Міністерство освіти і науки України

Чернігівський державний механіко-технологічний технікум

ЗАТВЕРДЖЕНО

Заступник директора з НР

__________С.В. Бондаренко

_____ _____________2008 р.

Методичне забезпечення

лекційних занять з дисципліни

Конструкційні та електротехнічні матеріали

для студентів IІ курсу

спеціальності 5.05070104 "Монтаж і експлуатація електроустаткувань підприємств і цивільних споруд"

Розглянуто на засіданні

циклової комісії

спеціальних електротехнічних дисциплін

Протокол №_1_ від 29 08 2008 року

Голова циклової комісії

Лекція № 1

Тема: Вступ. Загальні відомості про конструкційні та електротехнічні матеріали

Мета: Вивчити основну термінологія за курсом

Методи: словесний

План:

1 Мета дисципліни

2 Конструкційні матеріали, металознавство

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

Сучасний науково-технічний прогрес тісно пов'язаний з розробкою, вивченням і освоєнням нових матеріалів. Ці матеріали грали й продовжують грати дуже важливу роль у розвитку цивілізації. Цілі епохи історії цивілізації були названі за матеріалами, які були в той час визначальними: кам'яний, мідний, бронзовий і залізний вік. Можливо, що наступні епохи будуть названі паперовим століттям і століттям пластмас. Саме матеріали були і є ключовою ланкою в рішенні багатьох інженерних завдань при розробці виробів електротехніки, електроніки, енергетики й т.д.

Для раціонального застосування матеріалів необхідне знання їх фізичних, механічних, електричних властивостей, розуміння закономірностей змін цих властивостей при зміні умов їхнього одержання й експлуатації.

Особливу роль нові матеріали грають у розвитку такої технічної галузі, як електротехніка. Вона ставиться до історично молодих галузей, і в ній важко виділити періоди гнітючого панування окремих матеріалів. У розвитку матеріальної бази відбувалися окремі перегони, які уможливили відкриття нових матеріалів. Сюди можна віднести початок століття, коли з використанням першого електроізоляційного матеріалу макро молекулярного характеру - бакеліту - в електротехніку почалася ера пластичних мас. Аналогічні перегони обумовили відкриття під час другої світової війни перших сегнетоэлектрических матеріалів, потім впровадження в техніку феритів і напівпровідників.

У цей час електротехнічна промисловість не має можливості робити для своїх потреб матеріали вищої якості. Складність розв'язуваних нею завдань вимагає співробітництва з іншими галузями промисловості, які постачають електротехнікові високоякісною сировиною, напівфабрикатами, а часто і готовими виробами. Такими галузями в цей час є, зокрема, хімічна, металургійна, електронна. Тому наука про електротехнічні й конструкційні матеріали змикається з багатьма науковими галузями і являє собою типову комплексну наукову дисципліну, який при підготовці фахівців у середніх спеціальних навчальних закладах приділяється велика увага.

Ця дисципліна, ґрунтуючись на знаннях, отриманих учнями по загальноосвітніх предметах і теоретичних основах електротехніки, є базою для вивчення таких спеціальних предметів, як «Електричні виміри», «Основи промислової електроніки», «Основи автоматики й мікропроцесорної техніки», «Електричні машини» і ін.

2 В XVIII в. на основі аналізу попереднього досвіду й здогадів стала зароджуватися наукова теорія, що пояснює причини поломок виробів і показує способи поліпшення якості металу. Творці справді наукової теорії вперше почали погоджувати якість металу, його якісні властивості з особливостями його будови. Такий підхід у цей час є єдино правильним.

Одним з видатних дослідників того часу, відкривши секрет булатної сталі й написавши із цього приводу відразу ж переведений на німецький і французьку мови знаменита праця «Про булати», був російський вчений-металург А. А. Аносов (1799-1851). Для досягнення поставленої мети він крім особливостей хімічного складу згаданої сталі вивчав також специфіку її видимої зовнішньої будови - візерунка (макроструктури), а також внутрішньої будови - мікроструктури, уперше у світі застосувавши для цього мікроскоп.

Велике значення для розвитку світової науки про метали мали роботи іншого російського вченого -Д. К. Чернова (1839- 1921). Розробивши чітку теорію кристалізації й будови злитків, він вказав і понині актуальні шляхи поліпшення якості виплавлюваної сталі.

Відкривши в 1868 р. так звані критичні крапки сталі, Д. К. Чернов розкрив не відомий ще секрет її загартування й тим самим заклав основу під теорію й практику термічної обробки сплавів метою, що має, зміна їхньої будови й властивостей без зміни складу.

Металознавство — наука, що вивчає будову й властивості металів у їхньому строгому взаємозв'язку. Вона виходить із того основного принципу, що властивості будь-якого матеріалу залежать від його будови, що у свою чергу, залежить від складу, способу одержання й наступної обробки матеріалу.

У цей час цей принцип одержує подальше більше глибокий і всебічний розвиток. Справа в тому, що сучасна метало зберігаюча технологія може бути реалізована не тільки в результаті пошуків прямих шляхів економії металу при виготовленні виробів, але й за рахунок істотного поліпшення його якості, завдяки чому може бути зменшена маса металу, що витрачає.

Все сказане вище повністю ставиться й до конструкційних і електротехнічних матеріалів, застосовуваним для виготовлення електротехнічних пристроїв.

Література:

Конструкционные и электротехнические материалы: Учеб. для учащихся электротехн. спец. /В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.Я. Попов и др.; Под ред. В.А. Филикова. – М.: Высш. шк., 1990 Кузьмин Б.А., Самохацкий А.И. Металлургия, металловедения и конструкционные материалы. – М.: Высш. шк., 1984 Корицкий В.И. Электротехнические материалы. – Энергия. 1978 Электротехнические материалы. Справочник. Под ред. В.А. Березина. –М.: Энергоатомиздат, 1983

Лекція № 2

Тема: Будова і властивості металів і сплавів

Мета: Вивчити будову металів та дефекти кристалічних грат

Методи: словесний

План:

1 Будова металів

2 Дефекти кристалічних грат

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

Схеми кристалічних решіток, схеми дефектів кристалічних грат

Подивимося, як «улаштовані» реальні метали, які деталі й особливості їхньої внутрішньої будови, від яких залежать їх найважливіші службові властивості. Під службовими будемо розуміти такі властивості матеріалів, від яких залежить нормальна робота виготовлених з них виробів: міцність, пластичність, електропровідність, магнітні властивості й т.д.

Кристалічна будова металів і його дефекти. За рідкісним винятком, метали у твердому стані являють собою тіла, що складаються з величезної кількості дрібних, помітних тільки в мікроскоп зерен — кристаликів. У свою чергу, ці зерна складаються з атомів, упорядковано розташованих друг щодо друга в просторі.

Розташовуючись у просторі, найближчі друг до друга атоми утворять контур якого-небудь геометричного тіла, наприклад куба (мал. 1.1). Таким чином, кожне зерно металу складається з безлічі таких однаково орієнтованих геометричних тіл, називаних елементарними осередками. У сусідніх зернах металу ці осередки орієнтовані по-іншому.

Перебуваючи у вузлах кристалічних ґрат, атоми коливаються щодо свого середнього положення із частотою близько 10¹³ Гц, не залишаючи (за винятком деяких особливих випадків) своїх місць.

Щ об зрозуміти це, треба згадати будову атомів. Відомо, що атом будь-якого металу складається з позитивно зарядженого ядра й навколишніх його, що несуть негативний заряд декількох електронних оболонок. Кожна оболонка заповнена строго певною кількістю сильно пов'язаних з ядром електронів, і тільки на останній оболонці перебуває кілька електронів, слабко пов'язаних з ядром. Їхнє число дорівнює валентності металу. За допомогою цих електронів, називаних валентними, атоми металів установлюють зв'язку, взаємодіють із атомами інших елементів, у тому числі й металів, а також один з одним.

Завдяки колективізованим електронам метали володіють электро- і теплопровідністю, характерним металевим блиском і деякими іншими чисто металевими властивостями. Наприклад, блиск пояснюється відбиттям світлових променів від колективізованих електронів.

Тип кристалічних ґрат металу визначається формою того геометричного тіла, що становить основу його елементарного осередку. Найпоширенішими типами кристалічних ґрат металів є кубічна об'ємно центрована [ОЦК], кубічна гране центрована [ГЦК] і гексагональна щільно упакований [ГПУ] (мал. 1.2).

Як видно з наведених малюнків, в обох типів кубічних ґрат по 8 атомів перебуває у вершинах куба, а інші — у центрі куба на перетинанні його діагоналей — в ОЦК (мал. 1.2, а)— або на перетинанні діагоналей кожної грані, тобто в її центрі — у ГЦК (мал. 1.2,б).

Комірка ґрат ГПУ (мал. 1.2, в) являє собою призму, фундамент якої є центровані одним атомом шестигранники. Усередині цього осередку між фундаментом перебувають ще три атоми, що утворять рівносторонній трикутник.

Кристалічні ґрати металів незалежно від їхнього типу є щільно упакованими. Це означає, що атоми, що перебувають у їхніх вузлах, стикаються один з одним своїми зовнішніми електронними оболонками (видні праворуч на мал. 1.2).

Метали відрізняються один від іншого крім типу кристалічних ґрат ще і її параметрами, які являють собою характерні розміри геометричного тіла, що становлять її комірку. Наприклад, у кубічній комірці — ребро а (мал. 1.2, а, б), у гексагональної — сторона основи а й відстань між основами з (мал. 1.2, в).

Здатність металу змінювати тип своїх кристалічних ґрат залежно від температури називається алотропією (поліморфізмом). Поліморфні перетворення властиві також титану, цирконію, олову й іншим металам.

Алотропічні перетворення мають важливе значення в техніці; завдяки їм, наприклад, виявляється можливим робити термічну обробку сталі й інших сплавів, що мають метою змінювати їхню структуру й властивості.

Ми бачимо, що будова металів це впорядковане розташування атомів у просторі відносно один одного. Із цього випливає така важлива особливість, властивим всім кристалічним тілам, як анізотропія властивостей.

Під анізотропією розуміється неоднаковість механічних і інших властивостей кристалів по різних напрямках. Тому що властивості уздовж якого-небудь напрямку залежать від кількості розташованих на ньому атомів, то анізотропія є закономірним наслідком кристалічної будови.

Дійсно, наприклад, у кристалів з Оцк-решіткою властивості уздовж ребер кубів відрізняються від властивостей уздовж їхніх діагоналей, оскільки (мал. 1.2, а) уздовж ребра в осередку налічується два атоми, а уздовж діагоналі - три.

Вакансією називається незаповнений по тій або іншій причині вузол кристалічних ґрат (мал. 1.3, а). У місцях знаходження вакансій кристалічні ґрати перекручені, там виникають місцеві внутрішні напруження, які обумовлені порушеннями однорідності сил міжатомної взаємодії, що існує в ідеальних кристалічних ґратах з усіма заповненими вузлами.

Якщо в окремих осередках кристалічних ґрат між її вузлами за якимись причинами виявляються як би «зайві» атоми даного або іншого елемента, то дефекти, що утворяться при цьому, називаються впровадженими атомами (мал. 1.3, б). Впроваджені атоми також спотворюють кристалічні ґрати й створюють внутрішні напруження. При впровадженні між вузлів ґрат атомів інших елементів ці напруги виявляються ще більше, ніж значніше різниця між розмірами атомів впровадження й даного металу.

Лінійні недосконалості кристалічних ґрат називаються дислокаціями. Дислокації можна представити в такий спосіб: якщо надрізати ідеальний кристал і змістити краю надрізу на величину, кратну періоду ґрат, те усередині кристала в краю надрізу виникне деяке перекручування, що і є дислокацією

Якщо краї надрізу зрушені паралельно надрізу, то дислокація, що утвориться, називається гвинтовою. Якщо ж краї надрізу розсунути й усередину щілини, що утворилася, вставити (або видалити з її) зайву атомну площину того ж матеріалу , це приведе до утворення дислокації іншого типу - крайового (мал. 1.3, в)

Рис 1 3 Основні дефекти кристалічних ґрат

Чим більше є в зерні таких дефектів, тим сильніше перекручена його кристалічні ґрати й тим більше значні в ній внутрішні напруження. Дислокації виникають при кристалізації, особливо на границях зерен, при пластичній деформації металу, при його різких нагрівах і охолодженнях.

Не менш важливе значення для якісних властивостей металу мають будова й стан границь його зерен. Завдяки особливостям кристалізації металу (тобто утворення зерен з рідкого металу) кристалічні ґрати в шарі, що прилягає до границь кожного зерна, містить велику кількість вакансій і недобудованих осередків.

У границь сусідніх зерен зіштовхуються атоми, що перебувають на різних кристалографічних площинах, які не є продовженням один одного, а перетинаються під тим або іншим кутом Остання обставина дуже важлива для розуміння таких явищ, як зміцнення металу під час пластичної деформації, а також залежність міцності від розміру зерна металу.

По границях зерен можуть перебувати у вигляді включень різні легкоплавкі неметалічні домішки. Наприклад, у сталі між зернами можуть перебувати включення сульфіду заліза Fe. Тугоплавкі включення, наприклад сульфіду марганцю Mn, навпаки, перебувають усередині зерен.