]Алюминий как добавка в другие сплавы
Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).
ВОПРОС №31 сплавы с особыми тепловыми свойствами
Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение материалов со строго регламентированными значениями в определенных температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения α (ТКЛР) и модуля нормальной упругости β (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве.
ТКЛР сплава определяют с помощью дилатометра по относительному удлинению образца в заданном температурном диапазоне.
Согласно правилу Курнакова, в том случае, если компоненты образуют твердый раствор, то ТКЛР сплава изменяется по криволинейной зависимости внутри пределов, ограниченных значениями ТКЛР этих чистых компонентов. Коэффициент линейного расширения α возрастает с повышением температуры (рис. 24.1). Однако сплавы Fe—Ni не подчиняются общим закономерностям. В области концентраций от 30 до 45 % для них характерны аномалии, связанные с инварным эффектом (рис. 24.2). Самое низкое значение ТКЛР в диапазоне температур от –100 до 100 °С имеет сплав, содержащий 36 % Ni. Этот сплав был открыт Гийомом в 1897 году и назван инваром (лат. неизменный) из-за минимальных значений теплового расширения.
Для металлов с кубической кристаллической решеткой ТКЛР изотропен. Его значения не зависят от направлений кристаллической решетки и преимущественной ориентации текстуры. Термический коэффициент объемного расширения втрое превышает ТКЛР.
Рис. 24.1. Кривая расширения сплавов при повышении температуры
Рис. 24.2. Температурный коэффициент линейного расширения сплавов Fe—Ni
Рис. 24.3. Температурный коэффициент модуля упругости сплавов Fe—Ni
Для сплавов Fe—Ni инварного состава помимо низких значений ТКЛР характерна еще одна аномалия — аномалия термического коэффициента модуля упругости ТКМУ. В любых твердых телах, в том числе металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля упругости, являющегося мерой сил межатомных связей. В сплавах с инварным эффектом модуль упругости растет или остается постоянным с повышением температуры. Характерно, что максимальной величиной ТКМУ обладает тот же сплав Fe—Ni с самым низким значением ТКЛР, содержащий 36 % Ni (рис. 24.3). Подбор определенного химического состава позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых практически не зависит от температуры. Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости в широком температурном диапазоне, называют элинварами. Природа аномального изменения ТКЛР инварных сплавов, так же как и модуля нормальной упругости, имеет ферромагнитное происхождение.
В ферромагнитных сплавах Fe—Ni инварного типа велик уровень объемной магнитострикции — изменения объема за счет внутреннего магнитного поля. При нагреве происходит уменьшение магнитострикционной составляющей объема. Выше температуры точки Кюри магнитострикционные деформации полностью исчезают в связи с переходом металла в парамагнитное состояние.
ТКЛР ферромагнетиков определяется формулой: α = α0 – Δ, где α0 — нормальный коэффициент линейного расширения, определяемый энергией связи атомов; Δ — составляющая ТКЛР, обусловленная магнитострикцией парапроцесса.
Нормальная составляющая ТКЛР при нагреве растет вследствие уменьшения энергии связи атомов. Этот рост компенсируется уменьшением магнитострикции в результате снижения намагниченности, как следствие усиления тепловых колебаний атомов. В итоге при нагреве до температуры точки Кюри объем инварных сплавов мало меняется. ТКЛР для некоторых сплавов может даже приобретать отрицательные значения, и их объем даже уменьшается.
Внешние растягивающие напряжения действуют на Fe—Ni-ферромагнетики инварного состава подобно магнитному полю и также способствуют проявлению объемной магнитострикции, обычно называемую в этом случае механострикцией. Высокий уровень механострикции в элинварных сплавах способствует аномальному изменению модуля упругости при нагреве. Влияние нагрева на модуль упругости элинварных сплавов может быть описано формулой Еt = Е0 (1 + βt), где Е0 — модуль упругости обычных сплавов, β — температурный коэффициент модуля нормальной упругости. В элинварных сплавах этот коэффициент всегда имеет положительное значение.
Снижение модуля упругости при нагреве обычных сплавов компенсируется составляющей за счет механострикции, что в итоге способствует стабилизации модуля упругости в широком температурном диапазоне.
Для обеспечения стабильности температурного коэффициента линейного расширения и модуля упругости для каждого конкретного случая необходимо применение сплавов строго определенного химического состава. Такие сплавы обычно называют прецизионными сплавами (от фр. precision), т. е. отличающимися высокой точностью химического состава.
ВОПРОС №32 неметаллические материалы.Пластмассы
Пластические массы находят широкое применение при изготовлении различных деталей машин и приборов. Они обладают малым удельным весом, высокой химической стойкостью, достаточной прочностью, антифрикционными свойствами и другими ценными качествами.
Пластмассы выпускаются промышленностью в виде:
а)поделочных материалов: листов, плит, блоков, стержней, труб, а также пленок, подлежащих дальнейшей обработке резанием, штампованием, гнутьем, сваркой и склеиванием;
б)пресс-порошков или волокнистых пресс-материалов, переработка которых в изделия осуществляется путем прессования при определенных температуре и давлении;
в)гранул – для литья под давлением;
г) порошков – для напыления. Отдельные пластмассы выпускаются в
виде специальных составов: порошок плюс жидкость (например, стиракрил). Отвердение их происходит при смешивании.
По своим основным свойствам пластмассы подразделяются на две группы – термопластичные итермореактивные.
К неметаллическим материалам, широко применяемым в промышленности, относятся синтетические, искусственные и естественные природные неметаллические материалы: пластмассы, естественные и искусственные резины, эбониты, текстолиты, абразивные и лакокрасочные материалы, клеи, смазки, масла и другие материалы.
Пластмассы – это соединения нескольких органических и неорганических материалов, состоящие из связующего вещества и наполнителя. Основной частью пластических масс являются полимеры, состоящие из очень крупных молекул, отчего эти материалы часто называются полимерными.
Полимерные материалы характеризуются низкой плотностью, высокой химической стойкостью, износостойкостью, большой ударной прочностью, штампуемостью, хорошей обрабатываемостью, вязкостью, пластичностью и диэлектрическими свойствами.
В зависимости от строения молекул пластические массы подразделяются на термореактивные и термопластичные. Особую группу составляют газонаполненные пластмассы.
Органические и неорганические наполнители могут быть трех видов: порошкообразные, волокнистые и слоистые.
К пластмассам относятся: гетинакс, текстолит, асбопласты, древесные слоистые пластики, стеклопластики, целлулоид, винипласт, фторопласт, полиэтилен, полиамид, капрон, нейлон и др.
Искусственные материалы находят применение в разных отраслях промышленности, при производстве бытовой техники, посуды, емкостей, игрушек и т. д. Во многих случаях они заменяют железо, цветные металлы и их сплавы, стекло, дерево.
Большое распространение искусственные материалы получили благодаря значительной механической прочности и выносливости, сопротивляемости коррозии и износу, возможности получения изделий сложной формы без обработки резанием, хорошей обрабатываемости, диэлектрическим свойствам, а также приятному и эстетичному наружному виду изделий.
К недостаткам пластических масс следует отнести их сравнительно быстрое старение и потерю прочности.
ВОПРОС №33 Электротехнические сплавы
ВОПРОС №34 Пробои диэлектриков
Электрический пробой диэлектриков.
Диэлектрическими принято называть материалы, имеющие низкую плотность подвижных носителей заряда (ионов и электронов), поэтому удельное электрическое сопротивление таких материалов в 1012 – 1025 раз выше, чем у проводниковых материалов.
Электрической прочностью диэлектрика называют ту напряженность поля, при которой диэлектрик теряет изоляционные свойства.
Электрический пробой обычно развивается в газах. В воздухе всегда содержится небольшое количество ионов. Под воздействием электрического поля ионы ускоряются и на длине свободного пробега набирают кинетическую энергию WК = qlE.
Сталкиваясь с молекулой, ион передает ей энергию. Если эта энергия превышает энергию ионизации (WИ), то происходит ударная ионизация с образованием свободного электрона и положительно заряженного иона. Условие возникновения ударной ионизации – WК>WИ. Следовательно, минимальная напряженность поля, при которой начинается ударная ионизация: ЕИ = WИ/ql.
Помимо ударной ионизации, возможна фотонная ионизация газов при существенно меньших значениях напряженности поля. В этом случае взаимодействие иона с молекулой не приводит к ее ионизации, поскольку кинетическая энергия иона меньше энергии ионизации. Поглотив кинетическую энергию иона, молекула переходит в возбужденное состояние. При переходе молекулы в равновесное состояние она испускает квант электромагнитного поля - фотон. В случае, если несколько фотонов одновременно попадет на какую-либо молекулу, суммарная энергия поглощенная молекулой, окажется больше энергии ионизации, что станет причиной образования дополнительной пары ионов.
В газах длина свободного пробега ионов существенно больше длины свободного пробега в твердых телах и жидкостях, поэтому электропрочность газов минимальна. В тех случаях, когда в диэлектрике появляется газовая или паровая фаза, электропрочность жидкого или твердого диэлектрика снижается.
ВОПРОС №35 оновные диэлектрики