- •Министерство обазования и науки украины
- •Содержание
- •Тема 1 введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
- •Тема 2 металлические материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 12
- •Тема 3 неметаллические материалы . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 66
- •Тема 4 композиционные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
- •Тема 5 волоконная оптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
- •Тема 6 люминофоры . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .222
- •Тема 1 введение
- •1.1 Материалы в современной технике
- •1.2 Классификация конструкционных материалов
- •Тема 2 металлические материалы
- •2.1 Магнитные стали и сплавы
- •2.1.1 Основные магнитные характеристики металлов
- •2.1.2 Магнитомягкие стали и сплавы
- •2.1.3 Магнитотвердые стали и сплавы
- •2.I.4 парамагнитные материалы
- •Металлы, стали и сплавы со специальными свойствами
- •Тема 3 неметаллические материалы
- •3.1 Общие сведения
- •3.2 Неорганические материалы
- •3.2.1 Неорганическое стекло
- •3.2.2 Ситаллы (стеклокристаллические материалы)
- •3.2.3 Керамические материалы
- •3.2.4 Графит
- •3.3 Органические полимерные материалы
- •3.3.1 Пластмассы
- •3.3.2 Резины
- •Тема 4 композиционные материалы
- •4.1 Введение
- •4.1.1 Классификация композиционных материалов и перспективы развития
- •4.1.2 Применяемые волокна и требования к ним
- •4.2 Металлические композиционные материалы
- •4.3 Полимерные композиционные материалы
- •4.4 Керамические композиционные материалы (ккм)
- •4.5 Дисперсионноупрочненные сплавы (дс)
- •5 Волоконная оптика
- •5.1 Применение оптических волокон
- •5.2 Оптическое волокно
- •6 Люминофоры
- •Темы рефератов
- •Вопросы для самоконтроля Тема 1: материалы в современной технике
- •Тема 2: металлические материалы
- •Тема 3: неметаллические материалы
- •Тема 4: композиционные материалы
- •Тема 5: волоконная оптика
- •Министерство обазования и науки украины
2.1.2 Магнитомягкие стали и сплавы
Описанные ниже материалы применяют для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей, для магнитных цепей крупных электрических машин, силовых трансформаторов, аппаратов, приборов и т.д.
Требования к магнитомягким материалам:
высокая магнитная проницаемость;
низкая коэрцитивная сила;
малые потери на перемагничивание;
высокое электросопротивление.
Для обеспечения вышеуказанных свойств должны выполняться следующие требования к структуре и состоянию:
максимальное приближение к равновесному состоянию;
крупное зерно;
отсутствие искажений в кристаллической решетке;
минимальное содержание примесей.
Наклеп уменьшает магнитную проницаемость. В связи с этим стали подвергают рекристаллизационному отжигу.
К магнитомягким материалам относятся:
технически чистое железо;
электротехническая сталь с пониженным и повышенным содержанием кремния;
сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью;
сплавы с большой индукцией насыщения;
ферриты.
ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ЖЕЛЕЗО
К этой группе сплавов относится практически чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными примесями и поэтому их содержание строго ограничивается. Содержание углерода допускается не более 0,1%.
Технически чистое железо обладает сравнительно малым удельным электросопротивлением, что ограничивает его применение. Оно применяется для изготовления сердечников реле и электромагнитов, магнитных экранов, полюсов электрических машин.
Магнитные свойства железа (кроме его чистоты) зависят еще и от структурного состояния. Наклеп резко ухудшает магнитные свойства, укрупнение зерна - улучшает. Для получения крупного зерна и устранения наклепа металл подвергают отжигу при высоких температурах.
Промышленность изготавливает две марки технически чистого железа (по химическому составу), каждая из которых в свою очередь разделяется на сорта по магнитным характеристикам (табл. 2.1 и 2.2).
В зависимости от способа получения различают железо электролитическое и карбонильное.
Электролитическое железо получают путем электролиза сернокислого или хлористого железа, оно применяется в постоянных полях. Карбонильное железо получают термическим разложением Fe(CO)5. Получают в виде порошка. Удобно использовать для изготовления сердечников для повышенных частот.
Таблица 2.1 - Химический состав технически чистого железа,
% (не более)
Марка железа |
Si |
С |
Mn |
S |
P |
Cu |
А |
0,025 |
0,035 |
0,03 |
0,025 |
0,015 |
0,15 |
Э |
0,040 |
0,20 |
0,20 |
0,030 |
0,025 |
0,15 |
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ НЕЛЕГИРОВАННАЯ
Поставляется в виде сортового проката, ленты и тонкого листа.
Сортовой прокат поставляется в соответствии с ГОСТ 11036 - 75. Маркируется пятью цифрами:
Первая цифра - класс по виду обработки давлением (1 - горячекатаная или кованная; 2 - калиброванная);
Вторая цифра - тип по содержанию кремния (0 - сталь нелегированная без нормирования коэффициента старения; 1 - с заданным коэффициентом старения);
Третья цифра - группа по основной нормируемой характеристике (8 - коэрцитивная сила);
Таблица 2.2 - Магнитные свойства технического железа
-
Марка железа
Коэрцитивная сила Нс, А/м
Э
15
ЭА
12,5
ЭАА
10
Четвертая и пятая цифра - количественное значение коэрцитивной силы в А/м.
Пример марки такой стали:
10895:
1 - сталь горячекатаная или кованная;
0 - сталь нелегированная без нормируемого коэффициента старения;
8 - основная нормируемая характеристика - коэрцитивная сила;
95 - значение коэрцитивной силы в А/м.
Коэффициент старения - процент увеличения коэрцитивной силы образца после старения. Старение производят при температуре 120С в течении 120 часов. Определение старения производится в соответствии с ГОСТ 11036 - 75. Коэффициент старения не должен превышать 10%.
Лента и тонкий лист поставляется в соответствии с ГОСТ 3836 - 83. Маркируется пятью цифрами:
Первая цифра - класс по структурному состоянию и виду прокатки (1 - горячекатаная изотропная; 2 - холоднокатаная изотропная);
Вторая цифра - тип по содержанию кремния (0 - сталь нелегированная без нормируемого коэффициента старения; 1 - сталь нелегированная с нормируемым коэффициентом старения);
Третья цифра - основная нормируемая характеристика (8 - коэрцитивная сила);
Четвертая и пятая цифры - значение коэрцитивной силы в А/м.
Старение не должно превышать 6 А/м.
КРЕМНИСТАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ
В качестве магнитомягкого материала широко применяют низкоуглеродистые железокремнистые сплавы (0,05 - 0,005% С; 0,8 - 4,8% Si). Кремний образуя с - железом твердый раствор, увеличивает электросопротивление. Так при 0% Si удельное электросопротивление составляет 0,1 мкОмּм, а при 5% Si - 0,6 мкОмּм. Si уменьшает потери на вихревые токи. Кроме того, кремний повышает магнитную проницаемость, немного снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис вследствие вызываемого им роста зерна, графитизирующего действия и лучшего раскисления сталей. Однако кремний понижает индукцию в сильных магнитных полях и повышает хрупкость, особенно при его содержании 3 - 4%. Холоднокатаные кремнистые стали поставляют в отожженном состоянии с термостойким покрытием.
Электротехническую сталь изготавливают в виде листов, рулонов и резаной ленты.
Сталь подвергают обезуглероживающему отжигу при 720 - 800С (выдержка 25 часов), рекристаллизационному отжигу после прокатки и окончательному отжигу в вакууме или в атмосфере сухого водорода при 1100 - 1200С в течение 25 - 30 часов. После проведения высокотемпературного отжига в рулонах проводят дополнительный отжиг в атмосфере, состоящей из 4% Н2 и 96% N2, для снятия напряжений и рулонной кривизны.
Стали этой группы предназначены для изготовления магнитопроводов. На них может быть нанесено электроизоляционное покрытие. Качество можно повысить путем уменьшения примесей, разработки оптимальных технологий получения сталей с ребровой текстурой.
Ребровая структура сталей получается в результате прокатки. При деформации зерен получается анизотропная структура, которая улучшает магнитную проницаемость стали в определенных направлениях. Конструируя изделия из стали с ребровой текстурой можно улучшить магнитную проницаемость. Схема изделий с ребровой текстурой и изотропных приведена на рисунке 2.3.
ребровая текстура изотропный материал
Рисунок 2.3 - Ребровая текстура электротехнических сталей
Магнитная проницаемость кремнистых электротехнических сталей увеличивается с уменьшением толщины металла.
Поставляются и маркируются кремнистые электротехнические стали в соответствии с ГОСТ 21427.0 - 75. Маркируются четырьмя цифрами:
Первая цифра - класс по структурному состоянию и виду прокатки:
1 - горячекатаная изотропная;
2 - холоднокатаная изотропная;
3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой.
Вторая цифра - содержание кремния:
0 - ≤ 0,4%Si; 3 - 1,8 - 2,8% Si;
1 -0,4 - 0,8% Si; 4 - 2,8 - 3,8% Si;
2 - 0,8 - 1,8% Si; 5 - 3,8 - 4,8% Si.
Третья цифра - группа по основной нормируемой характеристике:
0 - удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и
частоте 50 Гц;
1 - удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл;
2 - удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и
частоте 400 Гц;
6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при
напряженности поля 0,4 А/м;
7- магнитная индукция в средних магнитных полях
(Нс= 10 А/м или 5 А/м).
Четвертая цифра - порядковый номер стали.
Примеры марок сталей: 1211; 1311; 2011; 3425; 3472.
В кремнистых электротехнических сталях также определяется коэффициент старения в соответствии с ГОСТ 21427.0 - 75. Коэффициент старения не должен превышать 2 - 10%. Кроме того, для данных сталей производят испытания на перегиб.
СПЛАВЫ С ВЫСОКОЙ НАЧАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ
К этой группе относят в первую очередь железоникелевые сплавы -пермаллои. Существует две группы пермаллоев: высоконикелевые - 79НМ, 81НМА (72 - 80% Ni) и низконикелевые- 45Н, 50Н, 60НХС (45 - 50% Ni). У этой группы сплавов отсутствует магнитная анизотропия. Улучшить магнитные свойства пермаллоев позволяет высокотемпературный отжиг при температуре 1300С в чистом сухом водороде и длительный отпуск при температуре 400 - 500С.
На свойства пермаллоев отрицательно влияют примеси не образующие твердых растворов: С, S, О2.
Пермаллои подвергают легированию: Mn, Cr, Cu, Co, Si.
Недостаток этой группы сплавов - высокая стоимость.
Применяются пермаллои в приборах работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф).
Другим сплавом с высокой начальной магнитной проницаемостью относится сплав альсифер. Это тройной сплав в системе Al - Si - Fe. Примерный состав сплава: 9,6% Si, 5,4% Al, остальное Fe. По свойствам не уступает пермаллоям. Применяется для тех же целей, что и более дорогостоящий пермаллой. Однако альсифер обладает повышенной хрупкостью и из него нельзя изготавливать листы, поэтому его применяют в виде спеченных порошковых композиций.
Альсиферы также используют для изготовления магнитных экранов, деталей магнитопроводов, корпусов приборов машин.
СПЛАВЫ С ПОВЫШЕННЫМ ПОСТОЯНСТВОМ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
Эта группа сплавов применяется в дросселях, трансформаторах, измерительных приборах.
Перминвар. Это сплавы с постоянной магнитной проницаемостью, изменение поля от 0 до 80 - 160 А/м не изменяет у этих сплавов магнитной проницаемости, что иногда существенно. В качестве примера укажем на некоторые сплавы: 45% Ni, 25% Со, остальное железо (45НК); или 45% Ni, 25% Co, 7,5% Мо, остальное железо (45НКМ); или 70% Ni, 7% Со, остальное железо (70НК). Сплавы подвергаются термообработке в вакууме.
Перминдюр - сплав (50% Со, 1,8% V, остальное железо) с высокой индукцией насыщения. Применяют для изготовления приборов при необходимости сконцентрировать в небольшом пространстве мощный поток силовых линий. Наибольшая индукция насыщения 2,43 Тл.
Термаллой – сплав, индукция которого весьма резко изменяется в интервале температур от -60 до +50С. Применяют для автоматической корректировки погрешностей магнитоэлектрических приборов. Такое сильное изменение магнитных свойств обусловлено тем, что точка Кюри находится вблизи (немного выше) указанного интервала. Практическое применение получили сплавы с 30%Ni, остальное железо (термаллой); с 30%Сu, остальное железо (кальмаллой).
Изотерм - сплав четырех компонентов (Fe, Ni, Al, Cu). Используется в телефонных аппаратах.
Аморфные магнитомягкие материалы и ферриты будут рассмотрены позднее в соответствующих разделах (аморфные материалы и проводниковые материалы).