Глава 1. Металлы. Технология обработки металлов

Шишкова Л.И.

Ш 65Материаловедение графы и комментарии:учеб. пособ. для студентов электротехнических специальностей / Л.И. Шишкова. 2-е изд., перераб. и доп. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2009. –  220 с.: ил.

ISBN 978-5-7964-1296-1

Рассмотрены основные свойства электротехнических и конструкционных материалов, применение их в электротехнической промышленности и энергетике. Изложение материала пособия представлено в форме структурных граф, что определяет высокую содержательную емкость издания, логическую взаимосвязь рассматриваемого материала. Наглядно отображена взаимосвязь как между параграфами раздела, так и между разделами в целом. Наличие в пособии тестов и контрольных вопросов по каждому разделу позволит студентам объективно оценить собственный уровень усвоения наглядного и лекционного материала.

 Предназначено для студентов электротехнических специальностей дневной, заочной и дистанционной форм обучения.

УДК 621.382

       Ш 65

ISBN 978-5-7964-1296-1                                       © Л.И.Шишкова,

                                                                                         © Самарский государственный

                                                                                     технический университет,
Предисловие

В учебном пособии приведены основные сведения о строении, физико-механических и технологических свойствах конструкционных и электротехнических материалов. Рассмотрены свойства, технологии получения и применение газообразных, жидких и твердых электроизоляционных материалов, проводниковых, полупроводниковых и магнитных материалов. Изложены основы металловедения и способы обработки металлов; приведены области применения электротехнических материалов и их классификация.

Данное учебное пособие по курсу «Материаловедение и технология конструкционных материалов» соответствует Государственному образовательному стандарту, высшего профессионального образования и предназначено для студентов электротехнических, электромеханических и электроэнергетических специальностей вузов и техникумов.

Изучение дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов», с одной стороны, основывается на знаниях студентов по физике, химии, электротехники. С другой стороны, изучение электроматериалов помогает закреплению знаний по вышеуказанным дисциплинам, дополняет их и углубляет в практическом применении пройденных законов и явлений.

В результате изучения предмета студент должен:

представлять роль и значимость электротехнических материалов при производстве, монтаже, эксплуатации и ремонте электрооборудования, производстве и передаче электроэнергии, эксплуатации контрольно-изме­рительных приборов и автоматики;

понимать назначение, классификацию, сущность основных свойств и характеристик, возможности применения различных электроматериалов при производстве, монтаже, эксплуатации и ремонте электрооборудования, производстве и передаче электроэнергии, эксплуатации контрольно-измерительных приборов и автоматики;

уметь пользоваться нормативной документацией по стандартизации и справочной литературой для оценки пригодности материалов при их использовании в электротехнике;

учитывать альтернативу при выборе необходимых электроматериалов.

Для изучения данного предмета нужна определенная система, облегчающая процесс овладения обширным материалом. Важнейшая характеристика любой системы – её внутренняя упорядоченность. И здесь на помощь приходят графы, так как они достаточно точно классифицируют изучаемый материал и выявляют зависимости между свойствами электротехнических материалов и их назначением. Остается лишь обобщить и представить эти зависимость в наиболее приемлемом для восприятия и запоминания виде.

Изложение материала пособия в форме структурных граф определяет высокую содержательную емкость издания, логическую взаимосвязь рассматриваемого материала, развития внимания, наглядно-образной памяти.

Такая форма изложения позволяет выделить основное, главное в их содержании, рассматривать курс в рамках определенной системы, что в значительной степени способствует четкому и эффективному освоению и оказывает практическую помощь студенту при изучении курса «Материаловедение и технология конструкционных материалов»

Преимущества структурированного изложения материала обеспечивает целостность восприятия изучаемого материала, системность подачи, анализа и усвоения дисциплины.

Пособие состоит из пяти самостоятельных глав. Материал в каждой главе представлен в виде системных графов, которые можно собрать в единый гиперграф. Граф развивается постепенно, углубляясь от общих понятий к более конкретным. Каждый граф снабжен комментариями, где даются основные определения, способы получения, свойства, области применения электротехнических материалов.

В первой главе пособия рассмотрены основные свойства металлов и сплавов, способы получения сплавов, виды сплавов, основные виды обработки металлов и сплавов.

Вторая глава посвящена проводникам. Здесь определены их основные свойства, зависимость свойств от различных условий, дана классификация проводников по значению удельного сопротивления, по агрегатному состоянию, области применения проводников.

В третьей главе представлена классификация полупроводников и их свойства. Описаны методы получения полупроводников высокой чистоты, назначение и применение полупроводников в энергетике.

Основная классификация диэлектриков, их свойства, назначение рассматриваются в четвертой главе. Здесь описаны физические явления, происходящие в диэлектриках при действии на них электрического поля: поляризация, электропроводность, электрические потери и пробой изоляции.

Изложение материала пособия в форме структурных граф обеспечивает его высокую содержательную емкость, логическую взаимосвязь рассматриваемого материала, весьма важно, что такой подход способствует развитию наглядно-образной памяти, позволяет выделить основное, позволяет рассматривать курс в рамках определенной системы, что в значительной степени способствует четкому и эффективному освоению курса «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

В конце каждой главы предложены тесты для возможности самостоятельной оценки уровня усвоения, каждый тест имеет свою меру трудности от 0,1 (самая низкая) до 1 (самая высокая), которая позволяет оценить сложность каждого вопроса.

Введение

Материал - это объект, обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное. Функции, которые выполняют материалы - разнообразны. Это может быть обеспечение протекания тока - в проводниковых материалах, сохранение определенной формы при механических нагрузках - в конструкционных материалах, обеспечение непротекания тока, изоляция - в диэлектрических материалах, превращение электрической энергии в тепловую - в резистивных материалах. Обычно материал выполняет несколько функций, например диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, а значит является конструкционным материалом.

Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий. Стихийными материаловедами были ещё древние люди, например, научившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой структурой. Технический прогресс человечества во многом основан на материаловедении. В свою очередь технический прогресс дает новые возможности, методы, приборы для материаловедения, позволяет создавать новые материалы.

Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе. Совершенствование материала и технологии изготовления элементов оборудования из него приводит к радикально новым результатам.

Основные материалы, которые используются в энергетике - это электротехнические материалы, применяются для производства элементов, используемые для сборки электрических схем и осуществляющие прохождение электрического тока, его электрическую изоляцию, генерацию, усиление, выпрямление и т.п. Электротехнические материалы можно разделить на несколько классов. К электротехническим материалам относятся диэлектрические материалы, полупроводниковые материалы и проводниковые материалы. Значения их удельного сопротивления находятся соответственно в пределах: 10^-8 – 10^-5, 10^-6 – 10⁸, 10⁷ – 10¹⁷. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля. В них протекают электрические токи, выделяется тепловая энергия, происходят потери электрической энергии, происходит нагревание материалов. Поэтому они должны обладать рядом специфических свойств – электрофизических, механических, химических, потому что от них будут зависеть качество, надежность и безопасность работы электроустановок.

Более специфичны магнитные материалы, в них запасается магнитная энергия, в них также происходят ее потери, выделяется тепло при работе в переменном электрическом поле. По поведению в магнитном поле материалы делятся на два класса: сильномагнитные, к ним относятся ферромагнетики и ферримагнетики и класс сильномагнитных - сюда относят диа-, пара- и антиферромагнетики.

Конструкционные материалы используют для изготовления несущих конструкций, корпусов электрооборудования и т.д. К ним относят металлические и неметаллические: черные и цветные металлы, природные и синтетические полимеры и материалы на их основе, сплавы, композиционные материалы.

Чистые металлы обладают низкой прочностью, они слишком пластичны и поэтому практически не используются. Обычно используют сплавы разных металлов, в качестве добавок используют и неметаллы. При этом компоненты могут смешиваться друг с другом на молекулярном уровне, т.е. взаимно растворяться друг в друге, а могут и не смешиваться, образуя отдельные кристаллиты. В металловедении их называют фазами. Форма кристаллитов, их размер, взаимное расположение играет важную роль в создании тех свойств, которые требуются от материала. Каждый кристаллит представляет собой однородную систему со своей кристаллической структурой. Последняя образована ионами, образующими остов решетки и обобществленными электронами. Большинство металлов имеют решетки следующих типов: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная, гексагональная.

Если в идеальный кристалл ввести атомы другого типа, которые хорошо смешиваются друг с другом на молекулярном уровне (растворяются), то в ряде случаев образуются т.н. «твердые растворы». Введенные атомы в достаточно большом количестве, чтобы они были в окружении каждого атома - хозяина, но в недостаточном количестве, чтобы менять строение решетки, образуют твердый раствор. Бывают два типа твердых растворов: твердый раствор внедрения и твердый раствор замещения. В первом случае добавленные атомы находятся в междоузлиях решетки, а во втором случае - они замещают атомы в кристаллической решетке.

Здесь также следует выделить целый класс материалов не по признаку их функционирования, а по составу. Это композиционные материалы.

Композиционные материалы - материалы, состоящие из нескольких компонентов, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.

Примеры композиционных материалов - стеклопластик (стержни и трубы), стеклотекстолит листовой, материалы для контактов (смеси электропроводного и тугоплавкого металлов). Сочетание двух или более материалов позволяет использовать сильные стороны каждого из материалов. При этом свойства композита, далеко не всегда являются промежуточными между свойствами компонентов. В ряде случаев улучшаются характеристики, либо появляется материал с принципиально новыми характеристиками.

Глава 1. Металлы. Технология обработки металлов