Материаловедение ответы на билеты. материаловедение (2). Особые электрические свойства
![]()
|
2 вопрос ОСОБЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Диэлектрики – это вещества, которые не проводят электричество полистирол, капрон, фенопласты, текстолит и т.д.) Металлические проводниковые материалы – это металлы и сплавы высокой проводимости: серебро, медь, бронза и латунь. Серебро применяется для изготовления неокисляющихся проводников электрических контактов ответственных приборов. Специальными методами из серебра изготовляют покрытия на меди, латуни и непроводящих материалах: керамике, стекле, полимерах. Медь имеет широкое применение благодаря высокой проводимости, хорошим механическим характеристикам, более низкой по сравнению с серебром стоимости. Для защиты меди от окисления токоведущие элементы серебрят. В отожженном виде медь (марки ММ) имеет более высокую проводимость, в нагартованном (марки МТ) — высокую прочность. Мягкую медь (марки МО, M1) применяют для изготовления жил обмоточных проводов. Медь марок М2, МЗ и М4 используют преимущественно для получения сплавов. В изделиях с повышенными механическими характеристиками используют латуни, кадмиевые и бериллиевые бронзы. Кадмиевую бронзу используют для изготовления троллей, скользящих контактов, мембран. Латуни применяют для изготовления различных токопроводящих деталей. Алюминий характеризуется достаточно высокой электропроводностью в сочетании с пластичностью и малой плотностью. Он более распространен в природе, чем медь, более стоек к коррозии. Промышленность выпускает сверхчистый алюминий марок А 999 и А 995, алюминий высокой чистоты марок А 99 и А 95. Их используют для изготовления электролитических конденсаторов, защитных кабельных оболочек. Из алюминия технических марок А85 и А7 изготавливают кабели, токопроводящие шины. Для соединения алюминиевых проводов применяют специальные припои, разрушающие в месте контакта пленку окислов с высоким электрическим сопротивлением. В ряде случаев используют биметаллическую проволоку, состоящую из стальной сердцевины и медной или алюминиевой оболочки. Покрытие наносят гальваническим способом или плакированием. Полупроводниковые материалы – это класс материалов с электронной проводимостью, характеризующихся большей удельной электропроводностью, чем металлы, но меньшей, чем диэлектрики. Для получения полупроводников с заданными удельными электросопротивлени-ем и типом проводимости осуществляют их легирование. Согласно химической классификации полупроводниковых материалов, их разделяют на два класса: — простые полупроводники, имеющие в своем составе один элемент (В, С, Si, Ge, Sn, Р, As, Sb, S, Se, Те, I); — сложные полупроводники, являющиеся химическими соединениями и сплавами. Германий (Ge) является одним из наиболее широко применяемых полупроводников, его используют для изготовления выпрямителей, транзисторов, диодов и др. Полупроводниковые приборы на основе кремния работоспособны при более высоких температурах (120— 150°С), чем германиевые (70—85°С). Нелегированный кремний применяют при создании силовых выпрямителей, стабилизаторов напряжения и др. Широко используются в электронной промышленности селен, теллур и их соединения Материалы с особыми магнитными свойствами 5.4.1. Магнитные стали и сплавы По магнитным свойствам материалы делят нам ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Наибольший технический интерес представляют ферромагнетики. В ферромагнетиках весь объем тела разделен на области – домены, разделенные узкими границами, называемыми стенками доменов. Размеры доменов составляют 0,01…0,1 мм. Каждый домен намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны (рисунок 5.2), так что в отсутствие внешнего поля суммарный магнитный момент всего тела равен нулю. Действие внешнего поля ![]() ![]() Рисунок 5.2. Схема процесса намагничивания ферромагнетика Вначале, при слабых полях, наблюдается рост доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением внешнего поля, за счет доменов с неблагоприятной ориентировкой магнитных моментов путем движения стенок доменов. Всякая неоднородность структуры препятствует этому процессу. После того, как будут поглощены все домены с неблагоприятной ориентировкой магнитных моментов, в более сильных магнитных полях имеет место поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. В результате этих процессов индукция магнитного поля ![]() ![]() При неоднократном изменении направления намагничивающего поля формируется замкнутая кривая намагничивания – петля гистерезиса. ![]() Рисунок 5.3. Петли магнитного гистерезиса: а – магнитно-мягкий материал; б – магнитно-жесткий материал Напряженность магнитного поля, при которой магнитная индукция сводится к нулю, называется коэрцитивной силой Hс. Наклон зависимости величины магнитной индукции от напряженности магнитного поля определяет величину магнитной проницаемости материала: ![]() где 0 – магнитная постоянная. Произведение Вост × Нс называется магнитной энергией или энергией перемагничивания. Магнитно-мягкими называют материалы с высокой начальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой (рисунок 5.3, а). Магнитно-твердыми материалами называют материалы с высокой коэрцитивной силой и малой начальной магнитной проницаемостью (рисунок 5.3, б). Для большинства магнитных материалов наблюдается линейная зависимость между начальной проницаемостью и коэрцитивной силой. К магнитно-мягким относятся такие материалы с однородной структурой, как техническое железо, электротехническая сталь (сплав железа с кремнием), альсиферы (сплавы Fe-Si-Al), пермалой (Fe+78,5 % Ni) и супермаллой (Fe-5 % Mo-79 % Ni). Техническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) используют для магнитопроводов постоянного тока (электромагниты, реле и т.п.). Недостатком чистого железа являются большие потери мощности из-за вихревых токов, возникающих при перемагничивании. Легирование стали кремнием значительно повышает электрическое сопротивление и снижает потери за счет вихревых токов. Кремний также повышает магнитную проницаемость и индукцию, снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис. Поэтому для использования в переменных магнитных полях (трансформаторы, электродвигатели и т. п.) используют электротехническую сталь. Электротехническую сталь принято маркировать буквой Э, первая цифра за которой соответствует содержанию кремния в процентах, вторая цифра – удельным потерям на перемагничивание (1 – нормальные удельные потери, 2 – пониженные, 3 – низкие), 0 в конце марки указывает, что сталь холоднокатаная текстурированная, 00 – холоднокатаная малотекстурированная. Следовательно, горячекатаными электротехническими сталями являются Э11, Э12, Э21, Э32, Э41, Э42, Э43, а холоднокатаными – Э1100, Э310, Э3100 и т. д. Пермаллои и альсиферы используют в слаботочной технике (радио, телеграф, телефон). При высоких частотах используют ферриты, обладающие очень высоким электрическим сопротивлением. Их получают спеканием порошков Fe2O3 и оксидов двухвалентных металлов ZnO, NiO, MnO и др. Для характеристики ферритов обычно используют начальную магнитную проницаемость, например 2000 НС, 6000 НМ (НС – означает никелькремниевый, НМ - никельмарганцевый). Для создания постоянных магнитов используют магнитно-жесткие материалы. Структура, обеспечивающая такие свойства должна быть очень неоднородной. Либо это мартенсит с большим числом дислокаций и границ зерен (стали У8-У10 либо хромистые стали типа ЕХ3, ЕХ5К5), либо это стареющие сплавы с мелкодисперсной распределенной в матрице второй фазой (сплавы системы Fe-Al-Ni-Co), либо сплавы с упорядоченной структурой (Co5Sm). Одним из очень эффективных материалов, используемых для этих целей являются литые сплавы системы Fe-Al-Ni-Co, содержащие 7-9 % Al, 12-19 % Ni, 14-40 % Co и 3-4 % Cu (ЮНДК15, ЮН14ДК25А, ЮНДК31Т3БА, ЮНДК40Т8АА, ЮНДК35Т5БА, ЮНДК35Т5АА – в порядке возрастания магнитной энергии от 6 до 40 кДж/м3). Их высокая магнитная энергия достигается в результате закалки с температуры 1250-1300 С и последующего старения при 600..650 С. Структура сплава после такой термической обработки состоит из ферромагнитной матрицы и ферромагнитных дисперсных частиц. Дефицит никеля и кобальта привел к созданию таких сплавов для постоянных магнитов, как 71ГЮ (71 % Mn, Al остальное), 70ГГл (системы Mn-Ga). 5.4.2. Сплавы с особыми упругими свойствами и заданным температурным коэффициентом теплового расширения. Прецизионные сплавы с высокими упругими свойствами используются в приборостроении для изготовления упругих чувствительных элементов. Эти сплавы подразделяют на фероромагнитные, с температурно-стабильным модулем упругости, и немагнитные, с низким модулем упругости. К ферромагнитным сплавам на основе системы Fe-Ni принадлежат элинвары 36НХ (36 % Ni и 12 % Cr), 42НХТЮ и 44НХТЮ (41,5…45,5 % Ni,; 5,0…5,9 % Cr; 2,2…3,0 % Ti; 0,4…1,0 % Al) практически не обладающие температурной зависимостью упругих модулей. Сплавы 42НХТЮ и 44НХТЮ подвергают термической обработке – закалке от 950 С и отпуску-старению при 700 С в течение 4 ч. Термическая обработка позволяет получать значения температурного коэффициента модуля Юнга в пределах 1,510-5 К-1 в интервале температур 20…100 С. К немагнитным аустенитным сплавам с низким модулем упругости относятся 36НХТЮ и 36НХТЮМ8. Зависимость расширения металла от температуры нагрева носит нелинейный характер. В сплавах Fe-Ni температурный коэффициент теплового расширения имеет аномалии, связанные с магнитным превращением. Это позволило создать сплавы с заданными коэффициентами теплового расширения. Сплав с 36 % Ni 36Н, называемый инваром, имеет минимальный температурный коэффициент теплового расширения ( = 1,510-6 К-1). Сплав с 42 % Ni имеет постоянный коэффициент теплового расширения в интервале температур от –80 до +100 С. Инвар, легированный кобальтом и медью, 32НКД (31,5…33 % Ni, 3,2…4,2 % Co и 0,6…0,8 % Cu) имеет еще более низкий коэффициент теплового расширения ( = 110-6 К-1) и называется суперинваром. Сплав 29НК (28,5…29,5 % Ni и 17…18 % Co) предназначен для пайки и сварки с термостойким стеклом, так как имеет такой же коэффициент теплового расширения ( = 4,5…6,510-6 К-1) и называется коваром. Сплав 47НД (46…48 % Ni и 4,5…5,5 % Cu) имеет такой же коэффициент теплового расширения, как платина и нетермостойкие стекла ( = 9…1110-6 К-1) и называется платинитом. Платинит используется для сварки и пайки с нетермостойкими стеклами в электровакуумной промышленности. В качестве терморегуляторов в приборостроении используют биметаллические пластинки, сваренные из двух материалов с различным значением коэффициента теплового расширения. Для этих целей обычно используют инвар 36Н, имеющий минимальное значение коэффициента, и сплаву с 25 % Ni, у которого коэффициент очень большой ( = 2010-6 К-1). При нагреве пластинка биметалла искривляется и замыкает или размыкает электрическую цепь. Вопрос 3 Моторные масла — масла, применяемые главным образом для снижения трения между движущимися деталями поршневых и роторных двигателей внутреннего сгорания. Назначение моторных масел состоит в уменьшении трения и износа деталей двигателя, отводе теплоты от горячих деталей, предохранении от коррозии, выносе продуктов износа из зон трения, герметизации сопряжения цилиндр – кольцо – цилиндр Старение масла происходит вследствие загрязнения его пылью, продуктами износа, сгорания топлива и физико-химических изменений углеводородов. Старение масла может вызвать: — закоксовывание поршневых колец; — заклинивание клапанов в направляющих втулках; — прогарание клапанов; — сокращение проходных сечений маслоприемников насосов, фильтров, каналов смазочной системы; — повышение коррозии деталей; — абразивный износ. Смазывающие свойства моторных масел Смазывающие свойства масел характеризуются маслянистостью. К смазывающим свойствам относят: • антифрикционные свойства. Они влияют на величину трения между деталями. • противоизносные. Они уменьшают износ деталей. • противозадирные. Они предупреждают задир и заедание трущихся деталей. Антипенные свойства моторных масел Во время работы двигателя масло непрерывно взбалтывается и разбрызгивается, в результате в масло попадает воздух, отработавшие газы. Выходя из масла, пузырьки воздуха образуют обильную пену. Образование пены является нежелательным, т.к.: • ухудшается смазывание деталей, • увеличивается расход масла, • уменьшается надёжность подачи масла, т.к. вместе с ним подаётся и большое количество воздуха Способность масла защищать металлические поверхности от электрохимической коррозии называется защитными свойствами. Существуют следующие виды моторных масел: 1. С улучшенными эксплуатационными свойствами: • загущённые масла (облегчают пуск двигателя в холодное время года, снижают износ двигателя при пуске, их можно применять всесезонно и в условиях Крайнего Севера) • долгоработающие масла (срок их замены увеличен до 20…25 тыс.км пробега за счёт эффективных присадок) • универсальные (единые) масла (могут применяться как для карбюраторных, так и для дизельных двигателей). • рабоче-консервационные масла. (Содержат антикоррозионные присадки. Эти масла не сливают перед постановкой автомобиля на хранение и не заменяют перед последующей его эксплуатацией) 2. Перспективные: • антифрикционные масла (обладают повышенными противоизносными свойствами) • синтетические масла (могут работать в большем диапазоне температур, обладают повышенными смазывающими свойствами) • полусинтетические. • Класс А – масла для бензиновых двигателей. • Класс В – масла для дизелей легковых автомобилей. • Класс Е – масла для дизелей грузовых автомобилей ![]() Назначение присадок к моторным маслам заключается в улучшении природных качества масел (вязкостных, смазывающих, противоизносных), а также в придании маслам свойств, им не присущих («моющих», антикоррозионных, антиокислительных, противопенных). Различают следующие виды присадок: • Вязкостные присадки (полиизобутилен). Обладают высокой загущающей способностью. • Депрессорные присадки. Эти присадки понижают температуру застывания масла, что позволяет использовать их зимой при низких температурах. • Моющие присадки (зольные и беззольные). Препятствуют образованию смолистых соединений и их прилипанию к нагретым частям двигателя. • Антиокислительные присадки. Увеличивают химическую стабильность масла, т.е. препятствуют окислению масла до образования смолистых соединений и образованию нагара. • Антикоррозионные присадки. В их состав входят фосфор, сера, которые, вступая в химическую реакцию с металлом, образуют на поверхности деталей прочные плёнки, защищающие металлическую поверхность от коррозии. • Противоизносные присадки. Содержат соединения с хлором, фосфором и серой, которые вступают в реакцию с металлом и образуют на поверхности деталей плёнку, разделяющую поверхности трения и износа. • Противопенные присадки (кремнийорганические кислоты). Их действие основано на разрушении пузырьков воздуха, образующихся в масле Присадки к моторным маслам являются многофункциональными, т. е. улучшают качество масла сразу по нескольким направлениям. |