения об электроматериалах
- Лекция 3. Проводники с высоким сопротивлением
- Лекция 4. Физические свойства металлов
- Лекция 5. Обработка давлением
- Лекция 6. Виды чугунов
- Лекция 7. Твёрдые сплавы и керамика
- Лекция 8. Магниевые сплавы
- Лекция 9. Тантал
Лекция 1. Электроматериаловедение
Электроматериаловедение - наука, изучающая состояние и свойства материалов и устанавливающие связи между их составом, строением и свойствами.
Типы атомных связей и их влияние на свойство материалов:
1. Ионная связь.
Присущая соединениям, образована разнородными атомами. Внешние электроны атомов одного элемента переходят на внешние орбиты атомов другого элемента, образуя устойчивые электронные конфигурации. Наиболее известный и широко распространенный с ионным типом связи является поваренная соль и стекло.
2. Ковалентная связь.
Устанавливается в результате образования устойчивых соединений путем обобщения определенных электронов. Ковалентная связь характерна для многих кристаллических твердых тел, например: алмаз. Механическая прочность ковалентной связи достаточно велика в следствии ее направленного характера. Ковалентные связи характерны для пластмасс.
3. Металлическая связь.
Атомы металлов имеют большое количество электронов, которые слабо связаны с ядром. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках теряют связь со своими атомами, и образуют "электронный газ".
Наличие электронного газа определяет свойство металла.
Высокое тепло и электропроводность, отсутствие сильных направленных связей определяет пластичность металла, т.е. способность изменять форму без разрушения. Поэтому металлы выдерживают ковку, прокат, волочение.
Силы Ван-дер-Ваальса.
Происхождение связано с тем, что атомы являются малыми диполями, распределение электронов в атоме симметрично относительно ядер, но центр отрицательных зарядов может не совпадать с ядром, имеющим положительный заряд, что и преобразует диполь.
Существуют кристаллические в-ва: аморфные и аморфнокристаллические.
Классификация электроматериалов:
1) По применению.
Материалы бывают электротехническими и конструкционными.
2) По структуре.
Различают монокристаллические (однородные тела по всему объему) и поликристаллические, которые состоят из множества мелких кристаллических зёрен, хаотически ориентированных в разных направлениях.
3) По Эл. Свойствам.
Различают: проводники, полупроводники и диэлектрики.
Проводники: R= 10-6 до 10-3 Ом*см
Полупроводники: 10-3 до 104 Ом*см
Диэлектрики: 106 до 1015 Ом*см
Основные свойства твердых материалов:
Свойства материалов, исследуемых на специальных оборудованиях, на образцах особой определённой формы и размеров. Различают: механические, физические и электрические свойства.
К механическим свойствам относятся:
Твёрдость-способность материала сопротивляться проникновению в него более твёрдого материала.
Прочность - способность выдерживать, не разрушаясь, действия внешних механических сил.
Хрупкость-разрушение материала, при резких механических нагрузках.
Пластичность.
Физические свойства.
Эпицентр линейного расширения.
Лекция 2. Общие сведения об электроматериалах
Твёрдые металлы проводники характеризуются высокой электро и тепло проводимостью, что обусловлено особенностью металлической связи между атомами. В качестве проводников так же применяются и не металлические материалы: уголь, графит, их смеси и высоко ионизированные газы.
К механическим свойствам относятся: твёрдость, упругость, вязкость, пластичность, линейное расширение, хрупкость, прочность, усталость.
Упругость
Свойство материалов восстанавливать свою форму и объём после действия внешних сил, которые вызывают их изменение.
Вязкость
Способность материалов оказывать сопротивление динамическим нагрузкам.
Ударная вязкость
Способность материала оказывать сопротивление ударным нагрузкам.
Усталость
Разрушение материала под действием не больших повторных или знакопеременных нагрузок (вибраций).
Физико-химические свойства.
Свет, плотность, температура плавления, теплопроводность, температурный коэффициент линейного расширения, коррозийная стойкость (способность материала противостоять разрушению структуры под действием внешних факторов и химических веществ).
Технологические свойства.
Ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, усадка и др.
Материалы с высокой проводимостью.
К материалам этого типа предъявляются следующие требования:
Минимальное значение удельного электрического сопротивления и высокие механические свойства.
Основными являются требования:
Максимальная удельная проводимость.
Медь и её сплавы.
Медь и её сплавы являются одним из самых распространенных материалов высокой проводимости. В производстве применяют мягкую и твёрдую медь, очищенную от природных загрязнений электрическим способом.
По содержанию вредных примесей различают следующие марки:
М0 - особо чистая медь примесей не более 0,05%
М1 - примесей до 0,1%
Из меди этих марок изготовляются монтажные провода, кабельная продукция и многое другое. Медь твердых марок применяется для изготовления токонесущих шин, коллекторных пластин и других деталей, которые подвергаются значительным механическим нагрузкам.
От процентного содержания и вида легирующей добавки зависят свойства материала и область применения. Например: кадмиевая бронза, где 0,9% кадмия, а остальная медь. Поэтому кадмиевая бронза используется в коллекторных пластинах и в сварочных электродах.
Бериллиевая бронза имеет лучшее механические свойства, высокую коррозионную стойкость. Применяется для скользящих контактов и для токоведущих пластин.
Латунь - сплав меди с цинком, до 43% цинка. Латунь прочнее меди, значительно дешевле, но слабая коррозионная стойкость. Для повышения коррозионной стойкости добавляют алюминий, никель и др. Применяется для изготовления экранов, контактов термореле и различного вида контактов.
Алюминий и его свойства.
Алюминии относится к группе легких металлов. Удельное сопротивление в 1,6 раз больше чем у меди, но в 2 раза дешевле. На воздухе алюминий покрывается тонкой оксидной пленкой, которая является коррозионностойкой, а после специальной обработки приобретает диэлектрические свойства.
Алюминий менее дефицитен чем медь. Он имеет меньшую механическую прочность чем медь. Алюминий высоких марок применяется для изготовления конденсаторной фольги, марки А99 применяется для экранирования в кабелях, а из марки А97 изготовляют кабельную продукцию.
Железо и его сплавы.
Свойство: более высокое удельное сопротивление, высокий температурный коэффициент удельного электрического сопротивления, высокая механическая прочность, низкая себе стоимость и высокая доступность материала, большая магнитная проницаемость, технологичность.
Железо используют для изготовления нагревостойких сплавов и сплавов с высоким омическим сопротивлением. При содержании углерода в железе до 1,3% получают конструкционную сталь, при большем содержании углерода сплавы называют чугунами.
В электротехнической стали из которой изготавливаются сердечники, дополнительно содержится кремний. Эта сталь имеет малые магнитные потери и узкую петлю Гистерезиса, а сплавы с большей петлей Гистерезиса относятся к магнитотвердым материалам (постоянные магниты).
Лекция 3. Проводники с высоким сопротивлением
В качестве материалов для этих проводников используются металлические сплавы. Они делятся на проводниковые резистивные, плёночные, материалы для термопара. Основные характеристики: удельное электрическое сопротивление (не менее 0,3 мОм на метр), температурный коэффициент ЭДС, зависимость сопротивления от температуры.
Манганин.
Пластичный сплав, состоящий из меди 85%, марганца 12% и никеля 3%. После изготовления спирали обжигают при температуре 6000С в течение 10 часов с медленным охлаждением.
Недостатки: окисляется, поэтому изолируется стеклом, но из-за этого имеет пониженную гибкость. Допускает прокатку до диаметра 0,2мм, применятся для изготовления высокоточных резисторов больших номиналов.
Константан.
Состав: медь около 60%. Никель до 40%, марганец 1,5%.
Основное положительное качество это постоянный коэффициент удельного сопротивления. Допустимая температура нагрева до 9000С для длительной работы 5000С. При контакте с медью образует высокую термо ЭДС и применяется для изготовления термопар.
Применение: для термостатов и гасящих резисторов. Широкого применения не находит из-за дороговизны никеля.
Нихром.
Нихром представляет собой твердый раствор никеля и хрома или тройные сплавы никель, хром и железо. Наличие железа делает сплав дешевле, улучшает обрабатываемость, но снижает нагревостойкость.
Применение: для изготовления резисторов, потенциометров, паяльников, печных нагревателей и плёночных резисторов в интегральных схемах.
Существуют хромоалюминиевые сплавы фехраль и хромаль. В отличие от нихрома они более хрупкие, поэтому из них изготавливают проволоку и ленту большого сечения. Применяют в нагревательных печах большой мощности. Эти сплавы значительно дешевле нихрома. Нихром варят электросваркой нержавеющими электродами.
Выводи из спирали должны изготавливаться из нержавеющей проволоки диаметром более 16мм.
Пленочные резистивные материалы.
Метало - плёночные материалы - это композиция из рения и вольфрама. В виде порошков наносится на изоляционные основания и защищает от внешних воздействий. Иногда применяется тантал, титан, хром, палладий и их сплавы.
Толщина плёнок от 1 до 10 мкм. Имеет высокое поверхностное сопротивление, низкий температурный коэффициент электросопротивления, мелко зернистую структуру, а при толщине пленки в несколько нанометров температурный коэффициент электросопротивления становится отрицательным.
Метало оксидные материалы.
Изготавливают резистивные плёнки, которые обладают высокой термостойкостью. Применяются материалы, изготовленные из двуокиси олова SnO2. Эта пленка обладает хорошей акдезией и высокой кислотостойкостью.
Композиционные резистивные материалы.
Представляют собой механические смеси мелко диспресных порошков металлов и их соединений с органической или не органической связкой. Например: оксиды серебра, палладия, карбиды кремния, вольфрам и др. Связки - термореактивные полимеры, порошкообразное стекло не органические эмали.
Предельная рабочая температура пленок 1500С. Композиции, которые подвергаются спеканию, имеют термостойкость до 3500С.
К недостаткам относятся: повышенный уровень собственных шумов, зависимость сопротивления от частоты и старения при длительной нагрузке.
Материалы для термопар.
Термопары применяются как чистые металлы, так и сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Материалы для термопар выбирают по параметрам: допустимой рабочей температуры спая, удельный коэффициент электрического сопротивления, температурный коэффициент удельного электрического сопротивления, коэффициент термо ЭДС.
Сплавы для изготовления термопар: копель, 44% никеля, 56% меди.
Сплав хромель: 10% хрома, 90% никеля.
Платина - радий: 90% платины, 10% радия.
Сплав алюмель: 95% никеля, 5% алюминий + олово + радий.
Легкоплавкие материалы с большим удельным сопротивлением.
Галлий - метал, который плавится при температуре 29,70С. Применение: в полупроводниковой технике в качестве лидирующей добавки для германия.
Сплавы индия и галлия имеют температуру плавления ниже комнатной. Применяются в качестве жидких проводниковых материалов. Используются для жидких контактов и для герметизации корпусов микросхем.
Лекция 4. Физические свойства металлов
К ним относятся электрические, магнитные и тепловые свойства.
В первую очередь это материалы, которые используются в электротехнической промышленности. От них требуется высокая электропроводность, или наоборот высокое электросопротивление, или например магнитные свойства. В таких случаях механические свойства материалов второстепенны.
Удельное электросопротивление проводника зависти от его размеров. Чем больше длина и меньше площадь сечения, тем электросопротивление проводника больше.
r = (с*l) /s
где с измеряется в (Ом*мм2) /мм = Ом*см
с - удельное электрическое сопротивление материала из которого изготовляется проводник длиной 1м и площадью сечения 1мм2
Величина обратная удельному сопротивлению называется удельной проводимостью.
для меди с = 1,7*10-6 Ом*см
для алюминия с = 2,7* 10-6 Ом*см
Тепловые свойства.
Теплопроводность материала характеризует способность передавать тепловую энергию, от одной части к другой, если между ними возникает разница в температурах.
Для определения теплопроводности, испытуемый материал одним концом помещается в нагревательное устройство, а другим в водяной калорифер.
Явление теплопроводности представляет собой перенос кинетической энергии за счет электронов проводимости и колебаний кристаллической решетки, при этом за счёт электронов передача тепла примерно в 30 раз больше чем за счёт решётки.
Теплопроводность не металлических материалов определяется ионной или ковалентной связью, т.е. только колебанием кристаллической решетки и поэтому теплопроводность в этих материалах на 1-2 порядок ниже, чем у металлов. Эта разница в теплопроводности применение материалов в технике и быту.
Термоэлектрические свойства.
Если 2 проводника из разных металлов соединить концами, а место соединения нагреть до разных температур, то в контуре возникнет ЭДС и пойдет термоэлектрический ток.
Величина ЭДС зависит от разности температур холодных и горячих спаев и природы материалов. Этот эффект используется для определения температур с помощью термопар. Термопара представляет собой спай двух разнородных проводников, для которых экспериментально установлена величина ЭДС в зависимости от температуры. В качестве материала используются следующие пары: хромель (90% никеля, 10% хрома); алюмель (94,5% никеля, 2% алюминия, 2% марганца, 1% кремния, 0,5% кобальта); платина - платинародий (90% платина, 10% родия).
Термическое расширение.
При нагреве материалов наблюдается тепловое расширение. Его величина оценивается коэффициентом объёмного или линейного расширения. Зависимость расширения металла от температуры носит криволинейный характер.
Подбор материала достигается использованием железо - никелевым сплавом. Сплав с содержанием 36% никеля называется инвар, практически не расширяемым. Этот сплав применяется в приборостроении деталей, для которых не допустимы изменения размеров при колебании температуры.
Технологические свойства металлов и сплавов.
Технологические свойства металлов характеризует поведение материалов в процессе изготовления из них деталей.
Под технологичностью понимается лёгкость поведения технологических операций. Основные технологические процессы: литьё, обработка давлением, обработка резанием, сварка.
Жидко текучесть лучше у тех металлов, которые имеют более низкую температуру плавления. Из алюминиевых сплавов хорошими литейными качествами обладают силумины (сплав алюминия с кремнием).
При производстве фасонного литья, т.е. изделия из сложной формы, материал должен обладать малой усадкой, т.е. объем должен мало изменяться при затвердевании. Малой усадкой 1% обладает бронза, т.к она пористая и чугун, который обладает усадкой 1,5%. У стали, процент усадки более 2%.
Лекция 5. Обработка давлением
Обрабатываемость давлением зависит от пластичности металлов. Пластичность определяется металлическим, гибким, не направленным типом связи. Пластичность стали тем выше, чем меньше содержание углерода и вредных примесей (сера и фосфор).
Широкое распространение получила технология холодной пластической деформации - это вытяжка, гибкость, штамповка. Для определения возможности материала с ним проводят следующие испытания:
на загиб
на перегиб
на вытяжку
на осадку
на обрабатываемость резанием - проверяется производительность, качество поверхности и вид стружки.
на скручивание
на свариваемость.
Технологическая свариваемость оценивает поведение металлов в процессе сварки и характеризует склонность к окислению металла при сварке и образование холодных и горячих трещин.
Классификация сталей.
Стали классифицируются по: химическому составу, качеству, назначению, видам термообработки, способу поставки.
По качеству нормируется по содержанию сферы и фосфора.
По значению улучшаемые стали, цементуальные, инструментальные, конструкторные, специальные.
Термообработка.
Цель термообработки - получение в детали необходимого комплекса свойств, за счет образования необходимой структуры металла, т.е. изменение свойств материала, а не размеров или формы. Термообработка может быть разупрочняющей или упрочняющей и состоит из нагрева до определенной температуры, выдержки при этой температуре и выдержке.
Отжиг - разупрочняющая обработка, применяется для уменьшения зерна, снятия внутренних напряжений, снижение твёрдости, улучшение обрабатываемости. Отжиг бывает диффузионный (для выравнивания химического состава).
Низкий отжиг для снятия внутренних напряжений и полный отжиг для устранения пороков структуры.
Нормализация применяется для перекристаллизации стали, для устранения крупнозернистой структуры, полученной при литье или ковке.
Закалка - повышение прочности и твердости за счет изменения структуры, не является окончательной операцией, затем идёт отпуск. Результаты закалки во многом зависят от правильного выбора температуры нагрева. При нагреве в электрических печах, скорость нагрева меньше чем в соляных ваннах. При достижении заданной температуры, деталь производит выдержку до полного равномерного её прогрева и затем остужают. В качестве закалочных сред используют воду, водные растворы, воздух, масло и даже свинец. Для увеличения механической прочности иногда применяется обработка холодом до минусовых температур.
Кроме этих процессов происходит поверхностное упрочнение. Поверхность детали насыщают различными элементами, путем диффузии при высокой температуре это производится для поверхностного упрочнения, повышение стойкости против агрессивных сред при нормальной и повышенной температуре.
Цементация - процесс насыщения поверхностного слоя стальной детали углеродом, производится для получения высокой твердости на поверхности при сохранении вязкой сердцевины.
Цианирование - называется процесс одновременного насыщения поверхности детали углеродом и азотом. При повышенной температуре цианирование в поверхностном слое увеличивается содержание углерода, а при понижение температуры увеличивается содержание азота. Цианирование может быть жидким и газовым.
Азотирование - процесс насыщения поверхности стали азотом, производится в среде аммиака. Участки детали, не подлежащие азотированию, зачищаются оловом, которое является непроницаемым для азота.
Диффузионная металлизация - поверхностный слой стали насыщается различными металлами. Среды для насыщения могут быть твердыми, жидкими газообразными.
Например, алюмитирование - насыщение поверхности стали алюминием, при этом деталь приобретает высокую коррозионную стойкость.
Хромирование - проводится для повышения коррозионной стойкости, кислотной стойкости.
Борирование - процесс насыщения стали бором. Очень сильно повышается абразивная износостойкость.
Поверхностная закалка применяется для получения высокой твердости в поверхностном слое с сохранением вязкой сердцевины.
Сущность процесса состоит в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются, создавая не равномерное распределение температур по телу детали, и происходит быстрое охлаждение детали. Скорость нагрева поверхностного слоя должна быть высокой, тогда внутренние слои не успевают нагреться.
Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)
При использовании этого способа уменьшается деформация детали, устраняется окисление, значительно повышается производительность.
Недостаток ТВЧ - высокая стоимость оборудования и низкая рентабельность в единичном производстве.
В настоящее время поверхностная закалка лазерным лучом. При этом охлаждение происходит за счет отвода тепла вовнутрь металла.
Лекция 6. Виды чугунов
Сплавы железа и углерода, с содержанием углерода более 2, 14% называются чугунами.
Классифицируется в зависимости от того в каком состоянии находиться углерод:
Белые чугуны.
Весь углерод находиться в связанном состоянии (в цементите), на изломе матово-белый.
Серый чугун.
Графит пластинчатой формы, на изломе темно-серый.
Высокопрочные чугуны.
Форма графита шаровидная.
Ковкие чугуны.
Графит имеет хлопьевидную форму.
Серые чугуны обладают наименьшей прочностью, т.к пластинки графита можно рассматривать как трещины, которые нарушают целостность металла. Чем крупнее пластины, тем менее прочен чугун. Предел прочности на сжатие примерно в 5 раз больше, чем на растяжения.
Чугун имеет следующие преимущества перед сталью:
1) Лучше обрабатывается резанием;
2) стружка сыпучая, а не сливная;
3) обладает хорошими антифрикционными св-ми;
4) Графитовые включения в чугуне обеспечивают хорошее демпфирование, т.е. гашение вибраций;
5) Практически не чувствителен к поверхностным эффектам.
Детали из серых чугунов получают отливкой или литьем. Например: станин из станков, поршень, зубчатые колеса и. т.д.
Высокопрочные чугуны получают при добавлении в чугун магния или церия, от этих добавок графит приобретает шаровидную форму. Эта форма графита обеспечивает высокие механические св-ва.
Ковкие чугуны получают из белых чугунов путем отжига, отжиг производиться в две стадии. Для ускорения процесса иногда добавляют алюминий. Применяется для ответственных деталей сложной формы.
Ковкие чугуны маркируются - КЧ
Высокопрочные - ВЧ
Серые чугуны - СЧ.
Две цифры после букв обозначают предел прочности, для повышения прочности чугуна иногда проводят старение. При естественном старении детали выдерживаются около года после старения, при этом внутреннее напряжение снижается на 10%.
Легированные стали.
Легированные стали - это стали, в состав которых добавляется легирующие элементы, эти элементы вводят для изменения ее строения и св-в.
Обозначения легирующих элементов:
Н - никель
Х - хром
К - кобальт
М - молибден
Г - марганец
Д - медь
Р - бор
Б - ниобий
Ц - цирконий
С - кремний
П - фосфор
Ч - редкоземельные металлы
В - вольфрам
Т - титан
Ф - ванадий
Ю - алюминий
Первые две цифры в маркировке показывают содержание углерода в сотых долях процента.
Цифры после букв указывают содержание этого элемента в процентах, если цифра после буквы не стоит, то содержание этого элемента 1%.
Стали бывают: цементуемые; улучшаемые; шарикоподшипниковые, резцорнопружинные.
Для резцов и пружин применяются стали легированные марганцем или кремнием или другими элементами. Например: 50С2; 60СГ; 50ФХА и др.
Стали для сварных конструкций.
Для целостности и прочности сварного соединения опасны трещины, которые могут возникнуть при сварке. Трещины бывают: горячие и холодные. Используются стали: 19Г; 14Г; 15ГФ; и др.
Для увеличения прочности материала около шва вводят алюминий и титан.
Инструментальные стали.
В процессе резания режущие кромки инструмента находятся под воздействием очень высоких контактных напряжений. В таком состоянии материал склонен к пластическому деформированию, Т.о. высокая твердость материала является необходимым св-ом инструментальной стали.
Коэффициент теплового расширения этих сталей должен быть минимальным. Иначе происходит термическая усталость и инструмент выходит из строя, снижается точность обработки.
Инструментальные стали бывают: углеродистые и легированные, кроме того есть быстрорежущие стали, у них основным легирующим элементом является вольфрам или молибден.
Имеются специальные марки стали для измерительного инструмента, они должны иметь высокую твердость, износостойкость, вязкую середину и зачастую устойчивость против коррозий.
Штамповые стали.
Штамповые стали для холодного деформирования должны иметь высокую износостойкость, прочность, вязкость, прокаливаемость. Температурный режим работы деталей инструмента достаточно тяжелые, работают с динамическими нагрузками, поэтому применяются качественные высоко легированные стали. Детали для пресс - форм должны иметь высокую жаропрочность.
Лекция 7. Твёрдые сплавы и керамика
Твёрдые сплавы - это материалы, состоящие из зёрен карбидов или карбонитридов тугоплавких металлов, соединённых металлической связкой.
Режущая керамика состоит только из твёрдых химических соединений. Основной метод изготовления изделий из этого материала - это порошковая металлургия. Основными средствами порошковой металлургии является получение порошков, приготовление смесей, формирование смесей и спекание. Основной компонент - карбид вольфрама. Металлургический вольфрам получают в две стадии: сначала разлагается вольфрамовая кислота и образуется оксид вольфрама, который затем восстанавливается в водородной среде.
Оксид алюминия Al2O3 основа многих видов керамики и получается из бокситов и глинозёма. Наиболее распространённый метод приготовления смеси это размол в шаровых мельницах. Во время размола смесь перемешивается, а тонкость помола определяется временем измельчения и доходит до пяти суток.
Наиболее распространённой технологией порошковой металлургии является прессование в пресс формах. Давление прессования 500-600 МПа. При прессовании качество зависит от равномерности и плотности смеси по объёму. Порошки имеют маленькую пластичность, и это усложняет прессование. При прессовании крупных изделий, эти изделия прессуют с двух сторон и дополнительно в состав вводят пластификаторы (каучук, парафин и т.д.)
Спекание - это заключительная операция, при которой пористое порошковое вещество превращается в малопористое или безпористое. Нормальной считается пористость 0,5%.
Твёрдые сплавы.
Высокая твёрдость, теплостойкость до 11000С, скорость резания до 300 м/мин
ВК - вольфрамокобальтовые сплавы
ТК - титано вольфрамокобальтовые сплавы
ТТК - титано-тантало - вольфрамокобальтовые сплавы
ТН, КНТ - безвольфрамовые сплавы
Сплавы первой группы обладают наибольшей прочностью, теплостойкостью около 9000С.
Режущая керамика.
Широко используется как конструкционный материал и имеют особые химические,
фрикционные и теплофизические свойства. В отличие от твёрдых сплавов керамика не содержит металлической связки, теплостойкость до 14000С, скорость резания до 600 м/мин. Основной недостаток керамики - хрупкость.
Применение инструментальных материалов.
Выбор инструментального и любого другого материала определяется его основными и технологическими свойствами, условиями обработки и областью применения. Не меньшее значение имеет конструкция изделия.
Область инструментальных сталей определяется их отличием от других материалов и возможностью изменения свойств за счет термообработки. После отжига эти материалы сами легко обрабатываются, а после упрочнения они приобретают способность к резанию.
Образивы предназначены для шлифования и полирования самых различных материалов. Они могут быть порошком, кругами, брусками, шлифовальной шкуркой, в которой порошки соединены связкой.
Электрокарунд получают плавкой из боксита или глинозема. Применение: для изготовления кругов на органические связки, микропорошков и т.д. Допускают обработку практически любых материалов
Цветные металлы и сплавы.
Медь обладает высокой пластичностью, высокой тепло и электропроводностью. Плотность меди 8,9 г/см3.
Медь широко применяется в электротехнической промышленности и используется как полуфабрикат при выплавке стали.
Марки меди:
М0 - 99,95% меди
М1 - 99,9% меди
М2 - 99,7% меди
М3 - 99,5% меди
М4 - 99,00% меди
Практически все примеси ухудшают электропроводность меди. Чистая медь из-за низкой прочности в машиностроении широко не применяется. В основном применяются сплавы с цинком, оловом, алюминием, кремнием и т.д.
Сплавы меди с цинком называются латунями, сплавы меди с оловом - свинцом, с кремнием и алюминием и другими материалами называют бронзы.
Алюминий относится к легким металлам, хорошо сопротивляется коррозии. Кремний и железо в его составе повышает прочность, но снижает пластичность. Алюминий марок Al 00, Al 0 применяется для изготовления фольги и покрытий в электропромышленности. Алюминий других марок как конструкционный материал.
Дюралюминий - это сплав алюминия, меди и марганца. Маркируется "Д". Допускает термообработку и естественное старение. Поставляется в виде профилей, прутков, листов и т.д.
Лекция 8. Магниевые сплавы
Плотность 1,7 г/см3, температура плавления 6510С, прочности и пластичность маленькие, легко окисляется, склонен к самовоспламенению. Широко используются славы с алюминием, цинком, марганцем и титаном. Алюминий и цинк повышают механические свойства, марганец повышает коррозионную стойкость, титан измельчает зерно. Широко применяется в авиационной и космической технике. Сплавы изготавливают деформированные и литейные, допускают термообработку.
Баббиты - это легкоплавкие подшипниковые сплавы, применяемые для вкладышей подшипников скольжения.
Металлический вкладыш должен обладать малым коэффициентом трения, достаточной износостойкостью и хорошей прирабатываемостью. Второе и третье требование друг другу противоречат. Что бы их совместить в металле должны быть твердая и мягкая фазы. В начале работы мягкая фаза быстрее изнашивается и образуются пустоты в которых удерживается смазка. Для изготовления баббитов используются сплавы свинец - сурьма и олово - сурьма. Иногда применяется легирование медью и другими элементами.
Титан.
Металл серебристо - белого цвета, плотность 4,5 г/см3, температура плавления 16680С. Свойства титана очень сильно зависят от его чистоты. Азот и кислород повышают прочность, но сильно снижают пластичность. Углерод и водород, вредные примеси обладают высокой коррозионной стойкостью даже в морской воде, хорошо свариваются, допускают термическую обработку.
Благородные металлы.
В группу благородных металлов входят: серебро, платина, палладий, золото. Это металлы которые обладают наибольшей химической стойкостью к окружающей среде и действию агрессивных сред.
Серебро.
Белый блестящий металл, плотность 10,49г/см3, самый электропроводный металл, удельное электрическое сопротивление 0,016 мкОм*м, температура плавления 960,80С. Имеет высокие механические свойства, относительное удлинение при разрыве 50%. Это позволяет изготавливать проводники диаметром менее 20 микрон, хорошо держится на диэлектриках, но при повышенной температуре и влажности атомы серебра мигрируют внутрь диэлектрика и нарушается изоляция.
Используются в виде конденсаторов, как в чистом виде, так и в сплавах и для слаботочных контактов. Широко применяются в БЧ и СВЧ устройствах, печатных платах, входят в состав тугоплавких серебряных прибоях. В спец. смесях с графитом применяется для изготовления электрощетков, тахогенираторов.
Платина.
Светло-серый металл, плотность 21,4 г/см3, температура плавления 17730С, удельное электрическое сопротивление 0,105 Ом. Не соединяется с кислородом, химически очень устойчив, имеет высокую пластичность, образует спаи с легкоплавкими стеклами, т.к коэффициент линейного расширения практически одинаковый. Из-за высокой стоимости применяются только в технически-обоснованных случаях. Например: для изготовления сеток в мощных лампах для генератора, для изготовления термопар, при температуре 16000С. Из платины изготавливаются электронити диаметром в 1 микрон.
Золото.
Металл желтого цвета, имеет высокую пластичность, позволяет прокатывать в фольгу толщиной 0,08 микрон. Имеет высокую коррозионную и химическую стойкость, применяется в чистом виде и в виде сплавов с платиной, серебром, никелем и цирконием.
Применяется для изготовления прецизионных контактов, малогабаритных реле, электродов фото элементов, в пленочной технике, золочение контактов и т.д.
Палладий.
Белый пластичный металл по свойствам ближе к платине, иногда ее заменяет. Высокий предел прочности на растяжение. Из него изготавливают электроды для керамических конденсаторов. Широко применяется в элекро вакуумной технике для очистки водорода от примесей, т.к обладает высокой проницаемостью для водорода.
Тугоплавкие металлы.
К этой группе относятся металлы с температурой плавления более 17000С. Как правило, химически устойчивы и имеют повышенную твердость и хрупкость. Применяются в электровакуумной технике, в полупроводниковом производстве, в микроэлектронике, для подвижных контактов и сверхпроводников.
Молибден - близкий по свойству к вольфраму, металл в 2 раза легче, достаточно низкое удельное сопротивление, до 5000С. не окисляется.
Лекция 9. Тантал
Сверхпроводниковый металл пластичный даже при комнатной температуре, допускает холодную выдержку и сварку. В качестве конструкционного материала выдерживает температуру 12000С, способен поглощать газы в электровакуумных приборах. Из него изготавливают электролитические конденсаторы. Применяется для различных нагревателей и испарителей при нанесении тонких пленок. Основной недостаток - высокая стоимость.
Ниобий.
Пластичный металл, хорошо обрабатывается при комнатной температуре и не корродирует. Применяется для приготовления катодов, анодов и сеток генераторных ламп.
Цирконий.
Металл внешне похожий на сталь, хорошо куется. Циркониевая пыль пожароопасна при температуре 750С, легко воспламеняется. Применяется для тех же целей, что и ниобий в вакуумной технике для поглощения газов.
Дафний.
Металл по внешнему виду похожий на сталь, обладает высокой пластичностью, стоек к окислению до температуры 9500С. Вводят в состав вольфрама, молибдена, тантала, для увеличения срока их службы и для изготовления нитей ламп накаливания и катодов рентгеновских трубок.
Ртуть.
Температура плавления - 38,90С, удельное сопротивление 0,96 мкОм*м, легко испаряется при комнатной температуре, пары очень ядовиты. Ртуть и все ее соединения относятся к ядовитым веществам. В ртути хорошо растворяются магний, алюминий, цинк, олово, свинец, кадмий, платина, серебро и золото. Слабо растворяются медь и никель. Не растворяются железо и титан. Применяется в лампах дневного света, для ртутных контактов в реле, в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях в ртутных лампах.
Кроме этих металлов в полупроводниках и электротехнике широко используются галлий, индий, олово, палладий, свинец, цинк.
Кадмий используется для изготовления фото элементов, покрытий СВЧ волноводов, для гальванических элементов и в качестве замедлителя в атомных реакторов.
Свинец.
Применяется для изготовления кабельных оболочек защищающих кабель, для вставок в главный предохранитель и как материал, поглощающий рентгеновские лучи. Имеет высокую коррозионную стойкость.
Цинк применяется в качестве защитного элемента.
Лекция 10
Полимерные материалы.
Полимерные материалы - это высоко молекулярные вещества с очень большой молекулярной массой.
Получение полимеров связано с образование химически активных групп и их последующим соединениям, в результате чего получае6тся макромолекулы.
Структура макромолекул полимеров может быть линейной, разветвленной, пространственной. Вытянутая длина молекул весьма велика. Например: молекула полистирола состоит из 5000 звеньев, имеет длину 12000 нМ.
Мономеры в молекуле связаны между собой сильной ковалентной связью, а связь макромолекул обусловлена силами Вандервальса, т.е. достаточно слабая, поэтому при повышении температуры такие полимеры легко размельчаются м становятся пластичными и называются термопластами. После охлаждения они вновь затвердевают и приобретают первоначальные свойства, не каких химических превращений не происходит.
Пространственная структура термореактивных полимеров образуется при первоначальном отвердении, следовательно протекание необратимых химических процессов - это состояние является термостабильным и при повторном нагревании они изменяют свои свойства которые не обратимы.
Стеклообразное состояние характеризуется только колебательным движением атомов входящих в состав молекулярной цепи около положения равновесия. При этом движение звеньев и перемещение макромолекул не происходит. В таком состоянии полимер находится до определенное температуры, называемой температурой стеклования.
Полимеры также как и металлы подвержены старению, т.е. самопроизвольному и необратимому изменению свойств в следствии разрушения связи в цепях макромолекул.
Процессы старения развиваются в результате воздействия кислорода, озона, света, температуры.
Для замедления процессов старения в полимеры добавляют стабилизаторы (органические или не органические вещества). Например: при введение сажи в состав полиэтилена в количестве 2-3% процесс старения замедляется в 30раз.
Пластмассы могут быть одно или много компонентными. Состав последних могут входить наполнители, пластификаторы, отвердители, красители.
Наполнители.
Повышают механические свойства, снижает усадку, придают материалам специальные свойства. По виду наполнители делятся на порошковые (древесный, мука, тальк, графит и т.д.), волокнистые (виде волокна натурального или искусственного), слоистые (бумага, ткань (текстолит)), газовые (воздух или нейтральные газы).
Пластификаторы.
Повышают эластичность, морозо- и огнестойкость, облегчает прессование (стеамин и аминовая кислота).
Отвердители.
Оксиды некоторых металлов (уротропин).
Термопластичные пластмассы.
Температура эксплуатации 600С - 2000С. При больших температурах ухудшаются свойства, при длительном нагружении изменяются размеры, т.е. пластмасса "течёт".
Полиэтилены.
Производится высокого и низкого давления. Имеет высокую химическую стойкость. При комнатной температуре практически не растворяется. Имеет высокие диэлектрические свойства. Рабочая температура - 700С - +1000С.
Полипропилен.
Жесткий, не токсичный материал, с более высокими свойствами чем у полиэтилена, рабочая температура до 1500С, морозостойкость до 200С.
Полистирол.
Твердый, жесткий, прозрачный материал, хорошо окрашивается, выдерживает ионизирующие излучение, стоек к кислоте, щелочам, маслам, но низкая теплостойкость, склонен к старению и образованию трещин.
АБС - пластики.
Является ударопрочными материалами, применяется для изготовления высоконагруженных деталей.
Второпласт.
Один из наиболее тепло и химически стойких материалов, рабочая температура от - 2690С до +2500С. Является высококачественным диэлектриком, хорошим антифрикционным материалом. Применяется для изготовления электротехнических деталей, мембран уплотнительных прокладок и деталей узлов трения. При высокой температуре высоко токсичен.
Поливинилхлорид (ПВХ).
Один из более распространенных материалов, не горюч, обладает высокой химической стойкостью, изготавливают облицовочную плитку, защитные покрытия металлических ёмкостей, изоляция проводов и кабелей. Обладает диэлектрическими свойствами.
Подобные документы
Магниевые сплавы в атомной энергетике. Алюминий и его свойства. Применение алюминиевых сплавов в реакторостроении. Магний и его свойства. Роль защитной оболочки, предохраняющей урановый металлический сердечник от коррозионного воздействия теплоносителя.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 04.12.2013Применения МД для исследования пластической деформации кристаллов. Алгоритм интегрирования по времени. Начальное состояние для кристалла с дефектами. Уравнение для ширины ячейки моделирования. Моделирования пластической деформации ГПУ кристаллов.
дипломная работа [556,7 K], добавлен 07.12.2008Исследование металлов, хорошо проводящих электрический ток. Полупроводники - твердые тела с промежуточной электропроводностью. Проявление различия полупроводников и металлов в характере зависимости электропроводности от температуры. Уравнение Шредингера.
реферат [338,7 K], добавлен 18.02.2009Понятие электропроводности металлов, ее сущность, особенности. Гипотезы о существовании электронных газов в металлах и опыты, подтверждающие их. Проводники характерные свойства. Материалы, обладающие высокой проводимостью, их обоснование и характеристика.
лекция [300,8 K], добавлен 21.02.2009Создание физической модели деформации материала. Система кластеров структурированных частиц. Описание механики процесса пластической деформации металла при обработке давлением и разрушения материала при гидрорезке на основе кавитации, резонансных явлений.
статья [794,6 K], добавлен 07.02.2014Фазовые переходы для автоколебательной системы "Хищник-Жертва" и для волн пластической деформации. Получение уравнений в обезразмеренном виде. Определение координат особых точек, показателей Ляпунова для них. Исследование характера их устойчивости.
курсовая работа [805,6 K], добавлен 17.04.2011Металлические расплавы и их свойства. Характеристика экспериментальных и теоретических методов изучения строения жидких металлов. Результаты дифракционного эксперимента. Современные методы электронографии поверхностных слоев металлической жидкости.
презентация [2,6 M], добавлен 22.02.2015Рентгеновский структурный анализ, его сущность и содержание. Исследование аморфных материалов и частично упорядоченных объектов. Строение реальных металлов и дефекты кристаллического строения. Особенности уширения спектральных линий в газах и плазме.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 27.01.2015История открытия, физические и химические свойства. Поведение титана и его сплавов в различных агрессивных средах. Основные диаграммы состояния. Перспективы применения в медицине. Биологически и механически совместимые имплантаты из никелида титана.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 07.01.2015Объединение изолированных атомов в кристалл. Схема локальных энергетических уровней электронов. Основные элементы зонной теории. Особенность состояний электронов в кристаллах. Уменьшение сопротивления металлов. Физические основы квантовой электроники.
контрольная работа [1,9 M], добавлен 09.01.2012
