Механические, электрические и магнитные свойства материалов. Учебное пособие

С.П. ВИХРОВ, Т.А. ХОЛОМИНА

МЕХАНИЧЕСКИЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Саратов

2004

УДК 621.315

ББК 34.6

Рецензент:

кафедра общей и экспериментальной физики

(зав. кафедрой проф. Э.П. Шеретов)

Механические, электрические и магнитные свойства материалов:

Учеб. пособие / С.П. Вихров, Т.А. Холомина. — Саратов: Издательство «Вузов-

ское образование», 2004. — (Высшее образование). — 47 с. — Док. опубл. не был. — Доступ с сайта ЭБС IPRbooks.

Рассмотрены функциональные свойства материалов: механические

(прочность. твердость, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость); стой-

кость к различным внешним воздействиям (химостойкость, нагревостойкость,

холодостойкость, термостабильность, свето- и радиационная стойкость, влаго-

проницаемость, гигроскопичность и др.).

Особое внимание уделено электрическим, диэлектрическим и магнитным свойствам материалов.

Предназначено для самостоятельной работы студентов заочной формы обучения по специальности 060800.

Ил.15. Библиогр.: 5 назв.

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Научно-технический прогресс связан с разработкой и применением но-

вых совершенных и экономичных материалов. Использование таких материа-

лов в различных отраслях приборостроения невозможно без глубокого изуче-

ния их свойств.

Учебное пособие посвящено анализу механических, электрических и магнитных свойств различных материалов. Диэлектрики относятся к широко применяемым в технике материалам. Электропроводность, поляризация, ди-

электрические потери, электрический пробой диэлектриков рассмотрены во второй части учебного пособия.

Целью учебного пособия является краткое и доступное по форме изложе-

ние учебного материала, предусмотренного действующими государственными образовательными стандартами по дисциплине «Материаловедение». Учебное пособие рекомендуется для самостоятельной работы студентов заочной формы обучения по специальности 060800, а также может быть полезным студентам других специальностей.

3

1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Прогресс в различных областях науки и техники неразрывно связан с раз-

работкой и промышленным выпуском новых материалов, которые способны не только расширить диапазон применения уже известных приборов и устройств,

но и открыть новые области их применения.

Традиционно материалы, используемые в приборостроении, подразделя-

ются на электротехнические, конструкционные и специального назначения.

Электротехнические материалы характеризуются определенными свойствами по отношению к воздействию электрических и магнитных полей, разрабатыва-

ются и производятся для применения в технике. Один из возможных подходов к проблеме классификации свойств материалов иллюстрирует рис. 1.1.

Материалы

Органические Неорганические

Рис. 1.1. Классификация материалов

4

Свойства материалов подразделяются на функциональные (служебные),

технологические (способность к обработке) и потребительские.

Функциональные свойства материалов можно разделить на механические,

химические и физические. Это деление условно, поскольку механика – также раздел физики. Под механическими свойствами подразумевается поведение ма-

териала, находящегося под различного рода нагрузками. Под термином “физи-

ческие свойства” понимается поведение материалов под действием разных ви-

дов воздействий, включая нагревание, электричество, магнетизм, свет, звук, ра-

диацию.

К технологическим свойствам материалов относятся деформируемость,

адгезионная способность, свариваемость, паяемость и др. Среди потребитель-

ских свойств материалов наиболее важное значение имеют экономические,

экологические, эстетические и др.

При конкретном использовании материалов решающее значение имеют вполне определенные свойства или их комбинация. Например, в магнитных устройствах важную роль играет способность материалов усиливать и транс-

формировать энергию магнитного поля; в устройствах, работающих в электри-

ческом поле – проводимость, поляризация и другие свойства; в режущих ин-

струментах – твердость и т.д. Общим требованием, предъявляемым ко всем ма-

териалам, является их экономичность.

Подчеркнем, что свойствами материалов можно управлять путем измене-

ния их состава и структуры.

1.1. Механические свойства

Механические свойства материала проявляются в виде ответной реакции на нагружение и формоизменение [1]. Способность материала противостоять разрушению называется прочностью, а его способность сопротивляться дефор-

мациям – жесткостью. Количественной мерой деформации является относи-

тельное увеличение или уменьшение размеров.

5

Механические свойства проводников характеризуются пределами проч-

ности при растяжении ( р, МПа), сжатии ( с, МПа), изгибе и кручении; относи-

тельным удлинением перед разрывом ( , %) и хрупкостью. Твердость материа-

ла обычно оценивается по шкале Бриннеля (НВ, МПа). Кроме указанных, для неметаллических материалов должны рассматриваться такие механические свойства, как упругость, текучесть и вязкость [1-3].

Прочность – это способность материала сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь. Прочность оценивается для большинства матери-

алов величиной предела прочности при растяжении: p P / F , где Р – сила в ньютонах (Н), при которой образец материала разрушается; F – площадь попе-

речного сечения испытуемого стандартного образца материала в квадратных метрах (м2). Таким образом, значение р определяется в Па или МПа.

Показатель прочности и удлинения при растяжении широко используется при оценке механических свойств металлов, пластмасс, резины, тканей, нитей и др.

Для некоторых материалов, например для чугуна, стекла, имеющих срав-

нительно низкую прочность на растяжение, применяют показатель прочности на сжатие, измеряемый аналогичными показателями. Так, например, прочность пластмасс и стекла на сжатие в 15-20 раз больше, чем на растяжение, и сопо-

ставима с прочностью на растяжение стали (до 100 МПа).

Твердость – это способность материалов сопротивляться вдавливанию в них какого-либо тела. Этот показатель имеет особое значение для металлов.

Существуют обоснованные методы определения твердости для металлов: метод Бриннеля (вдавливанием стального шарика) и метод Роквелла (вдавливанием конусообразной алмазной пирамиды). Число твердости определяют по специ-

альным таблицам и обозначают соответственно НВ и HRC. По Бриннелю опре-

деляют твердость сырых (термически не обработанных) металлов, по Роквел-

лу – твердых закаленных изделий, например режущих инструментов.

6

Упругость – это способность материала изменять свою форму под дей-

ствием внешних сил и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил. Высокой упругостью, например, должна обладать сталь для различных пружинящих инструментов.

Отношение нагрузки, при которой у образца появляются остаточные удлинения, к площади его первоначального поперечного сечения называется

пределом упругости. Таким образом, предел упругости у измеряется так же,

как и предел прочности (в МПа). Сталь имеет предел упругости около 30 МПа,

а свинец, почти не обладающий упругостью, всего 0,25 МПа.

Изменение деформации во времени при постоянной нагрузке называется

ползучестью. Если после снятия нагрузки по истечении некоторого времени деформация исчезает полностью, то такое последействие называется упругим.

При воздействии циклических нагрузок на материалы и конструкции раз-

рушение может наступить при напряжениях, меньших предела упругости.

Процесс постепенного накопления повреждений материала под действи-

ем повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению, называют усталостью. При циклически изменяющихся напряже-

ниях прочность материала характеризуют пределом выносливости – наиболь-

шим напряжением, при котором образец не разрушается при любом большом числе циклов. Величина предела выносливости зависит как от свойств материа-

ла, так и от характера изменения напряжений во времени, от состояния поверх-

ности элемента конструкции и наличия в ней концентраторов напряжений.

Природа усталостного разрушения обусловлена особенностями строения материала. При этом структурные неоднородности и местные неравномерности в распределении внутренних сил являются определяющими. С ростом внешних сил число очагов пластической деформации и микротрещин возрастает. В пре-

дельном состоянии этот процесс приобретает лавинообразный характер. Уста-

лостное разрушение представляет собой процесс, состоящий из двух фаз. Пер-

вая фаза – образование заметной микротрещины, вторая – развитие микротре-

щины и разрушение образца.

7

Жесткость – способность элемента конструкции сопротивляться образо-

ванию деформаций. Устойчивость – способность конструкции противостоять воздействиям, стремящимся вывести ее из исходного состояния равновесия.

Вязкость – это способность материалов не разрушаться при действии на них ударных нагрузок. Вязкость характеризует скорость процесса деформа-

ции материала под действием растягивающей силы. Вязкость также определя-

ется как свойство твердых тел необратимо превращать теплоту в механическую энергию, сообщенную телу в процессе его деформации.

Ударная вязкость – это способность материала сопротивляться динами-

ческим нагрузкам. Определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (МДж) к площади его поперечного сечения F (м2) в месте надреза.

Для испытания изготавливают специальные стандартные образцы, име-

ющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маят-

никовых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа, затраченная на излом.

Циклическая вязкость – это способность материалов поглощать энер-

гию при повторно-переменных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной прежде-

временного разрушения.

Вязкость жидкостей и газов – свойство жидкостей и газов оказывать со-

противление перемещению одной их части относительно другой. Динамиче-

ская вязкость – количественная характеристика сопротивления жидкости или газа смещению одного слоя относительно другого. Единица измерения динами-

ческой вязкости МПа с. Кинематическая вязкость – отношение динамической вязкости к плотности жидкости. Единица измерения кинематической вязкости мм2/с.

Пластичность – это способность материалов, не разрушаясь, изменять под действием внешних сил свою форму и сохранять измененную форму после

прекращения действия сил. Свинец, например, является одним из наиболее

8

пластичных металлов. Мерой пластичности может служить относительное удлинение. Эта величина измеряется в процентах от первоначальной длины об-

разца при испытании на растяжение. При нагревании пластичность металлов,

стекла, ряда пластмасс возрастает, а прочность уменьшается. Эти свойства ма-

териалов используют для придания им нужной формы методами ковки, прессо-

вания, штамповки, прокатки.

Хрупкость – это способность материалов под действием внешних сил не изменять или почти не изменять своей формы, но быстро разрушаться. Хруп-

кость – свойство, противоположное пластичности. Хрупкими являются стекло,

чугун, некоторые пластмассы, например полистирол. Для хрупких материалов величина удлинения перед разрывом не превышает 2-5 %, а иногда измеряется долями процента. Большое влияние на проявление свойств пластичности и хрупкости оказывает время нагружения. При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при длительном воздействии нагрузки – свойство пластичности.

Ряд неметаллических материалов, таких как резина, пластмассы, имеют склонность к старению, т.е. к изменению (снижению) прочности с течением времени под влиянием различных факторов внешней среды. Так, под воздей-

ствием солнечной радиации, озона, изменения температуры ускоряется процесс ухудшения механических свойств резины и ряда пластмасс. Старение металлов и сплавов происходит в течение гораздо более длительного времени и обуслов-

лено особенностями взаимодействия с окружающей средой. Несомненно, меха-

нические свойства материалов важны при использовании их в любой конструк-

ции.

1.2. Химические свойства

Химические свойства определяются химическим составом материала.

Показатели содержания основных веществ и примесей для большинства мате-

риалов широко используются при оценке их свойств. Значение химического со-

9

става дает возможность судить о ряде свойств материала и его устойчивости к различным воздействиям. Так, например, определенный процент содержания хрома в стали делает ее нержавеющей; повышенное содержание серы и фосфо-

ра превращает сталь в хрупкий, непригодный к применению материал; химиче-

ские свойства стекла, полностью определяются его составом.

Химостойкость – это стойкость материала к взаимодействию с различ-

ными химически активными веществами. Для металлов большое значение име-

ет коррозионная стойкость. При определении химостойкости образцы материа-

лов на длительное время помещают в условия, близкие к тем, в которых они должны реально выполнять свои функции, или еще более суровые с точки зре-

ния концентрации химической активности среды, температуры и т.д. [2]. После этого определяют изменение структуры внешнего вида образцов, их массы и т.д.

1.3. Электрические свойства

Уравнения Максвелла устанавливают зависимость четырех основных ха-

рактеристик электромагнитного поля (ЭМП) (векторов D, E, H , B ) от электриче-

ских и магнитных параметров среды ( , , ), в которой существует поле. Здесь

– удельная электропроводность, – диэлектрическая проницаемость, – маг-

нитная проницаемость этой среды.

Под действием электромагнитного поля в любом веществе происходит перемещение свободных зарядов. Различают свободные и связанные электри-

ческие заряды. В зависимости от преобладания того или иного вида зарядов все материалы подразделяются на проводники и непроводники (полупроводники и диэлектрики).

При воздействии электромагнитного поля на твердый проводник прихо-

дят в движение свободные носители заряда – электроны, покидая пределы ато-

мов и молекул, которым они принадлежат. Такое явление называется электро-

проводностью. Разобщенные заряды разных знаков (электроны и ионы) полно-

10