Основы теории сплавов

Машиностроительное черчение
Единая система конструкторской
документации
Машиностроительные построения
Инженерная графика
Сборочный чертеж
Начертательная геометрия
Геометрические основы
построения чертежа
Конспект лекций по начертательной
геометрии
История искусства
Стили в искусстве Готика
Русский балетный театр
Русское изобразительное искусство
ТКМ
Материаловедение
Основы теории сплавов
Теория конструктивных материалов
Сопромат
Сопративление метериалов
Лабораторные работы
Задачи строительной механики
Лекции физика
Физика
Электричество
Магнетизм
Оптика
Электромагнетизм
Молекулярная физика
Лекции МАИ
Лекции МАИ часть 2
Диэлектрики
Квантовая механика
Физические законы механики
Электромагнитное взаимодействия
Атомные станции
Атомная энергетика
Экология энергетики
Атомная и ядерная физика
Теплотехника
Термодинамика
Билеты к экзамену по физике
Задачи физика электротехника
Решение задач по ядерной физике
Электростатика
Геометрическая оптика
Тепловое излучение
Основы теории сплавов
Теория относительности
Физические основы механики
Законы идеальных газов
Электростатика
Основы электротехники
Постоянный ток
Электромагнетизм
Оптика
Законы теплового излучения
Ядерная физика
Строение атома и молекул
Задачи математика
Математика
1 семестр
2 семестр
3 семестр
4 семестр
Интегралы
Лекции по высшей математике
Вычисление площадей в
декартовых координатах
Аналитическая геометрия
 
Информатика
Восстановление сети после аварии
Основные понятия и категории
информатики
Сетевые операционные системы

Сплавы - это вещества, состоящие из нескольких элементов, взятых в произвольных соотношениях. Сплавы получаются главным образом путем сплавления различных элементов в жидком состоянии, но могут быть получены и за счет диффузии в твердом состоянии, и путем совместной конденсации паров или другими способами. Компонентами сплава называют химические элементы или химические соединения, входящие в состав сплава. В зависимости от химической природы элементов, размера их ионов и типа кристаллической решетки компоненты могут растворяться друг в друге (ограниченно или неограниченно), могут быть нерастворимыми друг в друге или образовывать новые химические соединения.

Электропроводность диэлектриков определяется в основном перемещением ионов. На концентрацию ионов оказывают влияние: состав материала, температура, облучение материала частицами высоких энергий. Концентрация подвижных носителей заряда в полярных материалах, как правило, выше, чем в неполярных. Это связано с тем, что ионы примесей электрически взаимодействуют с дипольными моментами полярных молекул, поэтому очистка полярных материалов от примесей затруднена.

Виды поляризации релаксационного типа. В ряде диэлектриков электроны ионы и дипольные молекулы могут скачком переходить из одного положения в другое. Эти переходы осуществляются частицами благодаря получению ими энергии при тепловых колебаниях. Электрическое поле снижает энергетический барьер для перехода по полю и повышает энергетический барьер для перехода против поля. В итоге, диэлектрик поляризуется, причем для поляризации требуется время. Иначе говоря, эти виды поляризации являются релаксационными.

Электретами называют диэлектрики, у которых постоянный электрический момент или избыточный заряд сохраняются длительное время. Электреты могут служить источниками электрического поля в окружающем пространстве, аналогично постоянным магнитам, являющимися источниками магнитного поля.

Пробой диэлектриков Электрической прочностью называют напряженность электрического поля, при которой происходит пробой. В однородном поле электрическая прочность определяется как отношение напряжения пробоя к толщине материала. В неоднородных полях под Епр понимают среднюю напряженность электрического поля.

Магнитные материалы По характеру взаимодействия с магнитным полем все материалы принято делить на слабо взаимодействующие и сильно взаимодействующие материалы. Мерой взаимодействия материалов с магнитным полем является магнитная индукция (В), то есть средняя напряженность магнитного поля внутри материала при нахождении во внешнем магнитном поле напряженностью Н

Электротехническая сталь При легировании железа кремнием удельное электрическое сопротивление существенно возрастает. Так у сплава, содержащего 5% кремния, удельное электрическое сопротивление достигает 0,7 мкОм м, то есть увеличивается более чем в 7 раз по сравнению с чистым железом.

Дисперсионно твердеющие сплавы К таким сплавам относятся сплавы системы Fe-Ni-Al. При высоких температурах алюминий и никель растворяются в аустените, но при резком охлаждении образуется пересыщенный раствор легирующих элементов в железе. При последующем отпуске происходит выделение дисперсных частиц интерметаллида Fe2NiAl. В результате формируется структура, состоящая из ферромагнитной матрицы и дисперсных частиц, препятствующих движению границ доменов. Сплавы системы Fe-Ni-Al-Cu-Co получили название альнико. Для повышения магнитных свойств закаленный сплав подвергают термомагнитной обработке, то есть производят нагрев для старения в сильном магнитном поле.

Материалы высокого удельного сопротивления. Материалы высокого электрического сопротивления используются для поглощения электрической энергии и преобразования ее в тепло

Полупроводниковые материалы Полупроводниками принято называть вещества, электропроводность которых обусловлена перемещением электронов, возбужденных внешними энергетическими воздействиями (нагрев, облучение светом, наложение сильного электрического поля и т.д.) У полупроводников зона проводимости отделена от валентной зоны зоной запрещенных значений энергии. При поглощении валентным электроном кванта энергии большего и равного ширине запрещенной энергетической зоны, электрон переходит в свободную энергетическую зону и получает возможность перемещаться – менять свою энергию. После ухода электрона из валентной зоны в ней остается незанятое место - дырка. Таким образом, при возбуждении атома в нем появляются два носителя заряда противоположных знаков: электрон и дырка.

Основы конструкторского и электротехнического материаловедения. Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий. Материаловедами были еще древние люди, например, научившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой структурой. Технический прогресс человечества во многом основан на материаловедении. В свою очередь технический прогресс дает новые возможности, методы, приборы для материаловедения, позволяет создавать новые материалы.

Рассмотрим пример с компьютерной техникой. Первые компьютеры были на вакуумных электронных лампах и имели сравнительно скромные возможности. Размер их был примерно со спортивный зал, размер единичного элемента для хранения и обработки информации составлял несколько сантиметров. После открытия полупроводников размер элемента уменьшился примерно в 10 раз, размеры компьютера уменьшились также примерно в 10 раз.

Электротехнические материалы (ЭТМ) применяют для производства элементов (деталей), используемых для сборки электронных схем и осуществляемых прохождение электрического тока, его электрическую изоляцию, генерацию, усиление, выпрямление, модуляцию и т. п. Элементы, необходимые для осуществления этих операций: провода, кабели, волноводы, изоляторы, резисторы, катушки индуктивности, магниты, трансформаторы, генераторы, диоды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы, электронные лампы, электромеханические преобразователи, вариконды, лазеры, запоминающие устройства ЭВМ и т. п., — могут быть изготовлены только из ЭТМ определенного класса, имеющих вполне определенные электрические, механические и химические свойства. От присущих данному материалу требуемых свойств будут зависеть качество, надежность и безопасность работы данной детали и, следовательно, электроустановки в целом.

Агрегатные состояния. Фазой называют макроскопически однородную часть системы, взаимодействующую с другими частями и отделенную от них гра­ницами раздела. Физические свойства и химический состав фазы в среднем одинаковы или плавно изменяются от точки к точке. При переходе от одной фазы к другой свойства и состав меняются скачкообразно.

Текстурирование — это некоторая упорядоченность в ориентации кристаллических зерен, достигаемая специальной обработкой (например, прокаткой) поликристаллических материалов. При текстурировании у материалов возникает анизотропия свойств. Например, в трансформаторостроении для улучшения магнитных свойств некоторых марок электротехнической стали, используемых для изготовления сердечников трансформаторов, их текстурируют на ребро.

При воздействии на тело силовых полей (электрического, механического, магнитного) частицы тела смещаются из равновесных положений.

Поляризационная связь, или связь Ван-дер-Ваальса, образуется при сближении молекул или атомов инертных газов.

Строение реальных металлов Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества. Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается

Строение металлического слитка Кристаллы, образующиеся в процессе первичной кристаллизации, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, направления теплоотвода, а также от содержания примесей. Первичный древовидный кристалл называется дендритом.

Дефекты в строении твердых тел. Влияние дефектов на качество и свойства материалов. У реальных кристаллических веществ есть одна важная особенность строения – это структурные неоднородности, обычно называемые дефектами. К дефектам относятся любые нарушения периодичности строения кристаллической решетки: тепловые колебания узлов, наличие вакансий и атомов (ионов) примесей в узлах и междоузлиях решетки, нарушение стехиометрического состава, механически напряженные участки, трещины, поры.

Поверхностные (двумерные) дефекты Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или субзернами в поликристаллическом материале. К поверхностным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы зерен.

Аллотропические и магнитные превращения в металлах. Аллотропия или полиморфные превращения. При переходе аморфного тела из жидкого состояния в твердое никаких качественных изменений в строении не происходит, что подтверждает монотонный ход кривой охлаждения. В твердом состоянии атомы в аморфном теле расположены так же хаотично, как и в жидком, но только более компактно и за счет этого имеют более ограниченную свободу перемещения.

Энергетические дефекты К энергетическим дефектам решетки относятся: дырки - дополнительно ионизированные ионы, дислоцированные электроны, пары электрон-дырка или экситоны (возбужденные атомы), фононы-кванты колебаний кристаллической решетки.

Магнитные превращения Некоторым металлам присуща способность сильно намагничиваться в магнитном поле. Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. Железо, кобальт, никель отличаются специфическими магнитными свойствами, например способностью хорошо намагничиваться. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Однако при нагреве ферромагнитные свойства металла постепенно теряются. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. Кюри показал, что полная потеря ферромагнитных свойств получается при определенной температуре, названной в дальнейшем точкой Кюри.

Основные понятия в теории сплавов. Диаграммой состояния называют графическое изображение, в котором отражены фазовый состав и структура сплавов в зависимости от концентрации компонентов и температуры в условиях равновесия, т.е. когда в сплавах все фазовые превращения полностью завершились.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (сплавы твердые растворы с неограниченной растворимостью)

При проведении количественного структурно-фазового анализа, конода, проведенная через заданную точку, пересекает линию ликвидус и оси компонентов, поэтому состав твердой фазы или 100 % компонента А, или 100 % компонента В.

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие.

Термическая обработка. Виды термической обработки, цели и назначение. Свойства сплава зависят от его структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру, а, следовательно, и свойства является термическая обработка.

Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную. Предварительная – применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).

Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повышения прочности и твердости, получения высокой пластичности, вязкости и высокой износостойкости, а инструментальные – для повышения твердости и износостойкости.

Отпуск – является заключительной операцией термической обработки, выполняемой после закалки, проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей.

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

Газовая цементация Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором.

Диффузионная металлизация – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

Закалка токами высокой частоты Метод разработан советским ученым Вологдиным В.П. Основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

Классификация и основные свойства проводниковых и полупроводниковых материалов. Полупроводниками принято называть вещества, электропроводность которых обусловлена перемещением электронов, возбужденных внешними энергетическими воздействиями (нагрев, облучение светом, наложение сильного электрического поля и т.д.).

Свойства полупроводников проявляют многие материалы. Среди этих материалов встречаются как элементарные полупроводники: кремний, германий, селен, так и химические соединения: карбид кремния, сульфиды и селениды различных металлов, арсениды, фосфиды и антимониды, а также окислы металлов.

Основными носителями заряда в металлических материалах являются свободные электроны, появляющиеся при образовании металлической связи. Как известно металлическая связь образуется между атомами элементов с валентной электронной оболочкой заполненной менее чем на половину. В этом случае валентные электроны отрываются от атомов и обнажается полностью заполненная электронная оболочка. При этом валентные электроны становятся свободными, образуя «электронный газ».

Материалы электрических контактов. Все контакты можно разделить на неподвижные и подвижные. Неподвижные контакты используются для длительного соединения и могут быть зажимными и цельнометаллическими. Подвижные контакты могут быть разрывными и скользящими.

Магнитные материалы. Свойства магнитных материалов. Все без исключения материалы взаимодействуют с внешним магнитным полем, т.е. все проявляют определенные магнитные свойства. Однако сила этого взаимодействия у различных материалов различна. Поэтому по магнитным свойствам все материалы подразделяются на три основные группы: диамагнитные (диамагнетики), парамагнитные (парамагнетики) и ферромагнитные (ферромагнетики).

Антиферромагнетики — это материалы, атомы (ионы) которых обладают магнитным моментом, обусловленным, как у пара- и ферромагнетиков, нескомпенсированными спиновыми магнитными моментами электронов. Однако у антиферромагнетиков магнитные моменты атомов под действием обменного взаимодействия приобретают не параллельную ориентацию, как у ферромагнетиков, а антипараллельную (противоположную) и полностью компенсируют друг друга. Поэтому антиферромагнетики не обладают магнитным моментом, и их магнитная восприимчивость кт близка по величине к кт парамагнетиков.

Диэлектрические и электротехнические материалы. Общие свойства. Диэлектрики образуют самую многочисленную группу электротехнических материалов.

Типы химических связей

Дефекты кристаллических решеток. Все дефекты кристаллической решетки принято делить на две большие группы: геометрические дефекты и энергетические дефекты. При появлении в решетке геометрических дефектов кристаллическая решетка локально искажается. При наличии энергетических дефектов атомы остаются на своих местах, но энергия одного или группы атомов оказывается повышенной.

Поверхностные дефекты кристаллической решетки. К поверхностным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы зерен.