Материаловедение для электриков в вопросах и ответах. Учебное пособие

Кривая поведения материала при растяжении строится в координатах δ–σ:

На кривой обозначены:

σпц– предел пропорциональности, напряжение, при нагружении до которого работает закон Гука;

σ0,2 – условный предел текучести, напряжение при котором остаточная деформация после снятия нагрузки составляет 0,2 %;

σв – предел прочности при растяжении, напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом при испытании (временное сопротивление разрыву).

Нагрузки на материал могут быть не только растягивающие, но и сжимающие, сдвигающие, срезающие, крутящие и т.д. Всем им соответствуют определенные по тем же принципам параметры. Иногда разрушение материала происходит в упругой области. Такие материалы называют хрупкими.

47. На кривой, характеризующей механическое поведение материала при растяжении, укажите и назовите харак- т е р н ы е точки

50. Чтотакое вяз- к о с ть ? Какими величинами она характеризуется?

51. Что такое ударная вязкость?

Вязкость (внутреннее трение) – свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление одной их части при передвижении относительно другой. Для количественного определения вязкости используют параметры:

коэффициент динамической вязкости, η – это коэффициент пропорциональности между силой F, вызывающей сдвиг слоев единичной площади, и градиентом скорости движения слоев в направлении, перпендикулярном движению:

F vz ;

единица измерения коэффициента динамической вязкости – Па·с;

текучесть – это величина, обратная коэффициенту динамической вязкости, – η–1;

кинематическая вязкость – это отношение коэффициента динамической вязкости к плотности вещества.

Вернемся теперь к некоторым другим важным механическим характеристикам твердых тел, определяемым при одноразовом нагружении. Одним из распространенных воздействий на материалы, применяемые в энергетике и в электротехнике (в том числе на изоляционные, композиционной структуры и др.), является ударный изгиб. Механические свойства материала при этом можно характеризовать ударной вязкостью образца с надрезом.

Ударная вязкость – работа разрушения образца с кольцевым надрезом при ударном изгибе, отнесенная к площади образца в сечении надреза; для неметаллов определяется также на образцах без надреза. Измеряется в джоулях на метр в квадрате (Дж·м–2). Общепринятое обозначение KCU, где форма последней буквы – U напоминает профиль надреза. Для разных материалов формы надрезов могут быть и иными, с соответствующими обозначениями: KCV; KCT.

Характеристики локальных механических воздействий на материал определяются измерением твердости.

Метод Бринелля: шарик стандартных размеров вдавливается определенной силой в поверхность материала. Твердость по Бринеллю (HB) – отношение силы, вдавливающей стандартный стальной шарик, к площади отпечатка.

Метод Роквелла: в поверхность материала с усилием 150 кгс вдавливается алмазный конус или шарик. Твердость по Роквеллу (HR) – отношение силы вдавливания к глубине внедрения алмазного конуса (е) с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стального шарика диаметром 1,5875 мм (шкала В). Твердость по Роквеллу для шкал А и С (HRC) равна (100 –) е, а по шкале В (HRB) равна (130 – е). Чем меньше величина е, выраженная в делениях шкалы циферблата, тем выше твердость, которую показывает шкала.

Твердость по Моосу (твердость царапанием) определяется с использованием для царапания по поверхности эталонных минералов, каждому из которых присвоено число твердости:

1 – тальк, 2 – гипс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит, 6 – ортоклаз, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 – корунд, 10 – алмаз.

Твердость испытываемого материала записывается числом, средним между числами, принадлежащими двум рядом расположенным минералам, один из которых не царапает испытываемую поверхность, а другой – царапает.

Примеры механических характеристик, полученных при длительных воздействиях, и характеристик разрушения приведены ниже.

Многоцикловая усталость – предельное напряжение, при котором происходит разрушение после 107…2 · 107 циклов знакопеременной нагрузки.

Малоцикловая усталость. Определяется на базе циклов ≥ 5 · 104 и характеризуется:

а) числом циклов при заданном уровне повторных напряжений; б) пределом выдерживаемого повторяющегося напряжения при

выбранном числе циклов.

Предел длительной прочности – предельное напряжение, вы-

держиваемое образцом в течение 100 или 1000 часов.

Скорость роста трещины усталости СРТУ и т. д.

53. Назо-

вите несколько механических характеристик, полученных при длительных воздействиях, и характеристик разрушения

55. Какие компоненты харак- т е р н ы для сплавов железа и углерода?

Углерод в стали и чугуне может находиться:

а) в виде твердого раствора в гамма-железе. Кристаллы Feγ имеют гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку. Такой компонент называется аустенит;

б) в виде твердого раствора в альфа-железе. Кристаллы Feα имеют объемно центрированную кубическую кристаллическую решетку. Такой компонент называется феррит;

в) в виде химического соединения Fe3С, называемого цементит; г) в чугунах углерод (выше предела растворимости) может находиться в чистом виде, в различных формах графита: пластинчатой,

шаровидной, хлопьевидной и т. д.

Смеси указанных компонентов дают другие составляющие стали и чугуна.

Ледебурит – «эвтектическая» смесь аустенита и цементита. Термином «эвтектическая» (см. эвтектика) обозначается смесь двух твердых компонентов, полученная при охлаждении из расплава смеси двух тех же жидких компонентов.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Термином «эвтектоидная» обозначается смесь, полученная при охлаждении одного твердого компонента, распадающегося на два (в нашем случае – на феррит и цементит).

Состав материала, получаемого в металлургии, можно оценить и предсказать по диаграмме состояния. Диаграмма состояния – это двумерная картина областей существования различных компонентов сплава, изображенная в координатах: Х – содержание одного из компонентов в продуктах (для стали и чугуна это может быть углерод или цементит); Y – температура сплава (расплава).

От конечного состава компонентов зависят многие свойства стали и чугуна.

Предел прочности при растяжении для конструкционных сталей составляет 300 МПа и выше. Прочность повышается при увеличении содержания углерода до 1 % и достигает значений примерно

1100 МПа.

Конструкционные стали классифицируются по нескольким признакам.

а) По качеству, определяемому содержанием вредных примесей – серы и фосфора, придающих стали ломкость соответственно при высоких (красноломкость) и низких (хладоломкость) температурах:

стали обыкновенного качества (S: 0,04…0,06 %; P – 0,04…0,08 %);

качественные стали (S, Р: 0,03…0,04 %);

высококачественные стали (S, Р: < 0,03 %). б) По составу:

низкоуглеродистые, С < 0,25 %;

среднеуглеродистые 0,25 % < С < 0,6 %;

высокоуглеродистые С > 0,7 %;

легированные (с добавлением других металлов).

56. Назовите примерное значение предела прочности при растяжении конструкционной стали

57 . Дайте примеры классификации конструкционных сталей

59. Назовите примеры применения конструкционной стали в энергетике

Сталь как конструкционный и электропроводящий материал применяется:

в опорах линий электропередачи;

в качестве механической основы (сердечника) сталеалюминиевых проводов;

для изготовления ячеек, в которых размещается оборудование, и закрытых распределительных устройств (ЗРУ);

для облицовки водоводов и изготовления затворов в плотинах гидроэлектростанций;

Удельное электрическое сопротивление бетона зависит от его структуры и влажности. Эта зависимость описывается эмпирическим выражением

28 000 Ом м,

коэффициент структуры для бетона марки 200 (М200). Более прочные бетоны имеют более высокие значения коэффициента структуры.

62. От чего зависит удельное электрическое сопротивление бетона?

Бетон применяется в основном как конструкционный материал в железобетонных конструкциях линий электропередачи и подстанций (фундаменты, опоры, здания). Железобетонные конструкции, находящиеся в земле, могут использоваться как заземлители за счет электропроводности влажного бетона. При определенном минералогическом составе цемента, технологии изготовления и гидрофобизации (см. гидрофобный) специальными веществами бетон обладает хорошими изоляционными свойствами.

Сталь, чугун и бетон – основные материалы для механических конструкций в электроэнергетике. Перспективным материалом в этой области может стать титан.

63. Расскажите о применении б е т о н а в электро- э н е р г е - тике

65. Назовите основные параметры, характеризующие дидиэлекрик

2.2. ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)

2.2.1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИЭЛЕКТРИКОВ

Вэтом разделе мы не будем рассматривать каждый из электроизоляционных материалов, сведения о которых можно найти в рекомендуемой литературе. Раздел посвящен описанию специфических свойств диэлектриков с соответствующими примерами.

Косновным параметрам, характеризующим диэлектрик, относятся:

удельное объемное сопротивление, ρv;

удельное поверхностное сопротивление, ρs;

диэлектрическая проницаемость, ε;

тангенс угла диэлектрических потерь, tgδ;

электрическая прочность Eпр.

Удельное объемное сопротивление (или просто «удельное электрическое сопротивление») и диэлектрическую проницаемость мы уже рассмотрели в разделах 1.3.1 и 1.3.2.

67. Что такое диэлектрические потери?

2.2.2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Диэлектрические потери – это потери энергии в диэлектрике, находящемся в электрическом поле. Энергия электрического поля расходуется на нагрев диэлектрика.

Наибольшие потери бывают при переменном электрическом поле. Энергия переменного электрического поля расходуется:

на поляризацию диэлектрика;

движение свободных носителей заряда через диэлектрик (элек-

тропроводность)

–и за счет указанных явлений нагревает диэлектрик.

Для того чтобы количественно характеризовать склонность диэлектрика к потерям, рассматривают электрические схемы замещения

диэлектрика.

Для расчета диэлектрических потерь и других процессов в устройствах с диэлектриками последние замещаются схемами, наиболее известные из которых:

последовательная схема замещения диэлектрика

параллельная схема замещения диэлектрика

Схемы замещения диэлектрика непременно содержат емкость С и активное сопротивление R. Емкость отражает способность диэлектрика накапливать заряды в постоянном поле, а в переменном поле создает путь для тока смещения в диэлектрике. Активное сопротивление – это элемент схемы, выделениеэнергии в которомотражает диэлектрическиепотери.

Схемызамещенияпозволяютпостроитьуголдиэлектрическихпотерь.

Углом диэлектрических потерь δ (дельта) называют угол, дополняющий до 90 градусов угол сдвига между током и напряжением в диэлектрике. Зная значение активного сопротивления R и емкости С в схеме замещения, можно построить векторные диаграммы токов и напряжений для диэлектрика, из которых определится угол диэлектрических потерь.

Построение векторной диаграммы для последовательной схемы замещения:

Построение векторной диаграммы для параллельной схемы замещения:

29

68. Какие вы знаете схемы замещения диэлектрика?

69.Что такое угол диэлектрических потерь?

70.Какстроитсявекторнаядиаграмма для последовательной схемы замещения диэлектрика?

71.Какстроитсявекторнаядиаграммадляпараллельной схемы замещения диэлектрика?

72. От чего зависят диэлектрические потери?

Потери активной мощности в устройстве с переменным током определяются как

P UI cos , где 90 , или Ракт UIакт UIреактtgδ.

Переписывая это выражение с использованием параметров схем замещения, получим:

те примерное значение тангенса угла диэлектрических потерь у диэлектриков

промышленных частотах):

электротехническое стекло tgδ = 0,0005…0,025;

трансформаторное масло tgδ = 0,01…0,25;

полиэтилен tgδ = 0,00 007…0,0002.

2.2.3.ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

2.2.3.1.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ