Лекції за курсом електротехнічні матеріали

5.2. Конструкційні стали.

5.3. Кольорові метали та сплави.

5.4. Бетон. Залізобетон.

Розробка конкретних вузлів і пристроїв ставить ряд загальних і специфічних завдань для використовуваних матеріалів. По-перше, вони повинні виконувати ті функції, які закладені в вихідні вимоги. По-друге, матеріали повинні вибиратися більш дешевими з урахуванням трудомісткості обробки і передбачуваного ресурсу роботи. По-третє, матеріаломісткість вироби повинна бути, по можливості мінімальною. Для того, щоб всі ці вимоги забезпечити необхідно добре розуміти властивості матеріалів.

Найбільш поширеними конструкційними матеріалами є метали, а з металів - сталь. Вона становить приблизно 80-85% від усього обсягу випуску металів. Це обумовлено як відносною поширеністю заліза, так і технологічністю обробки сплавів на основі заліза.

Щодо поширеності елементів можна сказати наступне. Як ви напевно знаєте, наш всесвіт з'явилася в результаті Великого Вибуху. При цьому, першими утворилися легкі елементи, спочатку водень, потім з водню шляхом термоядерної реакції злиття - гелій, потім літій, берилій, бор, вуглець, азот, кисень. У перших рядах - кремній, алюміній, магній і залізо. А за поширеністю в земній корі, найпоширенішими елементами є кисень і кремній (75%) і залізо (4%). З глобальної точки зору - це матеріали майбутнього.

Метали є полікристалічні тіла, що складаються з дрібних кристалів розміром від 1 мм до 10 мкм. Вони називаються зернами, або кристаллитами.

Загальні властивості металів:

- висока теплопровідність і електропровідність
- підвищена здатність до пластичної деформації
- хороша відбивна здатність (металевий блиск)
- позитивний ТКС
- термоелектронна емісія при нагріванні.

Чисті метали мають низьку міцність, вони занадто пластичні і тому практично не використовуються. Зазвичай використовують сплави різних металів, як добавки використовують і неметали. При цьому компоненти можуть змішуватися один з одним на молекулярному рівні, тобто взаємно розчинятися один в одному, а можуть і не змішуватися утворюючи окремі кристаліти. У металознавстві їх називають фазами. Форма кристаллитов, їх розмір, взаємне розташування відіграє важливу роль у створенні тих властивостей, які вимагаються від матеріалу. Кожен кристаліт є однорідною систему зі своєю кристалічною структурою. Остання утворена іонами, що утворюють остов решітки і усуспільненими електронами. Власне кажучи тяжінням між електронами і іонним остовом решітки зобов'язані метали своєю міцністю. Більшість металів мають решітки наступних типів: кубічна об'ємно-центрована, де іони розташовані по кутах куба і один іон в центрі куба, кубічна гранецентрированная, де 8 іонів розташовані по кутах куба і шість іонів розташовані по центрам сторін куба, гексагональна, де іони розташовані по кутах шестигранної призми і в центрі площин призм, а також три іона в центральній площині призми. Якщо уявити собі атоми кульками, то такі укладання куль є структури, близькі до щільної упаковці.

Якщо в ідеальний кристал ввести атоми іншого типу, які добре поєднуються один з одним на молекулярному рівні (розчиняються), то в ряді випадків утворюються т.з. «Тверді розчини». Введені атоми в досить великій кількості, щоб вони були в оточенні кожного атома -Господар, але в недостатній кількості, щоб міняти будова решітки, утворюють твердий розчин. Бувають два типи твердих розчинів: твердий розчин впровадження і твердий розчин заміщення. У першому випадку додані атоми знаходяться в междоузлиях решітки, а в другому випадку - вони заміщають атоми в кристалічній решітці.

Стали є багатокомпонентними системами на основі заліза. Залежно від добавок їх властивості сильно змінюються. Першою і основною добавкою до заліза є вуглець.

Температура плавлення заліза 1539 ° С, щільність 7.68 Т / м 3. Дві основні модифікації - a - залізо і g - залізо. Перша має об'ємно-центровану грати і існує в інтервалі температур до 910 ° С і після 1 392 ° С. До температури 768 ° С ця модифікація феромагнітних. У проміжному діапазоні існує g залізо, у якого решітка гранецентрированная. Ця структура парамагнітних.

Температура плавлення вуглецю 3500 ° С, щільність 2.5 Т / м 3. Вуглець розчинний в залозі в твердому і рідкому стані, також може утворювати хімічну сполуку цементит, при великих концентраціях може існувати у вигляді графіту.

Основні структури системи Fe-C

- твердий розчин вуглецю в a - залозі з розчинністю всього 0.02%, атом вуглецю поміщається в центрі грані решітки. Ця структура називається феррит.

- твердий розчин вуглецю в g - залозі з розчинністю 2.14%, атом вуглецю поміщається в центрі куба. Ця структура називається аустеніт. Відрізняється високою пластичністю.

- Цементит - з'єднання Fe 3 C. Тут 6.67% вуглецю. До температури 210 ° С цементит феромагніти. Відрізняється високою твердістю.

Крім того, в якості особливої ​​фази може існувати графіт, і в якості евтектичною структури (суміші двох структур) - ледебурит. Він являє собою структуру, що складається з пластин цементиту, пророслих деревоподібними (дендритами) структурами кристалів аустеніту.

При дуже повільному охолодженні розплаву цементит не утворюється, а замість нього утворюються графіт + аустеніт при температурі 700-1200 ° С і графіт + ферит при температурі нижче 700 ° С. Витримка сплаву при підвищених температурах також призводить до розпаду цементиту на графіт і другий твердий розчин (ферит або аустеніт).

Вплив різних добавок на сталь.

4. Фосфор також є шкідливою домішкою. Він частково розчиняється в стали, частково збирається на кордонах зерен. Тому зменшуються пластичність, в'язкість, тріщиностійкість.

Легуючі добавки. Зазвичай це нікель, марганець. Як правило вони підвищують межу текучості сталі, причому вони сприяють стабільності аустеніту в низькотемпературної області. З нього роблять нержавіючі стали. Відзначимо, що нержавіюча сталь дійсно Парамагнітна, як і повинно бути у аустеніту.

Розглянемо найбільш популярні марки стали.

Стали звичайного якості: Ст.0, Ст.1, Ст.2, Ст.3, Ст.4, Ст.5, Ст.6.

Найбільш поширеними з кольорових металів є мідь, алюміній, олово, титан, а також тугоплавкі метали молібден і вольфрам. За механічним характеристикам, як конструкційні матеріали, кольорові метали, як правило, поступаються сталям. Крім того, вони більш рідкісні і дороги. Тому застосовуються вони там, де потрібні особливі характеристики. Наприклад вага конструкцій, корозійна стійкість, електропровідність, пластичність і т.п.

Для літакобудування, суднобудування, космічної техніки використовують сплави алюмінію і титану. Алюмінієві сплави мають характерну міцність приблизно на рівні рядових сталей s в

3 00 МПа, при цьому питома вага (щільність) приблизно в три рази менше d

2.7 Т / м 3. проти 7.9 Т / м 3 у заліза. Можна виділити дві основні групи сплавів алюмінію: «дуралюмин», що представляє собою сплав алюмінію, міді і магнію і «силумін», що представляє собою сплав алюмінію з кремнієм, з добавкою магнію і марганцю. Перші є деформуються міцними сплавами, придатними для штампування і використовуваними для виготовлення листів, профілів і т.п. Один з популярних сплавів Д16 має тимчасову міцність 540 МПа, подовження до розриву 11%. Силуміни придатні тільки для лиття, тому що вони досить текучі, мають малу усадку і не утворюють гарячих тріщин. Міцність їх невелика s в

2 00 МПа, подовження до розриву 2-4%.

Бронзи є сплавами з багатьма іншими компонентами. Зазвичай це олово, алюміній, кремній, цинк. Вони корозійно стійкі, міцні, мають високі технологічні характеристики. Ряд бронз має високу пружність і використовується для виготовлення пружин. Свинцеві бронзи мають високі антифрикційні властивості і використовуються в підшипниках.

Бетон являє собою композицію, складену з затверділої суміші цементу, заповнювача, води. Він є штучним кам'яним матеріалом. Основна перевага, як конструкційний матеріал - його дешевизна. Бетони бувають різними, в залежності від типів компонентів: малопорістие, великопористі, комірчасті (за структурою заповнювач), грубозернисті і дрібнозернисті, природні і автоклавні і т.д. Марка бетону зазвичай називається по міцності на осьовий стиск, наприклад М400 означає міцність на стиск 400 кг / см 2 (40 МПа). На розтягнення міцність бетону зазвичай в 10-20 разів менше. На вигин теж мала міцність, приблизно в 5-10 разів менше ніж міцність на стиск. Це не дивно, адже при вигині одна частина відчуває стиснення, а друга розтягнення. Той факт, що бетон практично не має міцності на розтягнення сильно зменшує можливості його використання. Щоб вийти з положення і змусити працювати конструкції на основі бетону на розтяг, придумали використовувати армований бетон, причому в арматурі попередньо створюють натяг при твердінні. Після затвердіння така бетонна конструкція здатна витримувати і розтягують напруги, адже насправді бетон тут виявляється стислим і при розтягуючих навантаженнях в ньому лише зменшується тиск.

5-6. добавки порошку сегнетокерамики можуть підняти її до 50-60. В енергетиці бетон використовується і як конструкційний матеріал (більшою мірою), і як діелектричний матеріал, і як електропровідний матеріал.

література
1. Наповнювачі для полімерних композиційних матеріалів. Спр.пособіе / під ред.Г.С.Каца і Д.В.Мілевскі.-М.: Хімія, 1981,736 с.