Вопрос 2. Атомарно – кристаллическое строение вещества. Изотропия и анизотропия в кристаллических веществах.

Вопрос 1. Основные понятия. Классификация электротехнических материалов.

Для производства элементов электроустановок, их монтирования и сборки используют всевозможные электротехнические материалы. Эти материалы подразделяются:

1. по способности пропускать электрический ток:

   а) проводники;

   б диэлектрики;

   в) полупроводники;

2. назначению:

   а) материалы для изготовления токоведущих частей;

   б) изолирующие, изоляционные материалы;

   в) магниты;

   г) конструкционные;

   д) вспомогательные;

3. агрегатному состоянию:

   а) твердые;

   б) жидкие;

   г) газообразные;

4. химическому составу:

  а) чистые элементы;

  б) химические соединения элементов и смеси.

Проводниковые материалы довольно легко пропускают электрический ток и по этой причине используются как токоведущие части электроустановок. К этим материалам относятся металлы, в первую очередь – это серебро, медь, алюминий, сталь, а также их сплавы – такие как латунь, бронза и пр. К проводникам также относятся растворы различных кислот, щелочей, солей и электротехнический уголь.

Электроизоляционные материалы (они же диэлектрики) очень тяжело пропускают электрический ток и поэтому их используют для изоляции токоведущих частей. К этим материалам принадлежат воздух, инертные газы, различные смолы, пластмассы, стекло, парафин, слюда, керамика и др.

К полупроводниковым материалам относятся материалы, которые занимают промежуточное значение по способности пропускания электрического тока между проводниками и изоляторами (диэлектриками). К ним относятся химические элементы 4-ой группы - германий, кремний, химические соединения галлия и индия. Из полупроводниковых материалов изготавливают полупроводниковые приборы - диоды, полупроводниковые резисторы, транзисторы, тиристоры, микросхемы и др.

Такие свойства как намагничивание присущи магнитным материалам, к которым относят железо и другие сплавы, состоящие из железа. Эти материалы используются в качестве сердечников статоров и роторов электродвигателей и генераторов, трансформаторов, электромагнитных реле, дросселей и др.

Конструкционные электротехнические материалы применяют для изготовления конструктивных частей электроустановок. К этой группе относятся как проводниковые, так и электроизоляционные материалы. Так, например, из чугуна и сплавов алюминия льют корпуса электромашин, щиты, конструкции для крепежа токоведущих частей, из керамики изготовляют остовы электронагревательных приборов и реостатов, из пластмассы – корпуса электроприборов для измерения, ручки автоматических выключателей, рубильников.

В процессе изготовления и монтажа электроустановок еще используют клеи, лаки, припои, эмали и т. п. им материалы. Эти материалы относятся к вспомогательным электротехническим материалам.

 

Вопрос 3. Явление аллотропии в кристаллических веществах. Магнитные превращения. Понятие о дефектах кристаллического строения.

Аллотропия - существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам — так называемых аллотропных (или аллотропических) модификаций или форм.

Явление аллотропии обусловлено либо различным составом молекул простого вещества (аллотропия состава), либо способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке (аллотропия формы).

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких — алмаз.

Магнитные превращения.

Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы.

При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определ¨нной температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

 Дефекты строения кристаллических тел.

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек.

Различают четыре типа дефектов строения металлов: точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Точечные дефекты: характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под воздействием тепловых, механических, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.

Линейные дефекты: Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов - дислокации. Теория дислокаций была впервые применена в середине тридцатых годов ХХ века. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов.

Поверхностные дефекты: Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов.

Объемные дефекты: Объемные дефекты имеют большую протяженность во всех трех измерениях. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы частицы, оседающие на различных дефектах, например пузырьки газов.

Вопрос 6. Сплав. Основные понятия теории сплавов.

Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Теории сплавов: стема – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов. Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. В сплавах возможно образование следующих фаз – жидких растворов, химических соединений, твердых чистых металлов и твердых растворов. В зависимости от числа фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными. Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе. Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз. Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе.Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы (С). Это правило фаз.

 

Вопрос 23. Чугуны.

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь, но дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы. Различают несколько видов чугуна.

 

Белый чугун, в котором весь углерод (2,0...3,8%) находится в связанном состоянии в виде Fe3C (цементита), что и определяет его свойства: высокие твердость и хрупкость, хорошую сопротивляемость износу, плохую обрабатываемость режущими инструментами.

Белый чугун применяют для получения серого и ковкого чугуна и стали.

Серый чугун содержит углерод в связанном состоянии только частично (не более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии в виде графита. Графитовые включения делают цвет излома серым. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на мягкое пластичное железо и графит по реакции Fe3C~>--»-3Fe-[-C. В зависимости от преобладающей структуры различают серый чугун на перлитной, ферритной или ферритоперлитной основе.

Свойства серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную твердость и легко обрабатывается режущими инструментами. Серый чугун, применяемый в строительстве, должен иметь предел прочности при растяжении не менее 120 МПа, а предел прочности при изгибе 280 МПа.

Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие детали.

 

 

Ковкий чугун получают после длительного отжига белого чугуна при высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с выделением свободного углерода на ферритной или перлитной основе. Углеродные включения имеют округлую форму. В отличие от серых ковкие чугуны являются более прочными и пластичными и легче обрабатываются.

 

Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственных деталей.

При испытании серого и высокопрочного чугунов определяют предел прочности при растяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна — предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость.

При маркировке серого и модифицированного чугуна, например СЧ12—28, первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие две — предел прочности при изгибе.

 

 

Криопроводимость

Помимо явления сверхпроводимости в современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости, т.е. достижение некоторыми металлами весьма высокой удельной проводимости при криогенных температурах (но более высоких, чем температура сверхпроводникового перехода, если данный металл вообще принадлежит к сверхпроводникам). Материалы, обладающие особо благоприятными свойствами для применения в качестве проводников в условиях криогеннных температур, называются криопроводниками или гиперпроводниками.

 

Весьма малое, но все же конечное значение удельного сопротивления криопроводника при его рабочей температуре ограничивает допустимую плотность тока в нем, хотя эта плотность может быть намного выше, чем в обычных проводниках. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широких пределах удельное сопротивление изменяется плавно, без скачков, не могут использоваться в ряде устройств, действие которых основано на триггерном эффекте появления и разрушения сверхпроводимости. Однако применение криопроводников в электрических машинах, аппаратах, кабелях и т.п. имеет и свои преимущества, притом весьма существенные. Так, если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяется жидкий гелий, рабочая температура криопроводников достигается применением более высококипящих и дешевых хладоагентов: жидкого водорода или даже жидкого азота. Это значительно упрощает и удешевляет выполнение и эксплуатацию устройства. Кроме того, в сверхпроводниковом устройстве, например электромагните, по обмотке которого проходит сильный ток, накапливается большая энергия магнитного поля. Если из-за случайного повышения температуры или магнитной индукции хотя бы на малом участке сверхпроводящего контура сверхпроводимость будет разрушена, внезапно освободится большое количество энергии, что может вызвать серьезную аварию. В случае же криопроводниковой цепи повышение температуры вызовет лишь постепенное возрастание сопротивления этой цепи без эффекта взрыва.

 

 

Вопрос 1. Основные понятия. Классификация электротехнических материалов.

Для производства элементов электроустановок, их монтирования и сборки используют всевозможные электротехнические материалы. Эти материалы подразделяются:

1. по способности пропускать электрический ток:

   а) проводники;

   б диэлектрики;

   в) полупроводники;

2. назначению:

   а) материалы для изготовления токоведущих частей;

   б) изолирующие, изоляционные материалы;

   в) магниты;

   г) конструкционные;

   д) вспомогательные;

3. агрегатному состоянию:

   а) твердые;

   б) жидкие;

   г) газообразные;

4. химическому составу:

  а) чистые элементы;

  б) химические соединения элементов и смеси.

Проводниковые материалы довольно легко пропускают электрический ток и по этой причине используются как токоведущие части электроустановок. К этим материалам относятся металлы, в первую очередь – это серебро, медь, алюминий, сталь, а также их сплавы – такие как латунь, бронза и пр. К проводникам также относятся растворы различных кислот, щелочей, солей и электротехнический уголь.

Электроизоляционные материалы (они же диэлектрики) очень тяжело пропускают электрический ток и поэтому их используют для изоляции токоведущих частей. К этим материалам принадлежат воздух, инертные газы, различные смолы, пластмассы, стекло, парафин, слюда, керамика и др.

К полупроводниковым материалам относятся материалы, которые занимают промежуточное значение по способности пропускания электрического тока между проводниками и изоляторами (диэлектриками). К ним относятся химические элементы 4-ой группы - германий, кремний, химические соединения галлия и индия. Из полупроводниковых материалов изготавливают полупроводниковые приборы - диоды, полупроводниковые резисторы, транзисторы, тиристоры, микросхемы и др.

Такие свойства как намагничивание присущи магнитным материалам, к которым относят железо и другие сплавы, состоящие из железа. Эти материалы используются в качестве сердечников статоров и роторов электродвигателей и генераторов, трансформаторов, электромагнитных реле, дросселей и др.

Конструкционные электротехнические материалы применяют для изготовления конструктивных частей электроустановок. К этой группе относятся как проводниковые, так и электроизоляционные материалы. Так, например, из чугуна и сплавов алюминия льют корпуса электромашин, щиты, конструкции для крепежа токоведущих частей, из керамики изготовляют остовы электронагревательных приборов и реостатов, из пластмассы – корпуса электроприборов для измерения, ручки автоматических выключателей, рубильников.

В процессе изготовления и монтажа электроустановок еще используют клеи, лаки, припои, эмали и т. п. им материалы. Эти материалы относятся к вспомогательным электротехническим материалам.

 

Вопрос 2. Атомарно – кристаллическое строение вещества. Изотропия и анизотропия в кристаллических веществах.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Атомы в кристалле расположены в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узле которой располагаются атомы (ионы), образующие металл.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки (решетки).

Для характеристики элементарной ячейки задают шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними б, в, г. Эти величины называют параметрами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки бывают простыми (атомы только в вершинах решетки) и сложными.

Металлы образуют одну из следующих высокосимметричных сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.