Электротехнические материалы

Лекция 5  

  Конструкционные материалы.

 Эта лекция вмещает в себя весь материал традиционного материаловедения.

          5.1. Общие свойства  конструкционных материалов. 

          5.2. Конструкционные стали.

          5.3. Цветные металлы и сплавы.

          5.4. Бетон. Железобетон.

5.1.  Общие свойства  конструкционных материалов.

в начало лекции

          Разработка конкретных узлов и устройств ставит ряд общих и специфических задач для используемых материалов. Во первых, они должны выполнять те функции, которые заложены в исходные требования. Во вторых, материалы должны выбираться более дешевыми с учетом трудоемкости обработки и предполагаемого ресурса работы. В третьих, материалоемкость изделия должна быть, по возможности минимальной. Для того, чтобы все эти требования обеспечить необходимо хорошо понимать свойства материалов.

          Наиболее распространенными конструкционными материалами являются металлы, а из металлов - сталь. Она составляет примерно 80-85% от всего объема выпуска металлов. Это обусловлено как относительной распространенностью железа, так и технологичностью обработки сплавов на основе железа.

Относительно распространенности элементов можно сказать следующее. Как вы наверное знаете, наша вселенная появилась в результате Большого Взрыва. При этом, первыми образовались легкие элементы, сначала водород, затем из водорода путем термоядерной реакции слияния - гелий, затем литий, бериллий,  бор, углерод, азот, кислород. В первых рядах - кремний, алюминий, магний  и железо. А по распространенности в земной коре, самыми распространенными элементами являются кислород и кремний (75%) и железо (4%). С глобальной точки зрения - это материалы будущего.                               

          Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из мелких кристаллов размером от 1 мм до 10 мкм. Они называются зернами, или кристаллитами.

         Общие свойства металлов:

- высокая теплопроводность и электропроводность
- повышенная способность к пластической деформации
- хорошая отражательная способность (металлический блеск)
- положительный ТКС
- термоэлектронная эмиссия при нагреве.

        Чистые металлы обладают низкой прочностью, они слишком пластичны и поэтому практически не используются. Обычно используют сплавы разных металлов, в качестве добавок используют и неметаллы. При этом компоненты могут смешиваться друг с другом на молекулярном уровне, т.е. взаимно растворяться друг в друге, а могут и не смешиваться образуя отдельные кристаллиты. В металловедении их называют фазами. Форма кристаллитов, их размер, взаимное расположение играет важную роль в создании тех свойств, которые требуются от материала. Каждый кристаллит представляет собой однородную систему со своей кристаллической структурой. Последняя образована ионами, образующими остов решетки и обобществленными электронами. Собственно говоря притяжением между электронами и ионным остовом решетки обязаны металлы своей прочностью. Большинство металлов имеют решетки следующих типов: кубическая объемно-центрированная, где ионы расположены по углам куба и один ион в центре куба, кубическая гранецентрированная, где 8 ионов расположены по углам куба и шесть ионов расположены по центрам сторон куба, гексагональная, где ионы расположены по углам шестигранной призмы и в центре плоскостей призм, а также три иона  в центральной плоскости призмы. Если представить себе атомы шариками, то такие укладки шаров представляют собой структуры, близкие к плотной упаковке.

          Если в идеальный кристалл ввести атомы другого типа, которые хорошо смешиваются друг с другом на молекулярном уровне (растворяются), то в ряде случаев образуются т.н. «твердые растворы». Введенные атомы в достаточно большом количестве, чтобы они были в окружении каждого атома -хозяина, но в недостаточном количестве, чтобы менять строение решетки, образуют твердый раствор. Бывают два типа твердых растворов: твердый раствор внедрения и твердый раствор замещения. В первом случае добавленные атомы находятся в междоузлиях решетки, а во втором случае - они замещают атомы в кристаллической решетке. 

          5.2. Конструкционные стали.

в начало лекции

          Стали являются многокомпонентными системами на основе железа. В зависимости от добавок их свойства сильно меняются. Первой и основной добавкой к железу является  углерод.

         Температура плавления железа 1539 °С, плотность 7.68 Т/м³. Две основные модификации - a - железо и g - железо. Первая имеет объемно-центрированную решетку и существует в интервале температур до 910 °С и после 1392 °С. До температуры 768 °С эта модификация ферромагнитна. В промежуточном диапазоне существует g-железо, у которого решетка гранецентрированная. Эта структура парамагнитна.

Температура плавления углерода 3500 °С, плотность 2.5 Т/м³. Углерод растворим в железе в твердом и жидком состоянии, также может образовывать химическое соединение цементит, при больших концентрациях может существовать в виде графита.

Основные структуры системы Fe-C

  - твердый раствор углерода в a - железе с растворимостью всего 0.02 %, атом углерода помещается в центре грани решетки. Эта структура называется  феррит.

 - твердый раствор углерода в g - железе с растворимостью  2.14 %, атом  углерода помещается в центре куба. Эта структура называется аустенит. Отличается высокой пластичностью.

- Цементит -  соединение Fe₃C. Здесь 6.67% углерода. До температуры 210 °С цементит ферромагнитен. Отличается высокой твердостью.

        Кроме того, в качестве особой фазы может существовать графит, и в качестве эвтектической структуры (смеси двух структур) - ледебурит. Он представляет собой структуру, состоящую из пластин цементита, проросших древовидными (дендритами) структурами кристаллов аустенита.

      Сплавы с содержанием углерода до 2.14 % называются сталью, а выше 2.14 % - чугуном. Сталь не содержит ледебурита, поэтому она пластична, ковка и т.п. Чугун в силу своего строения не поддается ковке, зато обладает лучшими литейными качествами, меньшей усадкой, более низкой температурой плавления.(около 1000 °С). Аустенит при охлаждении ниже примерно 700 °С может превратиться в перлит - пластинчатые, чередующиеся структуры феррита и цементита.

       При очень медленном охлаждении расплава цементит не образуется, а вместо него образуются графит + аустенит при температуре 700-1200 °С и графит + феррит при температуре ниже 700 °С. Выдерживание сплава при повышенных температурах также приводит к распаду цементита на графит и второй твердый раствор (феррит или аустенит).

Влияние различных добавок на сталь.

1. Содержание углерода. Чем больше углерода, тем более хрупкая, менее вязкая, менее пластичная, поначалу более прочная, затем менее прочная. Растет удельное сопротивление, коэрцитивная сила, падает плотность, теплопроводность, магнитная проницаемость.

2. Содержание кремния и марганца. Их добавляют при выплавке для удаления окислов железа. Оставаясь в стали кремний повышает предел текучести, что затрудняет например штамповку. Марганец повышает прочность.

3. Содержание серы. Сера является естественной вредной примесью в металле. Она образует FeS, которые нарушают контактирование зерен между собой. При этом ухудшаются коррозионная стойкость, трещиностойкость, свариваемость.

4. Фосфор также является вредной примесью. Он частично растворяется в стали, частично собирается на границах зерен. Поэтому уменьшаются пластичность, вязкость, трещиностойкость.

5. Содержание азота, кислорода и водорода.  Образование оксидов и нитридов происходит, в основном на границах зерен. Поэтому они способствуют хрупкому разрушению. Особенно опасен водород, что приводит к водородной хрупкости стали.

Легирующие добавки. Обычно это никель, марганец. Как правило они повышают предел текучести стали, причем они способствуют стабильности аустенита в низкотемпературной области. Из него делают нержавеющие стали. Отметим, что нержавеющая сталь действительно парамагнитна, как и должно быть у аустенита.

         Если в феррите увеличить содержание углерода, например путем быстрого охлаждения аустенита, то получится мартенсит - пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в феррите. Он отличается высокой твердостью и прочностью. 

         Рассмотрим наиболее популярные марки стали.

         Стали обыкновенного качества: Ст.0, Ст.1, Ст.2, Ст.3, Ст.4, Ст.5, Ст.6. 

С ростом номера растет содержание углерода от 0.06% до 0.4-0.5%, во всех сталях содержится марганец (0.2-0.7%), кроме Ст.0. В названии присутствуют знаки «сп», «пс», «кп», означающие «спокойная», «полуспокойная» и «кипящая». Фактически различаются разным количеством FeO, который взаимодействует с углеродом, образуя СО, который, в свою очередь, выделяется в виде пузырьков газа. Уменьшают содержание FeO, добавляя  раскислители, взаимодействующие с FeO и уменьшающие, тем самым, его количество. Эти вещества - ферромарганец, ферросилиций и алюминий. Прочность обычных сталей порядка s_в»400 Мпа, s_0.2»200 Мпа, удлинение до разрыва d»20%.

        В качественных сталях Ст.08, Ст.10, Ст.15, Ст.20 ,......, Ст.85 цифры означают содержание углерода в сотых долях процента. В них более строгие ограничения на содержание фосфора, серы и других неметаллических включений. Содержание углерода принципиально меняет свойства сталей. Низкоуглеродистые обладают низкой прочностью, низкой упругостью, зато высокой пластичностью и большим удлинением до разрыва, хорошей свариваемостью. Применяют для штамповки, сварки ответственных узлов и т.п. Высокоуглеродистые стали обладают повышенной прочностью s_в>700 Мпа, износоустойчивостью, упругостью. Применяют для изготовления рессор, пружин и т.п.

          Легированные стали отличаются добавкой легирующих элементов: А-азот, Г-марганец, Н-никель, С-кремний, Т-титан, Х-хром, Ю-алюминий. Цифры в начале названия означают содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв означают содержание легирующего элемента в процентах. Например в популярной марке нержавеющей стали 12Х18Н10Т содержится 0.12% углерода, 18% хрома, 10% никеля и 1 % титана. В зависимости от добавок можно резко усилить те или иные свойства стали.

          Специальные стали с магнитными свойствами основаны на установлении структуры феррита, либо мартенсита. Чистые ферритные низкоуглеродистые, легированные кремнием стали являются прекрасными магнитно-мягкими материалами для трансформаторов. Мартенситные сплавы с большим содержанием углерода (1%), легированные кобальтом и хромом образуют семейство магнитотвердых материалов для магнитов. 

          5.3. Цветные металлы и сплавы.

в начало лекции

      Наиболее распространенными из цветных металлов являются медь, алюминий, олово, титан, а также тугоплавкие металлы молибден и вольфрам. По механическим характеристикам, как конструкционные материалы, цветные металлы, как правило,  уступают  сталям. Кроме того, они более редки и дороги. Поэтому применяются они там, где нужны особые характеристики. Например вес конструкций, коррозионная стойкость, электропроводность, пластичность и т.п..

       Для самолетостроения, судостроения, космической техники используют сплавы алюминия и титана. Алюминиевые сплавы имеют характерную прочность примерно на уровне рядовых сталей s_в ~ 300 МПа,  при этом удельный вес (плотность) примерно в три раза меньше d ~2.7 Т/м³, против 7.9 Т/м³  у железа.  Можно выделить две основные группы сплавов алюминия: «дуралюмин», представляющий собой сплав алюминия, меди и магния  и «силумин», представляющий собой сплав алюминия с кремнием, с добавкой магния и марганца. Первые являются деформируемыми прочными сплавами, пригодными для штамповки и используемыми для изготовления листов, профилей и т.п. Один из популярных сплавов Д16 имеет временную прочность 540 МПа, удлинение до разрыва 11%. Силумины пригодны только для литья, т.к. они достаточно текучи, обладают малой усадкой и не образуют горячих трещин. Прочность их невелика  s_в~200 МПа, удлинение до разрыва 2-4%.

        Вторые по значению - сплавы меди, а именно латуни и бронзы. Латунь является сплавом меди с цинком. Обычно для деформируемых латуней в марке, после буквы Л следует цифра, означающая процент меди. Например латунь Л63 содержит 63% меди. Если еще есть буквы и цифры - это означает наличие и содержание легирующих элементов. Из деформируемых латуней делают листы, ленты, трубы, проволоку. Один из  сплавов ЛЖМц59-1-1 имеет временную прочность до 700 МПа, удлинение до разрыва 50%.

      Бронзы являются сплавами со многими другими компонентами. Обычно это олово, алюминий, кремний, цинк. Они коррозионно стойки, прочны, имеют высокие технологические характеристики. Ряд бронз обладает высокой упругостью и используется для изготовления пружин. Свинцовые бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами и используются в подшипниках.

          5.4. Бетон. Железобетон.

в начало лекции

          Бетон представляет собой композицию, составленную из затвердевшей смеси цемента, заполнителя, воды. Он является искусственным каменным материалом. Основное достоинство, как конструкционного материала  - его дешевизна. Бетоны бывают разными, в зависимости от типов компонентов: малопористые, крупнопористые, ячеистые (по структуре заполнителя), крупнозернистые и  мелкозернистые, естественные и автоклавные и т.д. Марка бетона обычно называется по прочности на осевое сжатие, например М400 означает прочность на сжатие 400 кГ/см² (40 МПа).  На растяжение прочность бетона обычно в 10-20  раз меньше. На изгиб тоже малая прочность, примерно в 5-10 раз меньше чем прочность на сжатие. Это не удивительно, ведь при изгибе одна часть испытывает сжатие, а вторая растяжение. Тот факт, что бетон  практически не имеет прочности на растяжение сильно уменьшает возможности его использования. Чтобы выйти из положения и заставить работать конструкции на основе бетона на растяжение, придумали использовать армированный бетон, причем в арматуре предварительно создают натяжение при твердении. После затвердевания такая бетонная конструкция способна выдерживать и растягивающие напряжения, ведь на самом деле бетон здесь оказывается сжатым и при растягивающих нагрузках в нем лишь уменьшается давление.

          Электрические свойства бетонов. Обыкновенный бетон является слабопроводящим материалом. В основном его проводимость определяется содержанием влаги. Увлажненный бетон может иметь электропроводность на уровне 10^-3 См/м, сухой бетон до 10^-8 См/м. Введение специальных электропроводящих добавок (сажа, кокс) позволяет получить проводимость до 10 См/м. Диэлектрическая проницаемость сильно зависит от типа заполнителя. Обыкновенный бетон имеет e ~ 5-6, добавки порошка сегнетокерамики могут поднять ее до 50-60.  В энергетике бетон используется и как конструкционный материал (в большей степени), и как диэлектрический материал, и как электропроводный материал.

Литература
1.      Наполнители для полимерных композиционных материалов.  Спр.пособие/под ред.Г.С.Каца и Д.В.Милевски.-М.:Химия,1981,736 с.

Список лекций 

1. Введение в предмет.

2. Электрофизические характеристики материалов. Электропроводность.

3. Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости.

4. Теплофизические и механические характеристики материалов.

5. Конструкционные материалы.

6. Проводниковые материалы.

7. Слабопроводящие материалы.

8. Электропроводность и потери в диэлектриках.

9. Процессы в диэлектриках по действием сильных электрических полей.

10. Газообразные  и жидкие  диэлектрики.

11. Твердые диэлектрики.

12. Магнитные материалы.

13. Сверхпроводящие материалы.

14. Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов.

15. Испытания материалов.