Краткий курс лекций по дисциплине «Электротехнические материалы» для специальности 27.02.03 Автоматика и телемеханика на транспорте (на железнодорожном транспорте)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ СТАВРОПОЛЬСКОГО КРАЯ

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Минераловодский колледж железнодорожного транспорта»

КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»

Специальность: 27.02.03 «Автоматика и телемеханика на транспорте (на железнодорожном транспорте)»

Составил: преподаватель I квалификационной категории: Шубин А. Е.

2015 г

1. Роль металлических и неметаллических материалов в железнодорожном машиностроении и их классификация

Материал - это объект, обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное. Функции, которые выполняют материалы, разнообразны: обеспечение протекания тока (в проводниковых материалах), сохранение определенной формы при механических нагрузках (в конструкционных материалах), обеспечение изоляции (в диэлектрических материалах), превращение электрической энергии в тепловую (в резистивных материалах).

Обычно материал выполняет несколько функций. Например, диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, то есть является конструкционным материалом.

Материаловедением называется наука о структуре и свойствах материалов.

Применяемые в железнодорожном машиностроении металлические и неметаллические материалы обладают особыми физическими свойствами: электрическими, магнитными, свойствами теплового расширения и т.д. Знание свойств материалов и объективных закономерностей зависимости этих свойств от физической природы, структуры, состава, технологических и эксплуатационных факторов позволяет специалисту не только грамотно выбирать материал при проектировании устройств ПС, но и грамотно эксплуатировать их.

Электротехническими являются специальные материалы, из которых изготавливают электрические машины, аппараты, приборы и другие элементы электрооборудования и электроустановок ПС. Основные группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и электроизоляционные (диэлектрики).

Проводниковые материалы используются в электротехнических устройствах в качестве проводников электрического тока: всевозможные обмотки в машинах, аппаратах и приборах, контактные узлы, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергий.

Полупроводники занимают по удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Их применяют в выпрямителях, в усилителях, в фотодатчиках, в качестве специальных источников тока и т. п.

Магнитные материалы отличаются способностью усиливать магнитное поле, в которое их помещают, т. е. обладают большой магнитной проницаемостью. Они используются для изготовления магнитопроводов в электрических машинах и трансформаторах, для экранирования магнитного поля, а также в виде постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле.

Электроизоляционные материалы не проводят электрический ток. Диэлектрики служат для изоляции друг от друга различных токопроводящих деталей, находящихся под разными потенциалами, или для создания электрической емкости в конденсаторах.

Диэлектрики бывают: газообразными (воздух, водород, элегаз), жидкими (дистиллированная вода, различные масла), твердыми (бумага, керамика, резина и т.д.).

Причинами выхода изоляции из строя являются старение и пробой.

Под старением понимается комплекс процессов в материалах, вызванных различными факторами, под воздействием которых ухудшается их качество (климатические факторы, механические воздействия, загрязнение)

Пробоем называют внезапную потерю электроизоляционной способности электрической изоляции или неконтролируемое повышение электрической проводимости изоляции, которое могут вызывать следующие процессы: ударная ионизация, чрезмерный нагрев, старение.

2. Кристаллическое строение металлов

Большинство минералов, все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Эти вещества при нагреве остаются в твердом состоянии и переходят в жидкое только при определенной температуре.

Рисунок 1 Атомно - кристаллическое строение металлов

Располагаясь в строгом геометрическом порядке, атомы в плоскости образуют атомную сетку (рис.1,а), а в пространстве - атомно-кристаллическую решетку (рис.1,б).

Кристаллические решетки состоят из огромного количества ячеек. Типы кристаллических решеток у различных металлов различные. Наиболее часто встречаются: кубическая объемно-центрированная (рис. 1, в), кубическая гранецентрированная (рис. 1, г) и гексагональная плотноупакованная (рис.1, д). На рисунке 1,в приведена ячейка и часть кубической объемно - центрированной пространственной решетки, ограниченная восемью сопредельными элементарными ячейками; узлы, расположенные по вершинам и в центре каждой ячейки, отмечены кружками.

Элементарная ячейка кубической гранецентрированной решетки (рис.1, г) ограничивается 14 атомами: восемь из них расположены ни вершинам куба, шесть - по его граням.

На рисунке 1, д приведена схема элементарной ячейки гексагональной решетки. Она ограничена 17 атомами, из которых 12 расположены по вершинам шестигранной призмы, два атома - в центре оснований и три - внутри призмы.

3. Дефекты кристаллических решеток

Реально структура кристаллов отличается от приведенных идеальных схем, в них имеются дефекты.

Рисунок 2. Дефекты кристаллических решеток

Точечными дефектами являются пустые узлы, или вакансии (рис.2,а) и межузельные атомы (рис. 2,б); число этих дефектов возрастает с повышением температуры. Важнейшими линейными (одномерными) дефектами являются дислокации, представляющие как бы сдвиг части кристаллической решетки (см. линию ММ на рис. 2,в).

Поверхностные (двухмерные) дефекты определяются наличием субзерен или блоков 1, 2 внутри кристалла (рис. 2,г), а также различной ориентацией кристаллических решеток зерен 3, 4 (рис. 2, д). По границам зерен решетка одного кристалла переходит в решетку другого, здесь нарушена симметрия расположения атомов. Дефекты кристаллов оказывают существенное влияние на механические, физические, химические и технологические свойства металлов.

Металлы являются анизотропными, так как в отдельно взятом кристалле свойства различны в разных направлениях. Следствием анизотропности кристаллов является спайность, которая выявляется при разрушении кристаллов. В изломах, проходящих через кристалл, имеются правильные микроплоскости, что указывает на смещение частей зерен под влиянием внешних сил правильными рядами и в определенном направлении, а не беспорядочно, как это имеет место у аморфных веществ. Эти микроплоскости называются плоскостями спайности; по плоскостям спайности силы связи между слоями слабее, чем по другим плоскостям кристалла.

Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства одинаковы во всех направлениях; излом аморфного тела всегда имеет неправильную, искривленную, так называемую раковистую форму.

Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят из множества кристаллов, кристаллическая решетка которых по-разному ориентирована, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы по всем направлениям; это называют квазиизотропностью.

Аллотропия металлов (или полиморфизм)- свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагрева и охлаждения - присуща многим металлам (железу, марганцу, никелю, олову, титану, ванадию и др.).

Компонентом называют химически индивидуальное вещество, т. е. компонентами являются химические элементы и химические соединения.

Системой называют совокупность веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Системы бывают простые и сложные. Простая система состоит из одного компонента. Сложная система включает несколько компонентов и представляет все возможные количественные сочетания их при различных температурах.

Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других составляющих (фаз) поверхностью раздела. В жидком состоянии однородная система содержит одну фазу; при затвердевании всегда имеются две фазы: жидкая и твердая. После затвердевания образуется или одна фаза (химический элемент, химическое соединение, твердый раствор) или сплав, содержащий сочетание фаз.

4. Кристаллизация металлов

Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация), а также перекристаллизация в твердом состоянии (вторичная кристаллизация) при их охлаждении. К вторичной кристаллизации относятся перекристаллизация из одной модификации в другую (полиморфные превращения), распад твердых растворов, распад или образование химических соединений.

Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой.

Рисунок 3. Кривые процесса кристаллизации металла

На рис.3, а приведена кривая охлаждения металла. Здесь точки а и в соответствуют началу и окончанию затвердевания. Участок ав характеризует неизменность температуры при продолжающемся охлаждении. Это указывает на то, что при кристаллизации выделяется тепловая энергия. Чтобы вызвать в металлическом расплаве выделение твердой фазы, необходимо некоторое переохлаждение (tпх) системы против равновесной температуры (tр), при которой жидкая и твердая фазы являются термодинамически устойчивыми; и обратно, чтобы вызвать плавление кристаллов, металл необходимо несколько перегреть (tпг) против равновесной температуры (рис. 3, б).

При затвердевании и аллотропическом превращении в металле вначале возникают зародыши кристалла (центры кристаллизации), вокруг которых затем группируются атомы, образуя соответствующую кристаллическую решетку. Таким образом, процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов. У каждого из растущих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллизации кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкой фазой. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу и точки их соприкосновения определяют границы кристаллитов (зерен, гранул).

У аморфных веществ кривые охлаждения плавные, без площадок и уступов: аллотропии у этих веществ быть не может.

5. Основные свойства металлов

У металлов выделяют механические, технологические, физические и химические свойства.

Механические свойства:

Прочность - это способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил;

Твердость - сопротивление материала деформации в поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии (изготавливают режущие инструменты);

Упругость - свойство материала восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию;

Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения. Вязкие металлы применяют для деталей, которые при работе подвергаются ударной нагрузке.

Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, волочить).

Физические свойства:

Способность плавиться при нагревании используют для получения отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяют для отливки типографских матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров и т. п.

Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используют в электромашиностроении, для устройства линий электропередачи, а сплавы с высоким электросопротивлением-для ламп накаливания, электронагревательных приборов.

Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (электрические генераторы, электродвигатели, трансформаторы), приборостроении (телефонные, телеграфные аппараты) и т. д.

Теплопроводность металлов дает возможность равномерно нагревать их для литья, обработки давлением, термической обработки; она обеспечивает также возможность пайки металлов, их сварки и т. п.

Химические свойства.

Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в химически активных средах (колосниковых решеток, деталей аппаратов и машин в химической промышленности). Для деталей, которые должны обладать высокой коррозионной стойкостью, производят специальные коррозионно-, кислостойкие и жароупорные стали и другие сплавы