Тема № 3 Строение сплавов - Кафедра "Приборостроение"
реклама
Министерство образования и науки Россиской Федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра «Приборостроение» Ю. А. Манаков МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Конспект лекций Челябинск 2010 Манаков, Ю.А. Материаловедение: конспект лекции / Ю.А. Манаков. – Челябинск: Кафедра "Приборостроение" ЮУрГУ, 2010. – 142 с. Конспект лекций составлен в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования и примерной программой дисциплины по направлению подготовки 553000 – «Системный анализ и управление» для специальности 22010062. Может быть использован студентами, обучающимися по направлениям подготовки: 160400 – «Системы управления движением и навигация» для специальности 16040365 – «Системы управления летательными аппаратами»; по направлению подготовки 160400 – «Системы управления движением и навигация» для специальности 16040265 – «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации», а также для направления 20010062 и специальности 20010165 направление подготовки 200100 – Приборостроение, при изучении раздела «Материаловедение» дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов». © Кафедра "Приборостроение" ЮУрГУ, 2010 2 ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина “Материаловедение” относится к дисциплинам обще профессионального профиля. Цель преподавания данной дисциплины – дать студентам теоретические знания о строении и свойствах конструкционных и электротехнических материалов, способах изменения их свойств, приобрести практические навыки по выбору материала и (или) сортамента с учётом обусловленных и доступных для понимания на втором или третьем курсах конструктивно - технологических требований к детали. Студент должен получить целостное представление о взаимосвязи свойств материала с его строением. Поэтому изучение дисциплины “Материаловедение ” является актуальным. Дисциплина является базовой для различных конструкторских дисциплин. Условия работы современных машин и приборов выдвигают различные, часто противоречивые, требования к свойствам и характеристикам материалов деталей, которые необходимо знать и учитывать при проектировании изделий. Изучение дисциплины “Материаловедение ” базируется на знаниях по дисциплинам “Теоретическая механика”, “Химия”, ”Физика”, “Математика”. Знание строения и свойств материалов и умение выбрать материал детали в соответствии с конструктивно-технологическими требованиями является базовыми для изучения дисциплин: “Элементы приборных устройств”, “Технология приборостроения”, “Конструирование приборов и устройств”, и других. В начале каждой темы приведены методические указания по ее изучению. В конце каждой темы предложены контрольные вопросы, ответы на которые позволят студенту оценить уровень усвоения изучаемой темы. Методические указания по выполнению семестрового задания приведены перед теоретическими материалами. 3 Методические указания по выполнению семестрового задания Семестровым заданием по «Материаловедению» предусмотрен выбор соответствующего материала детали исходя из ее назначения, требуемых свойств, и обозначение его марки и (или) сортамента в соответствии с действующими нормативами. Требования при выполнении семестрового задания 1. Знание перечня материалов соответствующего класса или группы, их основных свойств и параметров, отражающих эти свойства. 2. Наличие минимум 2-3 источников справочной информации (справочник, технические условия и т.п.), где имеются материалы соответствующего содержания. 3. Наличие думающей головы – желательно, здравого смысла в действиях – обязательно. Семестровое задание целесообразно выполнять в следующей последовательности: 1. Провести анализ задания: уяснить назначение детали, требования к ней, оценить необходимые значения параметров. 2. По результатам анализа подобрать из справочников возможные 2-3 марки материала, сравнить их параметры с требуемыми по заданию, и выбрать один материал и марку в соответствии со своими представлениями. Марки материалов, их параметры регламентированы стандартами, которые обязательно указываются при выборе. Помнить, что задача выбора материала является многовариантной, вы же представляете только один из возможных. Обязательно отметьте, какие полезные свойства, не указанные в задании, имеет выбранный материал. Оценку стоимости материала проводить качественно, в соответствии с рекомендациями раздела лекций «Теоретические материалы», учебной литературы, своих представлений. 3. При выборе марки материала детали часто необходимо указать и сортамент материала, из которой изготавливают деталь. Если это требуется, сортамент выбирают исходя из формы детали, ее конструктивных особенностей, указанных в задании. На основании этого по справочнику находят данные о выпускаемом сортаменте, профиле, размерах и другие сведения. 4. Выбранную марку материала, или марку и сортамент, стандарт или ТУ на него обозначить в соответствии с действующими правилами и нормативами и указать в отчете по семестровой работе. Примеры обозначения см. в разделе Теоретические материалы данного пособия и литературе [4,6,8,9]. Отчет по семестровой работе оформляется в соответствии с основными требованиями, указанными в вариантах выдаваемого задания. 4 Тема 1. Основные понятия Методические указания. Необходимо усвоить, что изучает дисциплина Материаловедение, значение ключевых понятий: вещество, материал, характеристика, параметр, свойство, качество. Уяснить взаимосвязь понятий в виде формулы: (состав + структура) = строение ⇒ свойства. Какие требования учитываются при выборе материала, условия эксплуатации изделий. Представлять классификацию материалов по их отношению к различным физическим полям. Ключевые моменты темы: материаловедение, вещество, материал, характеристика, параметр, свойство, качество, состав, структура, свойства, классификация, климатическое исполнение, категории размещения. Теоретический материал Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов, закономерности и связи между их составом, структурой и свойствами, их изменения под влиянием различных воздействий. Содержание материаловедения в кратком виде можно определить формулой: состав + структура => свойства. Состав определяется исходными веществами. Структура характеризует упорядоченность, взаимное расположение микрочастиц вещества (материала), тип химической связи между ними. Совокупность влияющих друг на друга и взаимно связанных характеристик материалов – состава и структуры – называют строением материала, которое и определяет его, материала, свойства. 3.1. Общие понятия и определения Рассмотрим некоторые понятия, используемые при изучении дисциплины. Вещество – есть совокупность взаимосвязанных атомов, ионов или молекул. Вещество и физические поля есть форма существования материи, но в отличие от поля вещество обладает массой, реже – объемом, и характеризуется химическим составом. Материал – один из видов вещества, промежуточный продукт его переработки. Из материала делают изделия. Например, медь – вещество. Медный провод, состоящий из медной токопроводящей жилы (материал),с нанесенной поверх изоляцией (2-й материал) – является изделием из меди. Материал должен отвечать определенным требованиям, иметь заданный химический состав и структуру, соответствующие свойства. Переделы материала (например, чугуна в сталь) изменяют его свойства и приводят к повышению его стоимости. В некоторых случаях используют термин твердое тело, понимая под этим вещество в твердом состоянии, определенной формы. Для характеристики материалов используют ряд понятий. 5 Сущность (природа, химический состав) вещества – его элементарный химический состав и познаваемый теоретически тип химической связи между частицами. Свойство – качественная или количественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами. Это различные стороны сущности материала проявляются при взаимодействии его с другими веществами или полями. Мерой выражения свойства служит параметр. Параметр (показатель) – количественная оценка, характеризующая какоелибо свойство материала. Например: удельное электрическое сопротивление, прочность. Параметр обозначается буквой, имеет числовое значение и размерность. Функциональный параметр – параметр, зависящий не только от свойств материала, но и от конструктивных размеров. Например: R = ρ ⋅ l , S где R – функциональный параметр; ρ – параметр материала. Характеристика материала – совокупность общих или отличительных свойств, признаков, достоинств, недостатков материала. Качество – степень удовлетворения материала потребительским требованиям, функциональному назначению. К веществу и материалу понятие качества применяется ограничено и с оговорками, так как для разных узких предназначений пригодность одного и того же материала может быть различной. Обычно под качеством материала понимают соответствие его свойств или параметров (механических, электрофизических, магнитной проницаемости и т. п) требуемым. 3.2. Классификация материалов Применяемые материалы, как и любые изделия, можно классифицировать по различным признакам, соответственно получим разные классификации. В нашем случае мы будем классифицировать материалы по их отношению к силовым и электромагнитным полям. Соответственно материалы разных групп должны иметь в первую очередь явно выраженные механические (конструкционные материалы), электрофизические (электротехнические материалы) или специальные свойства (рис. 1). К специальным отнесем материалы, используемее для промывания, обезжиривания деталей, для смазки и другие. В рамках содержания дисциплины их рассматривать не будем. Одни и те же материалы обычно выполняют разные функции: например, они являются и элементом конструкции, и проводят магнитный поток. Поэтому относятся и к конструкционным, и к электротехническим материалам. Например, керамика, магнитные сплавы и другие. 6 материалы электротехнические конструкционные металлические -черные металлы и сплавы -цветные металлы и сплавы не металлические -полимеры -пластмассы -керамика -стекла -резины специальные магнитные не магнитные диэлектрики проводники -с высокой электропровод имостью -высокого удельного сопротивлени я -криопроводники сверхпроводн ики -керамика техническая -керамика конденсатор ная пьезокерами ка -стекла -пластмассы смолы - полимеры полупровод ники собственны е -примесные -магнитомягкие -магнитотвердые -ферриты Рис. 1. Классификация материалов 3.3. Требования к материалам при их выборе Современные приборы и устройства работают в различных условиях, при действии статических, вибрационных, ударных нагрузок, при высоких и низких температурах, давлениях, влажности, в контакте с различными средами. Эти и другие факторы, а также назначение и определяют основные требования к материалам деталей и элементам устройств. Поэтому выбор материала проводят с учетом: 1. Назначения. 2. Условий эксплуатации. 3. Требований к материалу. 4. Его основных свойств, определяемых с учетом первых трех факторов. Часто требования к материалам бывают противоречивыми. Например, материал детали должен иметь высокую прочность, жесткость при малой массе, сохранять свои свойства при работе в широком температурном интервале. Основные требования к материалам – эксплутационные (служебные), технологические, экономические. По этим требованиям и выбирают материалы с соответствующими свойствами, отдавая предпочтение тем требованиям, которым 7 имеют первостепенное значение. Справедливо утверждение, что «… нет лучшего материала, а есть материал, удовлетворяющий заданным требованиям», имеющий соответствующие свойства». Исходя из функционального назначения, условий эксплуатации и свойств детали, необходимо при выборе материала для нее обеспечивать требуемые значения его параметров (например, удельного сопротивления, магнитной проницаемости, предела текучести, прочности и другие.). К материалам предъявляются также требования стабильности свойств во времени и при действии различных влияющих факторов, немагнитности и другие. В зависимости от условий эксплуатации стандартом ГОСТ15150-69 установлены климатические исполнения (классы исполнения) изделия в макроклиматических районах. Например: У (N) – для районов с умеренным климатом; УХЛ (NF) – с умеренным и холодным климатом; ХЛ (F) – при эксплуатации только в холодном климате; В (W) – всеклиматическое исполнение (для всех макроклиматических районов). В зависимости от места размещения изделия при эксплуатации установлены следующие категории размещения: 1 – на открытом воздухе; 2 – под навесом или в помещении, где условия эксплуатации несущественно отличаются от установленных для категории 1; 3 – в закрытых помещениях без искусственного регулирования температуры, при отсутствии прямого солнечного излучения, воздействий осадков и ветра; 4 – в помещениях с искусственно регулируемыми условиями; 5 – в помещениях с повышенной влажностью. Стандарт устанавливает нормы температуры, влажности, содержание вредных веществ и другие эксплуатационные параметры для данного вида условий эксплуатации и категории размещений. Например, для изделий исполнения УХЛ4 (размещение 4) рабочие температуры +1…+35оС, предельная относительная влажность – 80%, сернистого газа – не более 6 мг/м2 за сутки. При контакте двух разных металлов (или сплавов) в условиях влажности может развиться процесс электрохимической коррозии. Более быстрому разрушению, как известно из курса химии, подвергается анодный материал, так как он имеет более отрицательный электродный потенциал. Поэтому стандартом по защите от коррозии (ГОСТ 9.005-83 ЕСЗКС) регламентированы допустимые и недопустимые контакты материалов. Например, для магния и его сплавов недопустим контакт с другими металлами и сплавами без принятия специальных мер. Необходимо наносить на них или специальные покрытия, или изолировать стыки. Подробнее см. [4]. Поэтому при выборе материалов учитывают назначение материала, условия эксплуатации, требования к стабильности, функциональные требования, вытекающие из соответствующих расчетов, возможность изготовления детали из 8 данного материала, стоимость и другие. Выбранный материал, его свойства, должны соответствовать заданным требованиям. Вопросы для самоконтроля 1. Что изучает материаловедение? 2. Объяснить понятия: вещество, материал, характеристика, параметр, свойство, качество материала. 3. Как связаны между собой понятия: состав – структура – строение – свойство материала? 4. Как можно классифицировать материалы, применяемые в приборостроении (ПС)? 5. Как изменяются требования к материалам при изменении категории размещения, климатического исполнения, условий эксплуатации и другие? 9 Тема 2. Строение металлов Методические указания. Необходимо понять, как устроены кристаллические и аморфные структуры. Обратить внимание, что тип химической связи не только определяет деление кристаллов на виды, но и свойства кристалла. Знать основные типы решеток, явление полиморфизма, анизотропии – чем определяется различие свойств кристалла в разных направлениях. Поликристаллическое строение, его отличие от монокристаллического. Индексы направлений и плоскостей. Обратить внимание на признаки, по которым различают дефекты строения, в чем проявляются эти дефекты и как они связаны со свойствами материала. На примере дислокационного механизма объяснить механизм упругих и пластических деформаций в материалах. Ключевые моменты темы: кристаллические, аморфные структуры, их строение, индексы направлений и плоскостей, поликристаллическое строение, дефекты строения, связь со свойствами. Теоретический материал 3.1. Кристаллические и аморфные тела Имеются две разновидности твердых тел, различающихся по свойствам – кристаллические и аморфные. Кристаллические тела – сохраняют свою форму, остаются твердыми до температуры плавления, затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении идет обратный процесс. Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением составляющих их частиц (ионов, атомов, молекул). Основу кристаллических тел составляют кристаллы. Частицы, из которых построен кристалл, сближены до соприкосновения (между ними имеются химические связи) и располагаются различно, но в закономерном порядке по разным направлениям на значительном протяжении. Говорят, что кристаллические тела имеют дальний порядок. Аморфные тела, находясь в твердом состоянии ,при нагревании размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. Соответственно их состояние называют: стеклообразное – высокоэластичное – вязкотекучее – жидкое. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Аморфные тела не обладают в пространстве на значительном протяжении таким упорядоченным расположением частиц, как кристаллы. Но в них имеется упорядоченность, распространяющаяся на небольшие области. Говорят, что аморфные тела имеют ближний порядок. Ряд материалов, например, полимеры, могут иметь и кристаллические, и аморфные области своей структуры. Металлы имеют кристаллическое строение. Однако при высокой скорости охлаждения, порядка миллион градусов в секунду, можно получить аморфные 10 металлические структуры – металлические стекла. Например, аморфные магнитные сплавы находят применение в приборостроении в качестве сердечников измерительных трансформаторов, головок магнитной записи. 3.2. Строение чистых металлов Большинство металлов и сплавов имеют кристаллическое строение. Свойства кристаллов зависят от ряда факторов и поэтому могут рассматриваться с разных позиций: - пространственного расположения частиц в кристалле (определяет его геометрическое строение); - электронного строения атомов и характера взаимодействия их в кристалле (определяется типом химической связи между атомами); - химического состава (чистый металл или сплав). Взаимодействие этих факторов и описывается понятием строение. Упорядоченность расположения частиц характерна для металлов. Она образует кристаллическую пространственную структуру, которая определяет геометрическое строение кристалла. Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, получиться пространственная кристаллическая решетка. Её наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, которая представляет собой простую геометрическую фигуру: куб, параллелепипед, шестигранную призму и другие. Многократные повторения примыкающих друг к другу ячеек в пространстве и образует кристалл. В вершинах простых геометрических фигур находятся атомы. Они образуют узлы кристаллической пространственной решетки. Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая (рис. 2), в узлах ячейки которой находятся по 1 атому, всего в ячейке — 8 атомов. α β γ Рис. 2. Простая кубическая решетка Проведя через ребра куба три оси (направления) x, y, z, как указано на рисунке 2, положение узлов элементарной ячейки можно описать шестью величинами: тремя отрезками, равными расстояниям а, в, с, и тремя углами α, β, γ между 11 этими отрезками. Расстояния между атомами ячейки кристаллической решетки а, в, с, называют периодами (параметрами) решетки. Соотношения между этими величинами определяют систему. Если, а = в = с; α=β = γ = 90о, то такая кристаллическая система называется кубической, например, у марганца. Если а = в≠ с; α = β = γ = 90о – тетрагональная система (элементарная ячейка представляет собой параллелепипед); а = в ≠ с; α = β = 90о, γ = 120о – система гексагональная (элементарная ячейка – шестигранная призма). На рис. 3 приведены основные типы элементарных ячеек металлов: объемно - центрированная кубическая (ОЦК– молибден, вольфрам, α-железо) – рис. 3,а); гранецентрированная кубическая (ГЦК –медь, никель, алюминий, свинец, кобальт, γ-железо) – рис. 3,б); гексагональная плотноупакованная (ГП – бериллий, кадмий, магний, цинк) – рис. 3,в), которые имеют более сложное строение, чем простая кубическая (см. рис. 2). Частицы могут находиться не только, в узлах, но и на гранях и в центре элементарной ячейки. Рис. 3. Основные типы элементарных ячеек металлов О степени сложности строения решеток судят по числу частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку. В простой кубической решетке на одну ячейку приходится одна частица, в ОЦК – две, ГЦК ячейке – четыре. ОЦК решетку имеют Mo, V, α - Fe, ГЦК решетку имеют Cu, Ni, Al, Pb, Co, γ- Fe, ГП – Ве, Cd, Mg, Zn и другие. металлы. Система, период и число частиц на одну элементарную ячейку полностью определяют расположение частиц в кристалле. Для описания различных явлений, происходящих в кристаллах, особенностей свойств кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей, используются понятия кристаллографические направления и плоскости. 3.3. Кристаллографические направления и индексы Кристаллографическими направлениями являются прямые, выходящие из принятой точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от 12 друга располагаются атомы. На рис. 4,а) за точку отсчета принята вершина куба, при этом кристаллографическими направлениями являются его ребра (x, y, z). Могут быть выбраны и другие интересующие направления (например, – диагонали граней, см. рис. 4,а). (0 0 1) б) а) Рис. 4. Кристаллографические индексы направлений а), и плоскостей б) Кристаллографическими плоскостями являются плоскости, на которых расположены атомы, например, грани куба, его диагональные плоскости (рис. 4,б). Кристаллографические направления и плоскости принято обозначать индексами. Для определения индекса направления определяют координаты ближайшего к началу координат атома, лежащего на этом направлении, и выражают их через параметры решетки. Например, для направления ох ближайший атом имеет координаты: x = a; y = 0; z = 0. Выраженные через параметр а относительные координаты запишутся [1 0 0]. Этими цифрами, заключенными в квадратные скобки, и обозначают индексы направлений вдоль оси ох и параллельных ему направлений. Для других направлений по осям oy и oz индексы выразятся: [0 1 0], [0 0 1] соответственно. Положение плоскости в пространстве определяется отрезками, отсекаемыми ею по координатным осям. Для верхней плоскости куба (рис. 4,б) они равны: x=∞, y=∞, z=c. За индексы плоскостей принимают обратные величины этих координат. Для верхней плоскости они запишутся: 1/∞=0; 1/∞=0; 1/1=1. Полученные обратные величины, заключенные в круглые скобки (0 0 1), и называют индексами плоскостей. Для ряда материалов при их использовании важно знать кристаллографические направления, так как свойства кристаллов по разным направлениям разные. Для пьезокварца, например, в направлении оси ох определяющими являются электрические свойства и механические колебания; в направлении оси оу – механические свойства; а в направлении оси оz – оптические. 13 Анизотропия Свойства кристаллов по различным кристаллографическим направлениям неодинаковы, так как число атомов и расстояния между ними разные по этим направлениям. Анизотропия – различие свойств кристалла в разных кристаллографических направлениях. Она является закономерным результатом упорядоченного расположения атомов в кристаллических телах. Анизотропные многие свойства кристаллов: механические, магнитные, температурного расширения и другие. Анизотропия проявляется только в пределах монокристалла или одного кристаллического зерна, состоящего из нескольких кристаллов. Твердые тела являются поликристаллическими, состоящими из большого числа зерен (кристаллитов), ориентированных в объеме тела произвольно. Поэтому среднее число атомов по всем направлениям оказывается примерно одинаковым. Такие поликристаллические структуры являются изотропными. Однако в процессе обработки поликристаллических материалов давлением можно добиться ориентации кристаллографических плоскостей одного индекса в разных кристаллах в одном направлении – в направлении проката. Такие поликристаллические материалы называют текстурованными. Они обладают анизотропией вдоль и поперек проката. 3.4. Влияние типа химической связи на структуру и свойства кристаллов. Типы кристаллов Тип связи, возникающий между частицами в кристалле, определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Частицы сближаются до определенного расстояния d0, которое обеспечивает кристаллу наибольшую термодинамическую стабильность (рис. 5). Расстояние, до которого сближаются частицы, определяется равенством сил притяжения и отталкивания, действующих в кристалле. Силы отталкивания проявляются при сильном сближении частиц и растут интенсивнее, чем силы притяжения. Сближению атомов до расстояния d0 соответствует минимум энергии связи Есв., что делает кристалл термодинамически стабильным (рис. 5,б). Энергия связи определяет температуру плавления, модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) и другие. параметры кристалла. По типу превалирующей химической связи между частицами все кристаллы делят на молекулярные, ковалентные, металлические, ионные. Следует отметить, что такое деление несколько условно, так как в некоторых случаях может действовать не один тип связи, а несколько. 14 Рис. 5. Изменение силы взаимодействия а) энергии связи; б) при сближении атомов в кристалле Молекулярные кристаллы образованы из молекул, связанных друг с другом слабыми Ван-дер-Ваальсовскими силами. Внутри молекул между атомами действуют более прочные, часто ковалентные, связи. При сближении молекул возникновение сил притяжения между ними объясняют мгновенной поляризацией. Энергия связи сил Ван-дер-Ваальса невелика, поэтому для них характерны низкие температуры плавления, большой коэффициент теплового расширения. Молекулярные кристаллы – диэлектрики, некоторые органические соединения, например полимеры, газы H2, N2 и другие. В ковалентных кристаллах преобладает ковалентный тип связи. Их образуют углерод, кремний, германий и другие. элементы IV,V,VI групп таблицы Д.И. Менделеева. При взаимодействии два соседних атома, обобществляют свои валентные электроны, полностью достраивая при этом валентную зону до устойчивой структуры инертных газов. Каждая связь образуется парой электронов, движущихся по замкнутым орбитам между двумя атомами. Вследствие большой энергии связи ковалентные кристаллы имеют высокую температуру плавления. Заполненность валентных зон при ковалентной связи превращает ковалентные кристаллы в полупроводники, и даже в диэлектрики. Температурный коэффициент удельного сопротивления у ковалентных кристаллов отрицателен: при нагреве сопротивление уменьшается. К ковалентным кристаллам относятся и сложные кристаллические соединения: карбид кремния, нитрид алюминия и другие. В металлических кристаллах преобладает металлический тип связи. Их образуют Be, Mg, Al, Cu, Zn и другие. элементы I и II групп таблицы Д.И. 15 Менделеева. В металлических кристаллах атомы легко отдают свои валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Валентные электроны обобществлены в объеме всего кристалла. Среди металлических кристаллов распространено явление полиморфизма (аллотропии) – способность данного вещества иметь в твердом состоянии при различных температурах различные типы кристаллических структур. Эти кристаллические структуры называют аллотропическими формами, или модификациями. Модификацию при самой низкой температуре обозначают α, при более высокой – β, γ и т.д. Обладают полиморфизмом Ti, Sn, Co, Fe и другие. Железо при температуре ниже 911оС и в интервале 1392…1538оС имеет ОЦК решетку и модификацию эту обозначают α-Fe. При температуре свыше 911оС и до 1392оС железо имеет ГЦК решетку – γ-Fe. Температуры магнитного (потеря магнитных свойств в точке Кюри) и полиморфного превращений не одинаковы для чистых металлов: например, для железа полиморфные превращения имеют место при 911оС, магнитные – 768оС. Энергия связи у металлических кристаллов меньше, чем у ковалентных, поэтому у них ниже температура плавления, модуль упругости, но выше ТКЛР. Металлические кристаллы более пластичны и менее твердые в сравнении с ковалентными, имеют высокую электрическую проводимость. В сложных кристаллах, состоящих из элементов разной валентности, может образовываться ионный тип связи. Такие кристаллы называются ионными. При сближении атомов один из элементов теряет электрон, второй приобретает его и достраивает свою электронную оболочку до устойчивой конфигурации. Элемент, отдающий электрон, становится положительно заряженным ионом. В узлах ионного кристалла располагаются ионы. 3.5. Дефекты кристаллического строения Строение кристаллов отличается от идеальных, рассмотренных выше. В реальных кристаллах всегда имеются дефекты. В зависимости от размеров дефекты кристаллического строения подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Точечные дефекты по размерам близки к межатомным расстояниям. К ним относятся вакансии, межузельный атом, примесный атом (рис. 6). Вакансии – свободные места в узлах кристаллической решетки (рисунок 6,а). Межузельные атомы – собственные атомы, вышедшие из узлов кристаллической решетки и расположенные между узлами (рис. 6,б). Примесные атомы – чужеродные атомы, занимающие в узлах кристаллической решетке места основных атомов или расположенные между узлами решетки (рис. 6,в). Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше 00 К из-за тепловых колебаний атомов. С повышением температуры концентрация вакансий растет. В меди, например, при температуре ~ 20о С содержится 10-13 % атомных вакансий, а вблизи точки плавления уже 0,01 %. Пересыщение точечными дефектами достигается резким охлаждением 16 после высокотемпературного нагрева, а также при деформации, или облучении кристалла нейтронами. Рисунок 6. Точечные дефекты в кристаллической решетке: а) вакансия; б) межузлие; в) примесный атом внедрения Вакансии – важная разновидность точечных дефектов: они ускоряют все процессы, связанные с перемещением атомов (диффузия, спекание порошков). Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку, приводят к появлению напряжений, и влияют на электрофизические свойства, повышая, например, в технически чистых металлах удельное электрическое сопротивление. На механические свойства точечные дефекты почти не влияют. Линейные дефекты имеют большие размеры в одном направлении и малые в двух других. К ним относятся дислокации, которые бывают краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет в сечении нижний край лишней полуплоскости АВ в кристаллической решетке, которую называют экстраплоскостью (рисунок 7,а). На схеме лишняя полуплоскость направлена перпендикулярно плоскости рисунка. Краевая дислокация представляет собой линию атомов нижней границы экстраплоскости. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию обозначают знаком << ⊥ >> (положительная дислокация), а если в нижней – знаком << >> (отрицательная дислокация). Возникают дислокации при кристаллизации, при механических воздействиях. Вокруг дислокаций кристаллическая решетка упруго искажена. Мерой искажения служит вектор Бюргерса, СК, (рис. 7,б), который необходим для замыкания контура, построенного вокруг дислокации. У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен линии дислокации. Полные дислокации легко перемещаются под действием напряжений, в отличие от частичных, например, винтовых, у которых вектор Бюргерса меньше межатомного расстояния. В кристалле дислокации могут иметь разные знаки. Дислокации одного знака, расположенные в одной плоскости, отталкиваются друг от друга, а противоположных знаков – притягиваются. На рис. 7,в) показана винтовая дислокация АВ, возникающая при сдвиге одной части 17 кристалла относительно другой под действием сил P. Она параллельна действующим силам P и смещается к задней стенке кристалла. а) б) в) Рис. 7. Схема краевой а), б) и винтовой в) дислокаций в кристаллической решетке Количественной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокации р – суммарная длина всех линий дислокаций ΣL, приходящихся на единицу объема V: p = ∑ V , и имеет размерность м-2. В полупроводниковых кристаллах она равна 108…109 м-2, в отожженных поликристаллических металлах р=1010…1012 м-2, после холодного пластического деформирования – возрастает до 1015…1016 м-2. Если плотность дислокаций более 1016 м-2, то в металле появляются трещины, и он разрушается. Дислокации значительно влияют на свойства материалов, наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях. Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, так как это уменьшает искажение решетки. Сильное влияние оказывают дислокации на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определенный предел текучести металла σ Т в тысячи раз меньше теоретического значения (рис. 8). Влияние дислокаций на упругопластические деформации рассмотрено ниже. Поверхностные дефекты чаще всего проявляются на границах зерен (и субзерен) и представляют угловые границы. Они имеют большие размеры в двух направлениях, и малые в третьем. Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен, кристаллические решетки в каждом из них ориентированы произвольно. Каждое зерно состоит из более мелких субзерен (блоков), которые представляют собой часть кристалла с относительно правильным строением. На границе поверхностей зерен и субзерен кристаллические решетки ориентированы различно, образуется переходный граничный слой шириной единицы нанометров. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Схема строения угловых границ показана на рис. 9. L 18 Рис. 8. Зависимость предела текучести σ т от плотности дислокации р: 1 – идеальный кристалл без дефектов; 2 – нитевидные бездефектные кристаллы («усы»); 3 – отожженные металлы с увеличенной плотностью дислокаций после деформирования; 4 – металлы с увеличенной плотностью дефектов после обработки Рис. 9. Схема строения угловых границ Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Предел текучести σ Т связан с размером зерен d зависимостью σT = σO + k d , где σ 0 и k – константы для данного материала. Поэтому чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость, меньше опасность хрупкого разрушения. 19 Вдоль границ зерен и субзерен быстрее протекает диффузия, особенно при нагреве. Взаимодействие между дефектами, перемещение их в кристаллах, изменение концентрации дефектов приводит к изменению свойств материалов и имеет большое практическое значение. Их применяют при упрочнении материалов, термической и химико-термической обработке, для изменения электропроводности и других целях. Объемные дефекты имеют большую протяженность в трех направлениях и снижают прочностные, физические и другие свойства материалов. К ним относятся микротрещины, каверны, пустоты. 3.6. Дислокационный механизм пластической деформации Рассмотрим механизм перемещения дислокации при пластической деформации. На рис. 10 изображена схема передвижения одной из дислокаций под действием силы Р и возникающих при этом напряжений сдвига τ. Экстраплоскость 1-1, содержащая дислокацию, под действием напряжения τ оттесняет соседнюю полуплоскость 2-2 в промежуточное положение и превращает ее в новую экстраплоскость. При этом нижняя полуплоскость 1′-1′ становится продолжением бывшей экстраплоскости 1-1 (рис. 10,б). Рис. 10. Схема движения дислокации при пластической деформации 20 Рассмотренный процесс повторяется с экстраплоскостями и их дислокациями до тех пор, пока экстраплоскость 4-4 не выйдет за границу зерна, образуя при этом ступеньку величиной, равной периоду решетки (рис. 10,б, в, г). При таком эстафетном передвижении экстраплоскости и дислокации каждый раз разрывается только одна связь между атомами, находящимися по разные стороны от плоскости сдвига S-S (см. рис.10). Связи между остальными парами атомов, выходящими к данной плоскости сдвига, не разрываются. Отметим, что перемещение дислокации происходит при малых нагрузках, без разрушения остальных межатомных связей, что и объясняет явление пластической деформации. По мере выхода на границу зерна новых дислокаций образующаяся ступенька растет, превращаясь в зародыш сдвига. Аналогичный описанному механизму происходит перемещение дислокаций вдоль соседних плоскостей. В результате сдвига зерно вытягивается под действием силы Р и происходит расслаивание его на пачки скольжения (рис. 11). Образующиеся пачки смещаются друг относительно друга, что приводит к вытягиванию зерен в волокне. Пластически деформированный металл анизотропен, его прочность на разрыв вдоль волокон больше, чем поперек. Рис. 11. Схема пластической деформации отдельного зерна металла Образованию и перемещению пачек скольжения в зернах предшествует лавинообразный процесс движения дислокаций по плоскостям скольжения S-S в кристаллической решетке (см. рис. 10). В процессе пластической деформации металла в кристаллической решетке его зерен под действием возникающих напряжений перемещаются не только имевшиеся дислокации, существовавшие до начала деформации, но и возникают новые. Возникнув, новые дислокации включаются в работу механизма пластической деформации. Количество дислокаций на границах зерен растет и может достичь критической величины. В местах скопления дислокаций и сдвигов 21 пачек скольжения на границах зерен возникают зародыши трещин, что приводит при дальнейшем действии нагрузки к появлению трещин и разрушению металла. Вопросы для самоконтроля 1. Чем характеризуется кристаллическое и аморфное строение материала? 2. Виды кристаллов в зависимости от типа химической связи между микрочастицами (атомами, ионами, молекулами). 3. В чем сущность кристаллического и аморфного строения? Понятие дальнего и ближнего порядка. 4. Какие характерные типы кристаллических решеток в металлах вам известны? 5. Назвать характеристики (параметры) решеток. 6. Как обозначаются кристаллографические направления и плоскости? Зачем нужны эти понятия? 7. Что такое анизотропия в кристаллах? Текстура в материале? Их общность и различие. 8. Что такое аллотропия в металлах? 9. В чем сущность поликристаллического строения твердых тел? 10. Назвать основные виды дефектов кристаллического строения. На что они влияют? 11. В чем суть дислокационного механизма упругопластической деформации? 12. Влияет ли плотность дислокации на прочность материала? Если да, объяснить механизм влияния. 22 Тема 3. Строение сплавов. Диаграммы состояния Методические указания. При изучении темы отметить преимущества сплавы, способы их получения. Понятие фаза, компонент сплава. Строение сплавов, основные отличия свойств различных структур. Что отражает диаграмма состояния сплава, ее практическое применение. Ключевые моменты темы: сплавы, фазы, их кристаллические структуры, диаграммы состояния, их связь со свойствами. Теоретический материал 3.1. Строение сплавов Более широкое применение в технике находят сплавы металлов с металлами, и металлов с неметаллами (карбидами, нитридами и другие), так как они обладают большим разнообразием свойств. Раньше сплав получали путем расплавления и соединения двух и более элементов. Сейчас для получения сплавов используют и другие технологические методы: порошковую металлургию, диффузионный метод, плазменное напыление и другие. Сплавы классифицируют по различным признакам, например: - по количеству компонентов (элементов), входящих в сплав. Больший в процентном отношении компонент называется основным, а тот, что добавляется к основному – легирующий компонент; по применению: конструкционные, инструментальные, шарикоподшипниковые, жаропрочные, пружинные и т. д.; - по плотности: тяжелые, легкие; - по температуре плавления: тугоплавкие, легкоплавкие; - по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий: литейные, деформируемые, спеченные и другие. В сплавах элементы могут по разному взаимодействовать между собой, образуя различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы. Фазой называется однородная, отделенная поверхностью раздела часть сплава, имеющая одинаковый состав, структуру и свойства. В зависимости от атомно-кристаллической структуры, природы компонентов сплава и соотношения их массовых количеств, сплавы после затвердевания могут образовывать: - твердые растворы; - механические смеси; - химические соединения. 23 Две последние структуры называют промежуточными фазами, у них образуется новый тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток элементов, его образующих. Твердые растворы образуются при растворении компонентов друг в друге. При этом атомы растворимого компонента В размещены в кристаллической решетке растворителя А. Зерна такого сплава имеют кристаллическую решетку, построенную из атомов двух компонентов. Если атомы растворимого компонента В замещают в узлах решетки атомы компонента - растворителя А, такой раствор называют твердым раствором замещения (рис. 12,а). Их образуют компоненты, имеющие небольшие различия в параметрах кристаллических решеток. Твердые растворы внедрения образуются, если атомы растворимого компонента В имеют малый радиус в сравнении с радиусом атомов растворителя А. Они располагаются между атомами компонента - растворителя А (рис. 12,б). Растворы замещения часто образуются в случае, когда в металле растворяются не металлические элементы: углерод, азот и другие. Твердые растворы образуют сплавы Cu-Al, Cu-Ni, Ge-Si, α -Fe, γ -Fe, а также некоторые сплавы с большим числом компонентов. а) б) Рис.12. Твердые растворы: а) замещения; б) внедрения; o - атомы растворителя А; • - атомы растворяемого компонента В Искажения кристаллической решетки при образовании твердых растворов внедрения больше, чем при образовании растворов замещения. Поэтому у них более резко изменяются и свойства. При увеличении концентрации растворенного элемента в твердом растворе увеличивается удельное электрическое сопротивление, прочность, но снижается пластичность и вязкость. Возникновение и исчезновение порядка в расположении атомов твердых растворов сопровождается также изменением свойств. При упорядочении возрастает электрическая проводимость, температурный коэффициент удельного сопротивления, твердость и прочность, но снижается пластичность. Сплавы на основе металлов со структурой твердых растворов хорошо деформируются в горячем, а многие и в холодном состоянии. Структуру твердых растворов имеют большинство промышленных конструкционных сплавов и сплавов специального назначения. 24 Механические смеси образуются, когда из жидкого расплава одновременно выпадают кристаллы составляющих его компонентов. Это происходит, если компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии, или обладают ограниченной растворимостью. При образовании механической смеси кристаллические решетки фаз не изменяются. Механические смеси образуют металлы, отличающиеся друг от друга атомными объемами и температурой плавления. Например, Cu+Zn, Cu+Al, Cu+Sn и другие. Механические смеси имеют металлический тип связи, многие из них не отличаются высокой твердостью, но имеют высокую пластичность, хорошую электропроводность. Химические соединения представляют собой зерна сплава с кристаллической решеткой, которая отличается от решеток компонентов. Компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, образуются фазы с ионно-ковалентным (халькогенид ZnS, фосфаты AlP, обладающие полупроводниковыми свойствами) или ковалентно-металлическим (нитриды BN, карбиды WC, Fe3C, TiC, бориды и другие) типом связи. Свойства химических соединений резко отличаются от свойств элементов, его образующих. Они хрупкие, имеют высокую твердость. 3.2. Диаграммы состояния двойных сплавов При охлаждении в сплавах происходят изменения, образуются новые фазы (твердые, жидкие), структуры. Эти изменения можно проследить на основе анализа диаграмм состояния, которые строятся по кривым охлаждения, и нами не рассматриваются. Диаграммой состояния называют графическое изображение, показывающее в состоянии равновесия фазовый состав и структуру сплава в зависимости от концентрации и температуры. Рассмотрим основные диаграммы состояния двойных сплавов. Диаграммой состояния I рода (типа) характерна для сплавов, компоненты которых образуют механические смеси, при незначительной взаимной растворимости (рис. 13). Слева направо по оси абсцисс откладывается процентная доля компонента В в сплаве. Процентная доля компонента А увеличивается в противоположном направлении оси абсцисс. Часто ее не показывают, а подразумевают. Рис. 13. Диаграмма состояния I рода 25 По оси ординат откладывают значения температуры. Компоненты А и В для этого типа диаграмм взаимно растворяются только в жидком состоянии, а в твердом состоянии не растворяются и не образуют химических соединений. Линия АCВ, выше которой сплавы находятся в жидком состоянии, называется линией ликвидус. Линия DCE, ниже которой сплавы находятся в твердом состоянии, называется линией солидус. Между линиями ликвидус и солидус сплавы переходят из жидкого состояния в твердое. Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектикой, или эвтектическим. Эвтектика представляет собой тонкую механическую смесь компонентов в составе А и В. Процентное соотношение компонентов в составе сплава можно определить, опустив перпендикуляр из точки С на ось абсцисс. При охлаждении эвтектических сплавов оба компонента одновременно из жидкого состояния кристаллизируются в твердое. Левее от эвтектики сплавы называются доэвтектическими, правее заэвтектическими. У доэвтектических сплавов область AСD содержит жидкую фазу Ж и кристаллы компонента А. Заэвтектические сплавы в области СBE содержат жидкую фазу Ж и кристаллы компонента В. Ниже линии солидус в области DCBэ, доэвтектические сплавы в твердом состоянии содержат компонент А и эвтектику (А+В), заэвтектические в области CEBэ, компонент В и эвтектику (А+В). Диаграмма состояния II рода характерна для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге, имеющих одинаковые типы кристаллических решеток (рис. 14). Рисунок 14. Диаграмма состояния II рода Диаграмма содержит область жидкой фазы Ж, двухфазную область α +Ж, область твердой фазы α . Фаза α представляет твердый раствор компонентов А и В, а зерна (кристаллиты) имеют общую кристаллическую решетку. Диаграммы состояния III рода характерны для сплавов с ограниченной растворимостью (рис. 15). Линия ADB является линией ликвидус, а линия ACDEB – линией солидус. Фаза α является твердым раствором компонента В в компоненте - растворителе А, а фаза ß - твердым раствором компонента А в компоненте - растворителе В. 26 Рис. 15. Диаграмма состояния III рода Эвтектика для рассматриваемой диаграммы представляет собой механическую смесь мелкозернистых фаз α и ß, и кристаллизуется на линии CDE при наименьшей для данной системы температуре. Линия CF показывает предельную растворимость компонента В в компоненте А, а линия ЕК – предельную растворимость компонента А в компоненте В. Ниже линии CF из α - фазы начинают выделяться атомы компонента В, образуя вторичные кристаллы ßII ß-твердого раствора. Аналогично, ниже линии ЕК из ßфазы выделяются атомы компонента А, образуя вторичные кристаллы αII αтвердого раствора. Структуры доэвтектических и заэвтектических сплавов ниже линии СЕ трехфазные (см. рис. 15). Диаграмма состояния IV рода относится к сплавам, в которых компоненты сплавов образуют устойчивые химические соединения АmBn (рис. 16). Эти соединения (интерметаллы) выступают в роли самостоятельного третьего компонента, способного образовывать сплавы с каждым из исходных компонентов. Химическое соединение АmBn образует с компонентами А и В сплавы, для которых характерны диаграммы состояния I рода. Рис. 16. Диаграмма состояния IV рода Тип диаграммы состояния предопределяет характер изменения свойств сплава. Для механических смесей (диаграмма состояния I рода) прочность и удельное 27 электрическое сопротивлении сплавов изменяется по линейному закону от компонента А к компоненту В (рис. 17,а). Для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (диаграмма состояния II рода) эти свойства изменяются по нелинейному закону, и могут имеют максимум (рис. 17,б) или минимум. В результате прочность и удельное электрическое сопротивление у твердых растворов могут быть выше, чем у чистых компонентов. Рис. 17. Изменение твёрдости и электрического сопротивления в зависимости от рода диаграммы состояния Для сплавов с диаграммой состояния III рода в области однофазных твердых растворов свойства изменяются по нелинейному закону, а в области механической смеси твердых растворов по линейному закону (рис. 17,в). Для сплавов и компонентов, образующих химическое соединение, максимальные значения прочности и удельного электрического сопротивления имеет место при концентрации компонентов, соответствующих химическому соединению (рис. 17,г). Таким образом, при известном характере взаимодействия между компонентами и роде (типе) диаграммы состояния сплава возможен выбор процентного состава сплава, обеспечивающего заданные физико-механические свойства. 28 Вопросы для самоконтроля 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Что такое сплав и как его получают? Зачем нужны сплавы? Что такое фаза сплава? Как можно классифицировать сплавы? Какие виды структуры при взаимодействии компонентов сплава могут образоваться? На что это влияет? Что такое диаграмма состояния сплавов и что позволяет она установить? Почему изменяются свойства сплавов в зависимости от его состава. Как отражается изменение состава сплава на его свойствах? Дать характеристику структур, составляющих сплавы. Какова связь разных типов диаграмм состояния сплавов и его свойств? 29 Тема 4. Строение неметаллических материалов Методические указания. При изучении данного раздела темы необходимо получить общее представление о многообразии неметаллических материалов, их широком применении не только как конструкционных, но и электротехнических материалов, представлять строение некоторых применяемых в приборостроении неметаллических материалов. Большую группу таких материалов составляют полимеры и материалы на основе полимеров, например слоистые пластики, резины, пластмассы, а также стекла, керамика, композиционные материалы и другие, вспомнить из курса органической химии, как образуются полимеры из мономеров, реакции полимеризации и поликонденсации, образование линейных и пространственных структур макромолекул и связи между ними. Существование аморфных и кристаллических неметаллических материалов, связать это с их свойствами. Обратить внимание, что в зависимости от температуры полимеры могут находиться в различном физическом состоянии: стеклообразном, высокоэластичном, вязкотекучем, что изменяет их свойства. Коротко рассмотреть состав и строение стекол, обратить внимание отличие ситаллов от стекол по строению и свойствам, а также на двухфазовое строение керамик. Иметь общее представление о строении и свойствах композиционных материалов, о применение материалов. Ключевые моменты темы: после изучения темы представлять строение неметаллических материалов: у полимеров – роль линейных и пространственных связей, их влияние на свойства; различие свойств стекол и ситаллов, объяснить хрупкость керамик, особые свойства композиционных материалов. Теоретические материалы 4.1. Строение полимеров Полимерами называются вещества с большой молекулярной массой, у которых молекулы состоят из одинаковых многократно повторяющихся групп атомов-звеньев, соединенных химическими связями. Например, в макромолекуле поливинилхлорида полимеры получают из мономеров – веществ, каждая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных звеньев, на основе реакций полимеризации или поликонденсации. При реакции полимеризации образование полимера из молекул мономера происходит без выделения низкомолекулярных побочных продуктов. При этом реакции в полимере и элементарном звене полимера соблюдается одинаковый элементный состав. Наиболее распространенной разновидностью реакции полимеризации является цепная полимеризация. 30 H H H H H H С С С С С С H Cl H Cl H Cl …….. повторяющимся звеном является группировка H H С С H Cl. При реакции поликонденсации образование полимера из мономера происходит с выделением низкомолекулярных веществ (воды, спирта, аммиака и другие). Элементный состав полимерной молекулы при этом отличается от элементного состава мономерной молекулы. На основе реакции поликонденсации получают широко распространенные полимеры, например фенолоформальдегидные смолы, полиэфиры и другие. Термин смола используется часто наряду с названием полимер. В зависимости от характера связей между линейными молекулами полимеры разделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры способны многократно размягчаться при нагревании и твердеть при охлаждении без изменения своих свойств. Термореактивные при нагреве остаются твердыми вплоть до полного термического разложения. В термопластичных полимерах из макромолекул с линейной структурой, между молекулами действуют сравнительно слабые молекулярные силы Ван-дерВаальса. При нагреве связи между молекулами ослабляются, материал становиться мягким и податливым. У термореактивных полимеров кроме сил Ван-дер-Ваальса имеются поперечные ковалентные связи между молекулами. Поэтому термореактивный материал остается твердым при нагреве. На свойства полимера оказывает влияние и упорядоченность их структуры. В полимерах с регулярной структурой макромолекул, т.е. с определенным порядком чередования элементарных звеньев, возможно наличие кристаллических областей, характеризуемых строго определенным пространственным расположением цепей и одновременно элементарных звеньев макромолекул. Такие полимеры называют кристаллическими. В аморфных полимерах отсутствует дальний порядок в расположении макромолекул, у них на сравнительно больших участках главные цепи соседних молекул располагаются параллельно. Кристаллические полимеры обычно содержат кристаллическую и аморфную фазы. Многие свойства полимеров зависят от степени кристалличности – соотношения аморфной и кристаллической фаз. 31 В зависимости от температуры полимеры могут находиться в одном из следующих физических состояний: стеклообразном, высокоэластичном, вязкотекучем. Температуры переходов называются температурами стеклования Tст и текучести Tтек соответственно. Различия между физическими состояниями полимеров проявляются при деформировании (рис. 18). Рис. 18. Зависимость деформации от температуры у полимеров: 1-аморфный; 2-кристалический; СС – стеклообразное состояние; ВЭС – высокоэластичное состояние; ВТС – вязкотекучее состояние В стеклообразном состоянии полимеры обладают хрупкостью. При температуре выше Tст материалы обладают большой упругой деформацией и находятся в высокоэластичном состоянии. Полимеры, находящиеся в ВЭС в широком интервале температур, называются эластомерами или каучуками. Если нагреть полимер выше температуры Tтек, то материал переходит в вязкотекучее состояние. В этом состоянии материал обладает необратимыми пластическими деформациями. Полимеры делят на полярные и неполярные (подробнее о них и их свойствах в теме №10 Диэлектрики). К линейным неполярным полимерам, получаемым полимеризацией, относятся полиэтилен, полистирол, полипропилен, политетрафторэтилен (фторопласт-4) и другие. К линейным полярным полимерам, также получаемым полимеризацией, относятся поливинилхлорид, политрифторхлорэтилен (фторопласт-3), полиметилметакрилат (органическое стекло) и другие. Свойства, применение названных полимеров, их параметры см. в литературе [1,3]. На основе реакций поликонденсации получают различные полимеры (смолы): феноло-формальдегидные (фенопласты), эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические, полиамидные, полиимидные и другие. В зависимости от условий проведения реакции поликонденсации можно получить термопластичные смолы, называемые новолачными, или 32 термореактивные, называемые резольными, или бакелитом. Смолы используют в качестве связующего при производстве пластмасс, лаков, компаундов, композиционных материалов. Один из термопластичных полимеров, получаемых на основе реакции поликонденсации, называется полиэтилентерефталат (лавсан), широко применяется в качестве изоляционного материала. Кремнийорганические смолы (силиконы) обладают высокой термо-тепло-водо-атмосферостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Полиимиды относятся к группе наиболее нагревостойких органических полимеров, в отличии от полиамидов. Подробнее о их свойствах и применении в литературе [1,3,9]. ПЛАСТМАССЫ представляют собой органические материалы на основе полимеров, способные при нагреве размягчаться и под давлением принимать приданную устойчивую форму. Простые пластмассы состоят из одних химических полимеров (смол). Сложные пластмассы кроме смол (связующего) содержат добавки: наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, катализаторы и другие, которые придают пластмассам те или иные свойства. Вопросы для самоконтроля 1. Что такое полимеры? Назовите известные вам полимеры. 2. Какие свойства отличают полимеры от металлов? 3. По каким признакам классифицируют полимеры, приведите примеры классификации? 4. Назовите особенности строения молекул полимеров. 5. На основе каких химических реакций можно получить полимеры? 6. В чем состоит принципиальное отличие термопластичных и термореактивных полимеров? 7. Назовите основные свойства полимеров и области их применения. 8. Что такое пластмассы? Их отличие от полимеров. 9. Применяются ли полимеры для изготовления других электротехнических материалов? Если да, то каких именно? 10. Отличаются ли полиамиды и полиимиды по своему составу и свойствам? 11. Какое физическое состояние могут иметь полимеры и другие неметаллические материалы, и в чем это отличие заключается? 33 4.2. Строение стекол Стекло представляет собой изотропное твердое тело, образующееся при охлаждении расплава стеклообразующих оксидов SiO2, Ba2O3, P2O5, GeO2 с бескислородными соединениями мышьяка, селена, теллура и другими элементами. Основу стекла образует объемная сетка из однородных структурных элементов. Структура аморфного стекла образуется при охлаждении стеклянной массы. Широкое применение находят силикатные стекла с добавками других оксидов. В сравнении с кварцевым стеклом они размягчаются при более низкой температуре и легче перерабатываются в изделия. В силикатных стеклах атомы компонентов соединяются ковалентно - ионными связями. При определенном соотношении содержания кремния, кислорода и других элементов в стекле очень трудно предупредить зарождение и рост кристаллов. Кристаллизация с образованием крупных кристаллов отрицательно влияет на прочность и прозрачность стекла. Ее предупреждают подбором химического состава стекла и условий его варки. Возникающие в стеклянных изделиях напряжения устранят ТО. Наиболее высокими свойствами обладает кварцевое стекло, выплавляемое из горного хрусталя или чистых кварцевых песков. У него высокая оптическая прозрачность, механическая прочность до температур порядка 1000 ◦С, инертность к действию многих химических реагентов, высокие диэлектрические свойства. Применяется для изготовления химической посуды, изделий электровакуумной техники, различных изоляторов, изоляции проводов, деталей переменных конденсаторов, в терморезисторах и другие. Из стекол специального состава при помощи контролируемой кристаллизации получают кристаллические стекла – ситаллы и фотоситаллы. Структура ситаллов представляет смесь очень мелких, беспорядочно ориентированных кристаллов и остаточного стекла. Ситаллы имеют высокую механическую прочность, и используются в качестве износостойкого материала в узлах трения, как диэлектрик – для радиодеталей, плат подложек в микроэлектронике и электронике. Вопросы для самоконтроля 1. 2. 3. 4. Что представляют собой стекла, их основные свойства? Отличие ситаллов от стекол. Применение ситаллов. В каком физическом состоянии могут находится стекла? Почему свойства кварцевого стекла отличаются от свойств силикатного? 34 4.3. Строение керамики Керамикой называют материалы, полученные спеканием (обжигом) при высоких температурах минеральных порошков и оксидов. При спекании исходные вещества взаимодействуют между собой, образуя кристаллическую и аморфную фазы. Керамика представляет собой пористый материал, содержащий ковалентные или ионные кристаллы. Аморфная фаза является стеклом, которое по своему химическому составу отличается от кристаллов. Керамический материал может содержать одну или несколько кристаллических фаз, отдельные виды керамики совсем не имеют стекла в своей структуре. Обычно керамика имеет поликристаллическую структуру с прослойками стекла и с беспорядочным расположением зерен, и поэтому однородна по свойствам. Керамика хрупкая. Соответствующим подбором состава керамики из нее получают материалы с разнообразными свойствами и применением. В приборостроении применяют два вида керамики: техническую керамику для изготовления деталей различного конструктивного назначения (опоры приборов, крыльчатку вентиляторов, корпуса , основания и другие) и электротехническую керамику для изготовления установочных элементов, конденсаторов, изоляторов, подложек микросхем. Многие виды керамик имеют малые диэлектрические потери и могут работать при высоких частотах: радиофарфор, ультрафарфор, стеатит и другие. Керамика на основе Al2O3 (поликор) обладает оптической прозрачностью и применяется качестве фильтров оптических устройств. Более подробно о видах керамики, ее свойствах и применении в литературе [1,3,9]. Вопросы для самоконтроля 1. Что представляет собой керамика и как ее получают? 2. Виды керамик и их назначение. Привести примеры разных видов керамики. 3. Назовите основные свойства керамики. 35 4.4. Композиционные материалы Композиционными (КМ) называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам( нерастворимые или малорастворимые один в другом) компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей. По удельной прочности и жесткости при высоких температурах, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам КМ значительно, в два-три раза и более, превосходят все известные конструкционные сплавы. Трудности возникают при соединении деталей из КМ в изделии. Поэтому стремятся по возможности придать детали из КМ форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей. Уровень заданного комплекса свойств КМ проектируется заранее и реализуется в процессе его изготовления. Свойства КМ в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Основой КМ (матрица) служат металлы или сплавы (их называют КМ на металлической основе: Al, Ni, и другие), или полимеры, углеродные или керамические материалы (называют КМ на неметаллической основе: керамика, полимеры, и другие). Матрица связывает композицию, придает ей форму, в значительной мере определяет свойства КМ. В матрице равномерно распределены остальные компоненты, их называют наполнители (иногда упрочнители), которые и определяют, в основном, прочностные свойства КМ. В литературе упрочнители называют иногда более широким понятием – армирующий компонент. Наполнители могут быть в виде отдельных мелких частиц (нуль-мерные наполнители), такие КМ называют дисперсионно-упрочненными; в виде волокон (одномерные наполнители) – такие КМ называют волокнистыми, например волокнистые пластмассы; двумерными – такие КМ называют слоистыми (например, текстолит). В качестве наполнителя в КМ могут быть использованы ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. Такие КМ называют эвтектическими. Эвтектические КМ могут иметь различные электрические, магнитные свойства в разных направлениях (анизотропные эвтектические КМ), их применяют в приборостроении при изготовлении ряда электронных устройств (бесконтактные выключатели, магнитные устройства и другие.) В КМ применяют различные схемы армирования (рис. 19), их получение определяется видом наполнителя и его процентным содержанием. Для армирования по линейной схеме используют нуль-мерные и одномерные наполнители. Расстояния между нуль-мерными наполнителями по оси ох значительно меньше, чем по другим осям (рис. 19,а). Для армирования по плоскостной схеме используют нуль-мерные, одно- и двухмерные наполнители. Частицы располагаются в параллельных плоскостях, образуя волокна (рис. 19,б). 36 При армировании по объемной схеме нет преимущественного направления наполнителя, в его распределении используют нуль-мерные и одномерные наполнители (рис. 19,в). а) б) в) Рисунок 19. Схемы армирования КМ: а) – линейная (одноосная); б)– плоскостная (двухосная); в) – объемная (трехосная) Применяют КМ для изготовления деталей различного назначения: лопасти винтов вертолетов, гребные винты, камеры сгорания реактивных двигателей, лопатки турбин, корпуса и детали машин и приборов, подшипников скольжения, сепараторов скоростных шарикоподшипников и другие. Подробнее о КМ в литературе [1,3,7]. Вопросы для самоконтроля 1. Что представляет собой КМ? 2. Чем определяются свойства КМ? Как их можно изменить? 3. Какие материалы используют в качестве упрочнителя, и какие – матрицы? 4. Как расположен упрочнитель в матрице? Его влияние на свойства КМ. 5. Чем вызвано упрочнение дисперсионно-упрочненных и волокнистых КМ? 6. В чем отличие эвтектических КМ от других видов КМ? 7. Чем отличаются дисперсионно-упрочненные КМ от волокнистых и слоистых КМ? 8. Что отличает композиционные материалы от других конструкционных материалов? 9. Какие композиционные материалы называют эвтектическими? Отличие их свойств от свойств других композиционных материалов. 37 Тема 5. Свойства материалов и их определение Методические указания. Начать изучение темы – с классификации свойств. Можно придерживаться и другой классификации, но указанные ниже свойства свести в соответствующие группы. Необходимо понять, что определяет каждое из названных свойств, знать, какой параметр (характеристика) отражает это свойство, в какой размерности (единице измерения). Рассмотреть деление свойств на: а) эксплуатационные (функциональные); б) технологические; в) потребительские. К эксплуатационным свойствам можно отнести: -механические (прочностные) при статических и динамических нагрузках: жесткость (упругость), пластичность, твердость, вязкость, износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, хладноломкость, усталость, выносливость и другие; -теплофизические: теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение. Не упустить из виду, что электрофизические свойства: диэлектрические, магнитные и другие будут рассмотрены в соответствующих темах; -химические: коррозионная стойкость, химическая стойкость, влагопоглощение, смачиваемость и другие. К технологическим свойствам относятся: -литейные; -обрабатываемость резанием; -обрабатываемость давлением; -свариваемость; -паяемость; -деформация и коробление при термической обработке, и другие. К потребительским свойствам отнесем стоимость материала (оптовая цена), гигиенические и другие, хотя, например, для медицинского приборостроения гигиенические требования являются функциональными. Необходимо иметь представление о содержании каждого из свойств. Ключевые моменты темы: при изучении темы необходимо четко уяснить понятие каждого из свойств, что оно отражает, количественную меру (параметр) каждого из свойств, если свойство ею характеризуется, и ее размерность. 38 Теоретические материалы 5.1. Классификация свойств материалов, их общая характеристика При выборе материалов часто приходится учитывать большое разнообразие их свойств. Классифицируя свойства с учетом конструкторской специфики, можно выделить три основные группы свойств: эксплуатационные, технологические, потребительские (рис. 20), которые и лежат в основе выбора материала, определяют техническую и экономическую целесообразность его применения. Рис. 20. Классификация свойства материалов Эксплуатационными (функциональными, или служебными) называют свойства материала, которые определяют функционирование деталей машин и приборов, их силовые, динамические, стойкостные, электрические, диэлектрические, магнитные, оптические и другие технико-эксплуатационные показатели. Для подавляющего большинства деталей приборов функционирование их обеспечивает уровень механических свойств материалов. Механические свойства характеризуют поведение материала под действием внешних нагрузок. Условия нагружения деталей машин и приборов очень разнообразны, поэтому механические свойства включают большую группу показателей и рассмотрены ниже в отдельном параграфе. Электрические, магнитные, диэлектрические свойства важны для соответствующих групп материалов (проводниковых, диэлектрических, 39 магнитных), поэтому и изучать их удобнее в рамках тем электротехнических материалов (см. темы 9, 10, 11). Функционирование отдельных деталей приборов зависит не только от механических, но и от других эксплуатационных свойств, так как спектр воздействий на прибор различных эксплуатационных факторов широк. Если такие воздействия становятся значительными, то определяющим становятся другие эксплуатационные свойства материала. Например, при действии на материал влаги учитывают его свойства влагопоглощения (способность адсорбировать влагу из окружающей среды); водопоглощение (способность абсорбировать влагу объемом вещества). Жаростойкость характеризует способность материала противостоять химической коррозии при высоких температурах; жаропрочность—способность материала противостоять внешним нагрузкам при высоких температурах; коррозионная стойкость – способность материала противостоять электрохимическому или биологическому разрушению. Способность материала работать под воздействием потоков большой энергии или радиации определяет радиационные свойства материала. Для материалов различных оптических приборов, элементов оптоэлектроники важными из свойств оптических материалов являются их способность пропускания, отражения, поглощения излучений различной длины волны. Эксплуатационные свойства материалов определяют при соответствующих испытаниях, и оценивают количественными параметрами (показателями). Технологические свойства определяют пригодность материала к изготовлению из него деталей различными методами обработки при требуемом их качестве, с наименьшими трудозатратами. К ним относятся: − литейные (жидкотекучесть – способность сплава заполнять литейную форму; усадка – изменение размеров и объема расплавленного сплава в процессе затвердевания и охлаждения; газопоглощение – способность поглощать газы в расплавленном состоянии и выделять их в процессе охлаждения, что приводит к порам; ликвация – образование неоднородностей химического состава в разных частях отливки); − деформируемость – способность подвергаться обработке давлением различными методами (ковкой, штамповкой, прокаткой и другими); − обрабатываемость резанием – способность обрабатываться методами со снятием стружки (точение, фрезерование, сверление, шлифование и другие); − паяемость – способность к соединению деталей пайкой; − адгезия – сцепление поверхностей разнородных тел (например, клея к склеиваемой поверхности), и другие. К потребительским относятся свойства материала, определяющие в первую очередь экономичность, безопасность его применения, не загрязнение окружающей среды. Экономические свойства оценивают стоимостью материала, а количественным показателем является оптовая цена, или относительная стоимость в сравнениями с другими материалами. 40 5.2. Механические (прочностные) свойства материалов Механические (прочностные) свойства характеризуют способность материала противостоять деформации или разрушению. Деформация – изменение размеров или формы тела под действием внешних или внутренних сил. Деформации могут быть упругие (исчезают после снятия нагрузки) и пластические (остаются после снятия нагрузки). К механическим свойствами относят прочность, упругость, твердость, износостойкость, пластичность, вязкость, каждое из которых характеризуют стандартными показателями, определяемыми при испытаниях в лабораторных условиях на специальных образцах. Полученные при таких испытаниях показатели механических свойств оценивают поведение материалов при внешней нагрузке без учета особенностей конструкции детали и условий ее эксплуатации (например, жесткость детали, цикличность нагружения и другие). Учет конструктивных особенностей и условий эксплуатации детали проводят при разработке детали, вводя в стандартные показатели материала соответствующие коррективы, например, уменьшение их показателей до установленных значений. Многие важные прочностные показатели материалов определяются при статических испытаниях на растяжение по стандартной методике, ГОСТ 1437-84, на стандартных образцах. До испытаний образец имеет длину l0 и площадь поперечного сечения F0. Испытания проводят на специальных разрывных машинах. Плавно повышая нагрузку, фиксируют удлинение образца Δl = l − l 0 , где l – длина образца при нагружении. По результатам испытаний строят диаграмму растяжения в координатах нагрузка (напряжения) – удлинение образца (рис. 21). а) Рис. 21. Диаграммы растяжения материалов: а) имеющих площадку текучести, б) при ее отсутствии 41 б) Значения напряжения σ определяют из выражения σ = P/F, где P – прикладываемая к образцу нагрузка. На диаграмме можно выделить три участка: линейный OA, соответствующий упругой деформации до напряжения σпц, нелинейный AB, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки от напряжений σпц до σв; и нелинейный BC, также соответствующий упругопластической деформации, но при снижении нагрузки. При напряжениях, соответствующих напряжением в точке C, происходит разрушение образца. На линейном участке в области упругих деформаций напряжения прямо пропорциональны удлинению. Эта зависимость известна под названием закона Гука: σ пц = E ⋅ ε 1 , где σпц - напряжение предела пропорциональности, до значения которых сохраняется линейная зависимость их от удлинения; E – модуль нормальной упругости (модуль Юнга, размерность его МПа), характеризующий упругие свойства материала (связан с силами межатомного взаимодействия); ε 1 = Δl l0 - относительная упругая деформация. На небольшом участке от напряжений σпц до σупр нарушается незначительно линейная зависимость между нагрузкой и деформацией из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами кристаллической решетки. Поэтому упругие свойства материала оценивают напряжениями предела упругости σупр. Пределом упругости σупр называют напряжение, при котором пластическая деформация не превышает заданного установленного значения в 0,005; 0,02 или 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают σ0,005, σ0,02, σ0,05 и приводят в справочниках. Используют эти показатели при расчетах упругих элементов, жесткости конструкций. У некоторых материалов при увеличении нагрузки до значений, при которых возникают напряжения выше напряжения σупр , на диаграмме появляется площадка текучести (рис. 21,а). В материале проявляются пластические деформации без заметного изменения нагрузки. Напряжениями предела текучести σ Τ называют наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без изменения нагрузки. Иногда его называют физическим пределом упругости. Если на диаграмме растяжения площадка текучести отсутствует (рис. 21,б), то предел текучести определяют как напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%, обозначают σ0,2 и называют условный предел текучести. При дальнейшем увеличении нагрузки напряжения в материале увеличиваются, пластическая деформация возрастает. При определенной нагрузке на образце появляется местное утонение – шейка, в которой в основном и сосредотачивается пластическая деформация. Этому моменту соответствует на диаграмме растяжения точка B, а напряжение называют 42 временное сопротивление. Временное сопротивление (предел прочности σв (МПа)) – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Оно характеризует максимальную прочностную способность материала, после чего он разрушается. Напряжения σпц, σупр, σт, σв являются стандартными показателями прочности. Пластичность материала характеризует относительным удлинением δ и относительным сужением ψ: δ = [(l k − l 0 ) l 0 ] ⋅ 100% ; ψ = [(F0 − Fk ) F0 ] ⋅ 100% , где lk – конечная длина образца; l0 и F0 – начальная длина и площадь поперечного сечения образца; Fk – площадь поперечного сечения в месте разрыва. Для малопластичных, хрупких материалов испытания на растяжение для определения прочностных показателей представляют значительные затруднения. Поэтому такие материалы подвергают испытанию на изгиб или сжатие. Подробнее об этом в литературе [1,2,3,6]. Способность материала работать при знакопеременных (циклических) нагрузках называют выносливостью. Количественным показателем выносливости служит напряжение предела выносливости σ-1, значение которого определяется через значения показателей прочности, или по результатам специальных испытаний числом циклов нагружения до разрушения материала. Важным свойством для материала деталей, имеющих при работе относительное движение (например, подшипники скольжения), является износостойкость. Износостойкость – способность материала противостоять поверхностному разрушению под действием сил трения. Для оценки износостойкости используют такие показатели, как изменение размера на единицу длины, или изменение массы за определенное время работы. При работе деталей приборов в условиях динамических нагрузок многие металлы проявляют склонность к хрупкому разрушению, усиливаемому различными концентраторами напряжениями. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению проводят испытания на ударную вязкость на маятниковых копрах с использованием специальных образцов с надрезами [1, 2]. Способность материала работать при быстро возрастающих нагрузках называют ударной вязкостью. За показатель ударной вязкости принимают величину работы К, затраченной на ударный излом образца, и отнесенный к площади его поперечного сечения S0 в месте надреза: КСU = K S 0 в размерности (МДж/м2). Буква U указывает на форму надреза образца. Ударная вязкость чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения хладноломкости – температуры или температур, при которых происходит снижение ударной вязкости. Хладноломкостью называют свойство металлического материала терять свою вязкость, хрупко разрушаться при низких температурах. К хладноломким можно отнести сплавы с ОЦК кристаллической решеткой, например α-Fe, и ГП решёткой, например Zn. К нехладноломким 43 металлам можно отнести γ-Fe, Al, Ni и другие, имеющих ГЦК кристаллическую решетку. 5.3. Твердость материала Твердость характеризует способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность более твердого тела – индентора. В качестве индентора используют закаленный стальной шарик или алмазный наконечник в виде конуса или пирамидки. При вдавливании индентора поверхностные слои материала испытывают значительную пластическую деформацию. После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток. Испытания на твердость – доступный и распространенный вид механических испытаний, так как для многих материалов количественные значения твердости и прочностные показатели пропорциональны (см. формулы на странице 43). Это позволяет по значениям твердости сделать заключение о прочностных свойствах материала. Наиболее распространенным испытанием на твердость при вдавливании индентора являются: метод Бринелля, метод Виккерса, метод Роквелла. Отличие одного метода от другого заключается в использовании различной формы и материала индентора, прикладываемой к индентору нагрузке, оценке (расчету) твердости по глубине или площади отпечатка, а также по возможности применения с учетом конструктивных особенностей детали. Более подробно методы измерения твердости будут рассмотрены на лабораторной работе (см. также [1, 2, 3]). При испытаниях на твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) в образец вдавливается закаленный шарик диаметром D под действием нагрузки P от 500 до 3000 Н (рис. 22,а). Рис. 22. Схема испытаний на твёрдость: а) по Бринеллю; б) по Виккерсу; в) по Роквеллу 44 После снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка сферической лунки. Число твердости по Бринеллю обозначается HB и подсчитывается как отношение нагрузки P к площади поверхности отпечатка М: HB = P 2⋅P = , M π ⋅ D ⋅ D − D2 − d 2 [ ] где d – диаметр вдавливаемого шарика, мм; D – диаметр отпечатка шарика на поверхности, мм. Обозначается она числом твердости без указания размерности, например, НВ200. Метод Бринелля используется для определения твердости материалов малой и средней твердости: сталей с твердостью не более HB450, цветных металлов с твердостью HB200 и менее. Для ряда материалов установлена корреляционная связь между временным сопротивлением (в МПа) и числом твердости HB: σв≈3,4НВ – для горячекатаных сталей; σв≈4,5НВ – для медных сплавов; σв≈3НВ – для алюминиевых сплавов. Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более HB450, а также малой толщины. При испытаниях на твердость по Виккерсу, ГОСТ 2999-75, (рис. 22,б) в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамидка. После снятия нагрузки измеряется диагональ квадрата у отпечатка – d1. Число твердости по Виккерсу обозначается HV и подсчитывается по формуле: HV=1.854 P/d12, где Р измеряется в ньютонах, а d1 – в мм. Обозначается твердость по Виккерсу числом единиц твердости без указания размерности, например, HV405. По Виккерсу, в сравнении с методом Бринелля, можно испытывать материалы с высокой твердостью, а также детали малых сечений или тонких поверхностных слоев. Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю, имеющих твердость до НВ450, практически совпадают. Испытания на твердость по Роквеллу наиболее универсальны и наименее трудоемки, так как не нужно измерять размеры отпечатка и определять его площадь по таблицам. Число твердости определяется непосредственно по шкале твердомера в зависимости от глубины вдавливания индентора. В качестве индентора используется алмазный конус или стальной шарик. В зависимости от материала индентора выбирают соответствующую нагрузку. Для различных комбинаций нагрузок и наконечников прибор Роквелла имеет три измерительных шкалы: А, В, С. Твердость по Роквеллу обозначают HR числом единиц твердости с указанием шкалы твердости, например HRA70, НRB58, HRС50. Шкалу А (алмазный конус и нагрузка 600Н) применяют для измерения особо твердых материалов, для тонких листовых материалов или тонких (0,5…1 мм) слоев. Обозначают измеренную твердость HRA. Пределы измерения твердости по этой шкале 70…85. Шкалу В (стальной шарик и нагрузка 1000Н) принимают для измерения твердости сравнительно мягких материалов (менее НВ400). Обозначают измеренную твердость HRB. Пределы измерения твердости по шкале В – 25…100 единиц твердости HRB. 45 Шкалу С (алмазный конус и нагрузка 1500Н) используют для твердых материалов (свыше НВ450), например для закаленных сталей. Обозначают измеренную твердость HRC. Пределы измерения твердости – HRC20…67. Числа твердости по Роквеллу приближенно можно перевести в числа твердости по Бринеллю или Виккерсу по специальным таблицам соответствия (см. лабораторную работу). Метод измерения микротвердости отдельных зерен, структурных составляющих, тонких слоев или деталей малой толщины стандартизован (ГОСТ 9450-76). Этот метод аналогичен методу измерения твердости по Виккерсу, но выполняется при небольших нагрузках порядка 0,05…5Н. 5.4. Теплофизические свойства Наибольшее значение из теплофизических свойств имеют для материалов те, которые определяют способность отводить тепло, выделяющееся в процессе работы (теплопроводность), тепловое расширение, устойчивость к воздействию повышенных температур. Теплофизические свойства определяются типом межатомной связи, химическим составом материала и температурой. Рассмотрим некоторые из теплофизических свойств. Теплопроводностью называется процесс передачи тепловой энергии от более горячих частей тела к холодным. Микрочастицы твердого тела участвуют в теплопроводности согласованно, при повышении температуры какого-то участка возрастает амплитуда колебаний узлов решетки (микрочастиц) относительно равновесных положений. За счет химических связей увеличивается также и амплитуда колебаний соседних микрочастиц, что эквивалентно передаче теплоты в менее нагретую область тела. Теплопередача имеет волновой характер. Микрочастицы, участвующие в передаче теплоты, называют фононами. Они являются квазичастицами. В теплопроводности металлов велика доля и свободных электронов. Поэтому общая теплопроводность -χ состоит: из χээлектронной составляющей теплопроводности, и χф- фононной, т. е. χ=χэ + χф. Количественный показателем теплопроводности является экспериментально определяемый коэффициент теплопроводности λ, равный отношению количества теплоты Q, Дж, передаваемого за время t, с, через стенку площадью S=1 м2, при градиенте температур в ней ΔТ/Δŀ, равном 10К/м, по формуле λ = Q t * (ΔT Δl ) * S , и [ ] имеет размерность Вт/м*0К. В металлах механизм переноса тепла связан с электронами и фононами, в диэлектриках – только с фононами. Закон Видемана-Франца устанавливает, что для металлов отношение электронной теплопроводности χэ к электронной проводимости σэ есть величина постоянная: χэ o σ э = const * T . 46 Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и электроны. Материалы в аморфном состоянии также хуже проводят теплоту. Существенное влияние на теплопроводность оказывает тип химической связи. В таблице 1 приведены показатели физических свойств материалов с разными типами связей. Таблица 1 Физические свойства материалов с различными типами химических связей Материал ТКЛР, Матер ТКЛР, λ, λ , Вт/(м*σК) иал α *10-6, σК-1 α *10-6, σК-1 Вт/(м*σК) Металлическая связь Ионная связь 10,6 152,4 Cu 16,7 399 BeO 8,4 28,9 Be 12,8 205 Al2O3 0,5 12,6 Al 24 236 SiO2 7,6 1,6 Fe 12,1 80 ZrO2 Ковалентная связь Молекулярная связь Алма 1,2 1350 Поливинилхлорид 230 0,4 з 8,1 100 Полистирол 60 0,16 Граф 4,3 100 Поликарбонат 60…70 0,24 ит 4,03 150 Фторпласт - 4 – 0,24 SiC AlN Тепловое расширение проявляется в изменении объема или линейных размеров тела при повышении температуры. Оно определяется характером изменения сил притяжения и отталкивания, действующих между атомами вещества при изменении расстояний между ними (рис. 5,б). Кривая изменения энергии связи Есв = f(d) имеет минимум при F = 0. Это условие выполняется только при температуре абсолютного нуля. При повышении температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов, которая может изменяться в диапазоне d1-d`1 , (кривая изменения энергии сместиться вверх по рис. 5,б), несимметрично относительно положения равновесия с межатомным расстоянием d0. Несимметричность амплитуд тепловых колебаний атомов при повышении температуры приводит к увеличению средних межатомных расстояний и лежит в основе теплового расширения. Показателем теплового расширения является определяемый на практике температурный коэффициент теплового линейного расширения ТКЛР–α, равный α = Δl l * ΔT , где Δŀ– изменение длины при повышении температуры на ΔТ градусов; l– длина образца. Обычно ТКЛР определяется как среднее значение для диапазона температур от 20 до 2000С и имеет размерность 0К-1. Чем сильнее сила связи между частицами твердого тела, тем меньше ТКЛР материала (см. табл. 1). Создание текстур в металлических сплавах, ориентация макромолекул в полимерах отражается на значениях ТКЛР: они существенно различаются в направлении преимущественной ориентации и в поперечном направлении, т. е. имеет место анизотропия. 47 Тепловое расширение полимеров уменьшается при усилении межмолекулярного притяжения благодаря взаимодействию диполей, наличия водородных и химических связей молекул. Различие значений ТКЛР двух соединяемых материалов является причиной появления значительных термических напряжений в сопряжении. Согласование (обеспечение примерного равенства ТКЛР) значений α при соединении неметаллов с металлами, необходимо, например, у материалов подложек с проводниковыми и резистивными пленками, гермовводов в герметичный объем и других случаях. Тепловое расширение учитывают при расчете прессовых посадок, сварке, пайке, склеивании разнородных материалов. Особенно важен этот учет для изделий, работающих в изменяющихся температурных полях. Наиболее стойки к перепадам температур и разрушению материалы, в которых малые ТКЛР сочетаются с высокой теплопроводностью. Термоудар– способность материала выдерживать без разрушения резкие смены температур. Чем меньше ТКЛР материала и выше его теплопроводность χ, тем большей стойкостью к термоудару обладает материал. Хорошей стойкостью к термоударам обладает металлы, бериллиевая керамика, плавленый кварц и другие. Понятие термоудар относится не только к материалу, но и к изделию. Под нагревостойкостью материала понимают его свойство сохранять без изменения химический состав и структуру молекул при повышенных температурах. Для различных по строению и условиям эксплуатации материалов в различных областях техники ограниченно используют и другие термины, отражающие влияние температуры на свойства материала: теплостойкость– для полимеров, пластмасс; жаростойкость, термостойкость –для металлов [1,2,3,4,6]. 5.5. Изменение свойств материалов На основе изучения взаимосвязи состава, структуры и свойств материалов отметим применяемые на практике способы изменения их различных свойств. Повышение прочности материала повышает надежность машин и приборов, снижает расход материала, что приносит значительный экономический эффект. Повысить прочность металлов и сплавов можно: 1. Созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой (см. рис. 8); 2. Повышением плотности дефектов (в том числе дислокации), затрудняющих движение дислокаций; 3. Изменением химического состава (легированием) или структуры сплава. 4. ТО или ХТО. 5.Термомеханической обработкой. Повышение прочностных свойств деталей возможно также при использовании композиционных материалов вместо традиционных. Нитевидные кристаллы обладают прочностью, близкой к теоретической. В них практически отсутствуют дислокации и другие дефекты ( см. рис. 8, левая ветвь кривой). При увеличении количества дефектов (точечных, дислокаций и других) кристаллического строения свыше значений порядка 1010м-2 происходит 48 упрочнение металла (см. рис. 8, правая часть кривой ). Применяемые способы упрочнения металлов – деформационное упрочнение, легирование, термическая и термомеханическая обработка и другие основаны на создание условий для торможения дислокаций в результате увеличения их плотности. При первичном нагружении материала до напряжений, соответствующих точке 1 диаграммы растяжения (см. рис. 21), пластическое деформирование приводит к образованию в нем полей упругих напряжений, искажающих кристаллическую решетку около точечных дефектов, повышению плотности дислокации и появлению после разгрузки остаточных пластических деформаций, что упрочняет материал. При повторном нагружении такого материала до напряжений, соответствующих напряжению точки 1, они возрастают по ломаной 0-2-1. Такой материал допускает при работе большие напряжения, соответствующие точке 1. Возрастание напряжений σ с увеличением ε называется упрочнением материала. При работе он выдерживает большие нагрузки. При легировании и термической обработке упрочнение связано с образованием твердых растворов с различными фазами или структурами, например мартенсита. При образовании твердых растворов происходит искажение области кристаллической решетки вокруг атомов растворенного элемента, находящихся в плоскости скольжения, что затрудняет продвижение дислокаций. Движение дислокаций затрудняет также и дефекты на границах зерен поликристаллических материалов. Таким образом, торможение движения дислокаций приводит к упрочнению материала. Чем больше дислокаций, тем выше сопротивление пластическим деформациям, т. е. выше прочность. Предел текучести σт после упрочнения увеличивается с увеличением плотности дислокаций, и определяется зависимостью σ Т = σ о + ав G p , где σо – предел текучести до упрочнения; а – коэффициент, учитывающий вклад других механизмов торможения дислокаций; в – вектор Бюргерса; G – модуль сдвига; р – плотность дислокаций. При измельчении зерна повышение прочности описывается, как указывалось выше, зависимостью σ Т = σ о + К d , где σт – напряжение предела текучести после упрочнения; σо – напряжение предела текучести до упрочнения (напряжение, необходимое для движения свободной дислокации); К – коэффициент, характеризующий прочность блокировки дислокаций; d – диаметр зерна. При увеличении подвижности дислокаций, наоборот- возрастает пластичность материала. Повышение пластичности достигается операциями отжига при ТО. Примеси, концентрирующиеся по границам зерен и в зоне дислокаций, затрудняют движение дислокаций. Поэтому очистка металла от примесей, а также упрочняющая термообработка с получением требуемой структуры, повышает прочность. Рассмотренные способы упрочнения, легирование материала, механические деформации, термомеханическая, термическая и химико-термическая обработка применяют не только для упрочнения материала. Диффузионное легирование применяют для получения p-n переходов в различных полупроводниковых устройствах. В результате термообработки уменьшают количество дефектов в 49 структурах проводниковых материалов, что увеличивает электропроводность. Эвтектические композиционные материалы с нитевидными кристаллами обладают не только повышенными прочностными свойствами, но и анизотропией магнитных и электрических свойств. Текстурирование электротехнической стали повышает магнитные свойства в направлении проката. Вопросы для самоконтроля 1. Как можно классифицировать свойства материалов? 2. Назвать механические прочностные свойства материалов и как определяют их показатели при испытаниях? 3. Для чего необходимо знать количественные показатели свойств материалов? 4. Пластичность и ее количественные характеристики. 5. Что такое твердость материалов? Как она определяется и обозначается при разных методах определения? 6. Почему некоторые материалы необходимо испытывать при динамических нагрузках? Какие знаете показатели? 7. Что такое выносливость материалов? Как она оценивается? 8. Что такое теплопроводность материала и от чего она зависит, как оценивается? 9. Что такое тепловое расширение, термоудар, их количественная оценка, учет при выборе материала? 10. Как можно изменить прочностные свойства материалов и сплавов? 11. Как можно изменить другие свойства материалов, кроме прочностных? 50 Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка Методические указания. Задачей данной темы является ознакомление с методами обработки материалов, позволяющими изменить их структуру и фазовый состав, а, следовательно, и свойства. Уяснить, что термическая обработка (ТО) изменяет свойства во всем объеме материала, а химикотермическая обработка (ХТО) –только в поверхностных слоях. Представлять диффузию как физическое явление, ее связь со структурой и ее дефектами, роль в технологии. Понять назначение ТО, ХТО, сущность процессов этих методов обработки. Назначение видов операций ТО, ХТО, как влияют режимы ТО на свойства материалов. Обратить внимание на влияние скорости охлаждения на получение закалочных структур. Рассмотреть взаимосвязь способов упрочнения материалов с изменением их свойств. Ключевые моменты темы: необходимо понять механизм диффузии, что такое термообработка, зачем нужна, виды ТО, различие свойств материала после ТО или ХТО, закалочные структуры, как можно упрочнить или изменить свойства материалов другими, кроме ТО и ХТО, способами. Теоретические материалы 6.1. Диффузия Диффузия – взаимное проникновение атомов соприкасающихся веществ (компонентов), обусловленное тепловым движением частиц. Атомы перемещаются на расстояния, большие параметров кристаллической решётки. Диффузия связана с переносом вещества, что может привести к изменению химического состава. Наиболее вероятным механизмом диффузии (т.е. путем перемещения атомов во время диффузии) в твердых растворах являются вакансионный (диффундирующий атом занимает вакансию). Наиболее легко диффузия протекает также по дефектам кристаллического строения и границам зерен. В твердом теле происходят также колебания атомов около положения равновесия с частотой порядка 1013Гц, поэтому возможен и перескок их из одной плоскости в другую. Мерой диффузионной способности служит коэффициент диффузии D, который определяется на основе первого закона Фика: m = −D ⋅ dС , dx (1) где: m – количество вещества, диффундирующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени (т.е. скорость диффузии); dС – градиент dx концентрации химического элемента в направлении, нормальном к поверхности раздела; dС – концентрация; dx – расстояние в выбранном направлении. 51 Из выражения (1) можно получить формулу для определения коэффициента диффузии D: D= – ∂n / ∂t , S * ∂C / ∂x где: ∂n / ∂t S определяет число атомов n, прошедших за время ∂t через сечение S перпендикулярно направлению диффузии. Размерность коэффициента диффузии D –м2/с. Знак минус в формуле (1) показывает, что диффузия протекает в направлении от объемов с большой концентрацией атомов к объемам с меньшей концентрацией. Отметим, что коэффициент диффузии D зависит от природы сплава, размера зерен, и особенно сильно от температуры. С увеличением температуры коэффициент диффузии D возрастает по экспоненциальному закону. Диффузионные процессы имеют место не только при ТО и ХТО (диффундируют атомы азота, углерода, алюминия), но и в полупроводниках (диффузия носителей, вредных быстро диффундирующих примесей меди, натрия, водорода, железа), в технологии микроэлектроники (управляемое небыстрое введение легирующих примесей в полупроводники на малую глубину), адгезии пленок к поверхности и в других случаях. Диффундировать могут примеси, а также атомы двух контактирующих металлов. Вредное влияние диффузии в микроэлектронике проявляется в деградации контактов из золота и алюминия с образованием новых фаз AuAl2 .Диффузия алюминия в кремний нарушает p-n переход, увеличивает удельное электрическое сопротивление ρ. 6.2. Термическая обработка Термической обработкой (ТО) называют процессы, связанные с нагревом, выдержкой и охлаждением металла (материала), находящемся в твердом состоянии, с целью изменения его структуры или фазового состава, создания необходимых свойств, снятия или изменения остаточных напряжений, без изменения его химического состава. Основу ТО определяют процессы аллотропических превращений и изменение взаимной растворимости компонентов сплава при разных температурах, а также диффузия. Виды и операции ТО Основные виды ТО – отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей (операций). Режимы ТО определяют основные параметры: температура нагрева, время выдержки, скорость нагрева и охлаждения. При нагреве стали, например, необходимо получить аустенитную структуру, что обеспечивается температурой, на 30…50°С превышающую температуру критических точек при нагреве Ас1, Ас3, Аст, рисунок 24. При охлаждении необходимо обеспечить превращение аустенита в желаемую 52 структуру: перлит, сорбит, троостит, мартенсит, что достигается обеспечением требуемой температуры нагрева материала и скоростью его охлаждения. В общем виде график ТО представлен диаграммой на рис. 23. Рис. 23. График термической обработки Операции ТО для различных материалов имеют много общего и отличаются, в основном, только режимами. Поэтому рассмотрим их на примере сталей, как наиболее общего и характерного материала для ТО. Операции ТО проводят в твёрдом состоянии, при этом имеют место процессы вторичной кристаллизации. Отжиг – вид ТО, заключающийся в нагреве сплава до определенной температуры (для стали выше линии GSE, рис. 24), выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении (часто вместе с печью). В результате отжига сплав приобретает структуру, близкую к равновесной, происходит разупрочнение, повышение пластичности, измельчение зерна, снимаются остаточные напряжения. Рис. 24. Температура нагрева стали при основных видах ТО в зависимости от содержания углерода В зависимости от требований к сплаву проводят одну из разновидностей операции отжига: нормализацию (устраняется крупнозернистость структуры, выравниваются механические свойства, по стоимости более дешевая операция 53 ТО), рекристаллизационный отжига (снимается наклеп, образование текстуры), диффузионный отжиг (проводят при более высоких температурах и длительной выдержке). В процессе отжига протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации. Компоненты сплава распределяются более равномерно по объему материала. Для различного сортамента операции отжига выполняются при его изготовлении. Для улучшения обрабатываемости материала операции отжига проводят в начале технологического процесса изготовления детали. Закалка – вид ТО, заключающийся в нагреве сплава до определенной температуры (для стали – выше линии GSK, рис. 24), выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении с целью получения неравновесной структуры. Неравновесные структуры материала при ТО получают, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов. Цель закалки – получение высокой твердости, прочности, заданных физикомеханических свойств (например, увеличить удельное электрическое сопротивление или коэрцитивную силу в магнитотвердых сплавах). Возможность упрочнения сплавов путем ТО обусловлена наличием аллотропических превращений в твердом состоянии. В сталях, охлаждая аустенит с различными скоростями (разной степенью переохлаждения), можно получить продукты превращения аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам. На рис. 25 показаны качественные зависимости влияния скорости охлаждения стали и получаемые при этом закалочные структуры. Рисунок 25. Влияние скорости охлаждения на превращение аустенита: А – аустенит; П – перлит; С – сорбит; Т – троостит; М – мартенсит Малая скорость охлаждения V1 приводит к образованию смеси феррита и цементита, называемой перлит (П), с твердостью HRC10, с крупными зернами. Чем больше скорость охлаждения, тем более мелкодисперсная образующаяся феррито-цементитная смесь. 54 При охлаждении со скоростью V2 получается первая закалочная структура, сорбит (С), который также представляет собой смесь феррита и цементита, но отличается от перлита более тонкодисперсным строением, и имеет твердость HRC20. Стали с сорбитной структурой износостойки, используются для изготовления нагруженных деталей. При охлаждении со скоростью V3 получается вторая закалочная структура, троостит (Т), которая образуется в результате распада переохлажденного аустенита при 500…550°С. Обладает значительной упругостью. Твердость троостита порядка HRC40. Сталь со структурой троостита отличается высокими значениями прочности и упругости. Ее применяют для изготовления различных упругих элементов. При очень быстром охлаждении со скоростью V5 аустенит превращается в мартенсит (М), который имеет типичную игольчатую структуру. Мартенсит представляет перенасыщенный твердый раствор углерода в α-Fe. Превращение происходит при температуре 911°С. Гранецентрированная кристаллическая структура γ-Fe при 911°С переходит в ОЦК структуру α-Fe. Освобождающиеся атомы углерода γ-Fe приводят к перенасыщению им структуры α-Fe, и появлению закалочных напряжений. Мартенсит – твердая и хрупкая структура, с твердостью HRC 62…66. Линия Mн на рис. 25 характеризует начало бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит. Чем больше углерода в стали, тем лучше закалка. При содержании углерода менее 0,2 % сталь практически не закаливается. Скорость охлаждения обеспечивают закалочной средой: водой, растворами солей, расплавами, маслами. Особенно важна скорость охлаждения в интервале температур 650…550°С, где аустенит менее всего устойчив. Его стараются пройти быстро. В интервале температур 300…200°С в некоторых сталях образуется мартенсит. Поэтому в этом интервале температур требуется медленное охлаждение, чтобы избежать возникновения трещин и напряжений. В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной или неполной. При полной закалке сталь переводят в однофазное аустенитное состояние нагревом выше критических температур Ас3 или Асст; при неполной – до межкритических между Ас1 и Ас3(АСст). Обратим внимание, что температуры закалки доэвтектических и заэвтектических сталей неодинаковы. В процессе закалки возможно образование остаточного аустенита, который с течением времени при обычных условиях может превратиться в мартенсит. Это превращение приводит к изменению размеров детали – нестабильности. Для повышения стабильности стали непосредственно после закалки проводят обработку холодом. Охлаждают сплав до температуры порядка минус 70°С, при этом остаточный аустенит переходит в мартенсит. Обработку холодом применяют, например, при изготовлении шарикоподшипников, режущего инструмента. Упрочнение сплавов может быть и без аллотропических превращений. В однофазных структурах (например, в твердых растворах с неограниченной 55 растворимостью компонентов, см. диаграмму состояний, см. рис. 14), перекристаллизация в твердом состоянии возможна в структурах, которые образуются в состоянии: жидкая фаза одного компонента и кристаллы другого компонента (т.е. между линиями ликвидус – солидус, см. рис. 14). Такие сплавы называют стареющими: это сплавы алюминия, никеля и другие. Отпуск – ТО, заключающаяся в нагреве предварительно закаленных сплавов до определенной температуры (для стали – ниже линии PSK), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью. Цель отпуска – уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости, получение необходимых механических свойств. При отпуске происходит распад мартенсита, выделяется углерод из перенасыщенного твердого раствора стали в виде мельчайших кристалликов карбида железа. В зависимости от температуры нагрева различают низкий отпуск, средний отпуск, высокий отпуск. Чем выше температура отпуска, тем сильнее проявляются свойства пластичности, вязкости в материале, при одновременном снижении твердости. Низкий отпуск стали производится при температуре 120…150°С после закалки инструмента, цементованных, цианированных деталей. Средний отпуск стали производится при температуре 350…400°С, при этом снижается твердость. Рекомендуется для упругих элементов. Высокий отпуск стали производиться при температуре 500…650°С. Обеспечиваются после него достаточная прочность, вязкость, пластичность. Нагрев при ТО производят в термических печах. Самопроизвольный отпуск, происходящий в сплаве при простой выдержке при комнатной температуре, или отпуск при очень низких температурах порядка 100…170°С называется старением, соответственно естественным или искусственным. 6.3. Химико-термическая обработка Химико-термической обработкой называют процесс поверхностного насыщения сплава различными элементами с целью придания ей тех или иных свойств. При ХТО происходит изменение состава и структуры поверхности за счет диффузии в нее элементов в атомарном состоянии извне при высоких температурах. Происходит упрочнение поверхности деталей, повышение твердости, износостойкости, усталостной прочности, стойкости против действия агрессивных сред. Состояние и свойства внутренних структур материала остаются в исходном состоянии. ХТО характеризуется тремя одновременно протекающими процессами: диссоциации (распад молекул диффундирующего элемента до атомарного состояния), абсорбции (проникновение атомов в решетку поверхностных слоев), и диффузии (проникновение атомов насыщающегося элемента вглубь от поверхности). 56 В зависимости от насыщающего элемента к видам ХТО относят цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, хромирование и другие. Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, сравнительно быстро диффундируют на значительную глубину, образуя с железом твердые растворы внедрения. Цементация – процесс насыщения поверхности изделия углеродом, содержание его после цементации достигает до 0,8…1,0 процента. Карбюризатор—уголь, температура порядка 900°С. Поверхность приобретает после закалки и отпуска твердость порядка HRC60 при сохранении мягкой сердцевины. Возможно коробление деталей. Азотирование – процесс насыщения поверхности стали азотом. Поверхность приобретает после азотирования высокую твердость, износостойкость, усталостную прочность, устойчивость против коррозии. Азотированию подвергаются обычно легированные стали, так как образующиеся нитриды хрома, алюминия, железа придают поверхности высокую твердость. Достоинство азотирования – незначительное изменение размеров и отсутствие коробления. Цианирование – насыщение поверхности изделия одновременно углеродом и азотом. Азот способствует диффузии углерода, что позволяет снизить температуру диффузионного насыщения азотом и углеродом до 850°С. После закалки и отпуска твердость поверхности HRC 58…62. Обрабатывают обычно среднеуглеродистые стали. Разновидностью цианирования является нитроцементация. Силицирование – насыщение поверхности изделия кремнием. Повышается коррозионная стойкость, жаростойкость, износостойкость, кислотостойкость сталей и сплавов в агрессивных средах. Алитирование – насыщение поверхностного слоя изделия алюминием. Повышается окалиностойкость, коррозионная и эрозионная стойкость сталей, медных сплавов. Более подробно о ХТО в литературе [1,2,3,8] Вопросы для самоконтроля 1. Что такое ТО, ее цели, и за счет чего они достигаются? 2. Основные элементы режима ТО и их роль. 3. Все ли виды сплавов могут подвергаться упрочняющей ТО и почему? 4. Почему при увеличении скорости охлаждения аустенита возрастает твердость продуктов его распада? Назовите эти продукты. 5. Назовите основные виды ТО, их назначение, режимы, особенности механических свойств получающихся продуктов. 6. Чем отличается отпуск от старения? Зачем существует разные виды ТО, отпуска? 7. Какова связь между ТО и фазовыми превращениями в стали? 8. Что такое старение, и для каких сплавов оно характерно? 9. Чем отличается ТО от ХТО? 10. Почему применяют на практике различные виды ХТО, и какие результаты при этом получают? 57 Тема 7. Металлические конструкционные материалы Методические указания. При изучении сплавов железа с углеродом обратить внимание на состав сплавов, полезные и вредные компоненты в сплаве, деление сплава на стали и чугуны. Отметить их основные достоинства и недостатки. Классификация сталей, их обозначение и применение. Особо обратить внимание на стали и сплавы с особыми свойствами, их сортамент и применение. Цветные металлы и сплавы. При изучении раздела необходимо дать общую характеристику основного металла (компонента) сплава, его применения и обозначения. Далее рассмотреть характеристику основных групп сплавов на основе основного металла, различие в маркировке и обозначении литейных и деформируемых сплавов. Обратить внимание на применение цветных металлов и сплавов в зависимости от их свойств, в том числе и электрофизических. Ключевые моменты темы: изучить состав сталей, их классификацию и основные свойства, обозначение марок сталей разных классификационных групп, обязательно сплавов и сталей с особыми свойствами. Каков сортамент выпускаемых сталей, его обозначение. Применение сталей. Понять, почему стали находят широкое применение. Рассмотреть в отдельности состав меди, алюминия, магния, бериллия и сплавов на их основе, выяснить их основные характеристики, их свойства, применение. Знать основные марки сплавов, их обозначение. Теоретические материалы 7.1. Сплавы железа с углеродом Общая характеристика железоуглеродистых сплавов Сплавы железа (Fe) с углеродом (С) – стали, чугуны, являются наиболее распространенными материалами в машино-и приборостроении. Они обладают прочностью, жесткостью, надежностью, долговечностью и другими требуемыми свойствами. Причем эти свойства можно регулировать, изменять в широком диапазоне значений изменением концентрации углерода, легирующих элементов, термообработкой. Отметим и относительно невысокую стоимость многих марок сталей. К недостаткам многих сталей следует отнести низкую коррозионную стойкость. Основными компонентами сплавов являются железо и углерод. Кроме них в сплавах железа с углеродом содержится некоторое количество постоянных и случайных примесей. Концентрация углерода в сталях не превышает 2.14%. При содержании углерода свыше 2.14% до 4.3% сплавы называют чугунами. Углерод в железоуглеродистых сталях находится в связанном или свободном состоянии, и его концентрация оказывает определяющее влияние на свойства сталей. С повышением содержания углерода в стали возрастают прочность и твердость, но снижается пластичность и вязкость сталей. От содержания углерода 58 зависят технологические свойства стали (при его увеличении снижается способность к деформациям, затруднена свариваемость), возможности упрочнения при термической обработке (стали с малым содержанием углерода не подвержены закалке). Постоянными примесями в стали являются Mn, Si, S, P, а также газы О2, N2, H2. Марганец, кремний – полезные примеси, Mn уменьшает вредное действие кислорода и серы, повышает прочность, Mn, Si способствует раскислению, Si оказывает упрочняющие действие. Содержание Mn, Si колеблется от 0,3 до 0,8%. Сера, фосфор – вредные примеси в стали. Сера вызывает красноломкость стали – хрупкость при горячей обработке давлением, снижает пластичность и вязкость сталей. Фосфор упрочняет сталь, но вызывает хладноломкость снижение вязкости сталей при понижении температуры. Поэтому содержание S и P в сталях ограничивают до сотых долей процента и контролируют. Однако повышенное содержание серы улучшает обрабатываемость сталей резанием, что и используются на практике в марках автоматных сталей. Кислород, азот, водород – вредные скрытые примеси, их влияние проявляется в снижении пластичности и повышении склонности сталей к хрупкому разрушению, так как приводит к образованию неметаллических включений (оксидов, нитридов), водород вызывает водородную хрупкость. В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы образует ряд структурных составляющих (фаз), рисунок 24. Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Феррит магнитен, на диаграмме состояния занимает область GPQ (рисунок 24), имеет ОЦК кристаллическую решетку, низкую прочность и твердость, высокую пластичность. Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ - железе, имеет ГЦК кристаллическую решетку, немагнитен, на диаграмме состояния занимает область выше линии AGSE. Цементит – химическое соединение железа с углеродом, Fe3C. Цементит магнитен, обладает высокой твердостью и очень низкой пластичностью, является метастабильной фазой и при определенных условиях распадается с выделением свободного графита. Графит – представляет свободный углерод, он мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью, содержится в стали в виде включений, форма которых оказывает влияние на механические и технологические свойства сплавов. Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, образующаяся при температуре 727ОС в результате распада аустенита при охлаждении. Перлит может быть пластинчатым или зернистым, что определяет его механический свойства. Помимо названых составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть неметаллические включения (соединения с кислородом, азотом, серой, фосфором и другими), которые с железом образуют различные фазы. 59 Классификация сталей Стали классифицируют по различным признакам: по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности, назначению, способу получения. По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от содержания углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (менее 0,3% С), среднеуглеродистые (0,3…0,7% С), высокоуглеродистые (более 0,7% С). В легированные стали, кроме железа и углерода, вводят легирующие добавки для придания специальных свойств. Основными легирующими элементами являются Mn, Si , Cr, Ni, W, Mo, Co, Ti, V, Zr, Nb и другие, причем концентрация каждого из них в сталях превышает 1%. Легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали. Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термообработке (прокаливаемость – способность стали закаливаться на определенную глубину. Зависит от химического состава, размеров детали, условий охлаждения). Кремний способствует получению более однородной структуры, повышает упругие свойства, способствует магнитным превращениям, повышает жаростойкость. Хром повышает твердость, прочность, при ТО увеличивает глубину прокаливаемости, улучшает жаропрочность, жаростойкость, повышает коррозионную стойкость. Никель действует аналогично марганцу, а также повышает электрическое сопротивление, снижает ТКЛР, увеличивает пластичность. Молибден, вольфрам способствуют измельчению зерна, повышают твердость, прочность, теплостойкость стали. Бор добавляют в стали в микродозах (0,002- 0,005%) для увеличения прокаливаемости. Микролегирование бором эквивалентно введению 1% Ni; 0,5% Cr; или 0,2% Mo. Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяются на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и другие. По количеству введенного элемента их подразделяют на низко-, среднеи высоколегированные. Концентрация легирующего элемента составляет, соответственно, мене 5%, от 5 до 10%, более 10%. По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Под качеством в рассматриваемом признаке классификации понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства: мартеновские, электропечи, переплавы другие. Однородность химического состава, строения, свойств, и другие во многом зависят от содержания газов и вредных примесей в стали. Так, стали обыкновенного качества содержат до 0,05% S и 0,004% Р, качественные – не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные – не более 0,025% S и 0,025% Р (в обозначении марок таких сталей в конце 60 ставиться буква А), особовысококачественные – не более 0,015% S и 0,025% Р (в обозначении таких марок в конце имеется буква Ш). По степени раскисления (удаления из жидкого металла кислорода с целью предотвращения хрупкого разрушения при горячей деформации) стали классифицируют на спокойные (раскисляют Mn, Si, Al), полуспокойные (раскисление Mn, Si) и кипящие (раскисление Mn). Кипящие стали более дешевы, но имеют худшие механические свойства в сравнении со спокойными. При классификации сталей по структуре учитывают ее строение в отожженном и нормализированном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аустенитные и ферритные. Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные – всех классов. Стали аустенитного класса образуются при легировании их в большом количестве Ni, Mn, ферритного класса при введении Cr, Si, V, W и других элементов. Углеродистые стали Углеродистые стали сравнительно дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, свариваемостью. Их недостаток – меньшая в сравнении с легированными сталями технологичность при термической обработке, что проявляется в небольшой прокаливаемости, значительных деформациях и короблении деталей. Углеродистые стали подразделяют на конструкционные и инструментальные. Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные. Углеродистые стали обыкновенного качества имеют повышенное содержание вредных примесей, их прочностные показатели наименьше из всех марок сталей, и, как и для всех материалов, приводятся в справочниках [4,8]. Марки, химический состав и степень раскисления для них регламентирует ГОСТ 380 -94. Стали маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрами от 0 до 6, где цифра показывает номер марки и условное содержание углерода. Степень раскисления обозначают добавлением индексов: в спокойных сталях букв «сп», в полуспокойных – «пс», в кипящих – «кп». Пример обозначений марки стали: Ст.3сп ГОСТ 380-94. Повышенное содержание марганца в углеродистой стали обыкновенного качества (до 1% Mn) в обозначении марки указывает буква «Г»: Ст5спГ. Механические свойства углеродистых сталей обыкновенного качества регламентированы стандартами и составляют σв ≈ 200…490МПа, σ0,2 ≈150…300МПа, δ ≈ 15..30%. Для горячекатаных сталей (ГОСТ 535-88) прокат подразделяют на три группы: I, II, III. Прокат I группы используют без обработки поверхности, II – для изготовления деталей обработкой резанием, III – горячей обработкой давлением. Группы проката подразделяют на категории 1, 2, 3, 4, 5, которые различаются набором нормируемых показателей механических свойств. 61 Предусмотрены стандартами группы углеродистых сталей обыкновенного качества А, Б, В (группа А в марке стали не указывается). Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства, группы Б – химический состав, группы В – поставляется по механическим свойствам и химическому составу. Пример обозначения: ВСт3кп-6 ГОСТ380-88 – сталь углеродистая общего назначения, поставляется по химическому составу и механическим свойствам (группа В), марки Ст.3 (содержание углерода 0,14…0,22%), кипящая, с контролем полного комплекса механических свойств (категория 6). Углеродистые стали обыкновенного качества используют для изготовления слабонагруженных и неответственных деталей машин и приборов: валики, оси, заклепки, рычаги, шайбы, гайки, червяки, винты, болты и другие, в большинстве случаев без термообработки. Углеродистые качественные стали содержат меньше вредных примесей и неметаллических включений в сравнении со сталями обыкновенного качества. Поставляют их с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Маркируют двухзначными цифрами: 08, 10, 20…60, 65, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, выпускаются они по ГОСТ 1050-88. Например, сталь 15 содержит в среднем 0,15% С, сталь 60 – 0,65%. Спокойные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие с индексами «пс» и «кп». Повышенное содержание марганца придает спокойным углеродистым качественным сталям повышенные упругие свойства и указывается в марке стали. Например, сталь 65Г. Углеродистые качественные стали гарантируют механические свойства после закалки и отпуска, нагартовки (механического упрочнения). В отожженном состоянии эти стали имеют повышенные, гарантированные ГОСТ 1050-88, пластические свойства. С повышением процентного содержания углерода возрастают прочностные свойства углеродистых качественных сталей, но снижается пластичность. Эти виды стали подвергаются термической обработке отжигу, закалке, отпуску с целью получения требуемых свойств. Применяют углеродистые качественные стали для изготовления различных деталей среднего нагружения (рабочие показатели порядка σв ≈ 300…700МПа; σ0,2 ≈ 200…400МПа; δ ≈ 33…12%; НВ ≈ 130…260), могут применяться в деталях, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (зубчатые колеса, пальцы, звездочки, маховики, оси и другие.). Применяют эти стали также для изготовления шайб, прокладок, кожухов, крепежа (винты, заклепки, прокладки, болты, гайки), валики, рычаги, рамы. Детали, работающие при циклических и контактных нагрузках, изготавливают из стали 40, 45, 50 с последующей закалкой до твердости HRC40…58: это, например, кулачки распределительных валиков, зубья шестерен, оси и валики в узлах трения. Углеродистые инструментальные стали – содержат углерода более 0,8%, имеют лучшие механические свойства в сравнении с другими углеродистыми сталями, подвергаются закалке, и находят применение при изготовлении различных инструментов, работающих при малых скоростях резания, нагруженных деталях типа оси, валики, корпуса приборов, зубчатые колеса и 62 другие. Маркируют углеродистые стали следующим образом: впереди ставят букву У, затем цифру, указывающую среднее содержание углерода в десятых долях процента, например У12. Содержание углерода 1,2%. Маркировка У12А – углеродистая сталь марки У12, высококачественная (буква А). Легированные стали Легированные стали по назначению разделяют на конструкционные, инструментальные, и стали и сплавы с особыми свойствами. Их производят и поставляют качественными, высококачественными и особовысококачественными. Маркируют легированные стали буквами и цифрами. По ГОСТ 4543-71 легирующие элементы обозначают буквами: Х – хром, Н - никель, Г – марганец, М – молибден, К – кобальт, Т – титан, Ю – алюминий, С – кремний, В – вольфрам, Ф – ванадий, Д – медь, П – фосфор, Р – бор, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные металлы. Цифра(ы), стоящие после буквы, указывают на среднее содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра после буквы отсутствует, то легирующего элемента менее 1…1,5%. Цифры в начале марки легированной стали показывают содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь марки 12ХН3А в среднем содержит углерода 0,12%, хрома до 1%, никеля 3%. Сталь высококачественная (буква А в конце марки). Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш (например ШХ15), автоматные - с буквы А. Нестандартные легированные стали маркируются сочетанием букв ЭИ или ЭП и порядковым номером (например, ЭИ 712). После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку стали. Легированные конструкционные стали содержат в своем составе один или несколько легирующих элементов в зависимости от цели легирования. Цели легирования заключаются в повышении прочности, прокаливаемости стали, улучшения или приобретения комплекса физико-механических или эксплуатационных свойств, таких как жаропрочность, жаростойкость, сопротивление коррозии или износу, повышение удельного электрического сопротивления, немагнитности, упругих свойств и других. Влияние легирующих элементов на свойства сталей зависит от ее структурного состояния. Изменение структуры (фаз) достигают за счет увеличения концентрации углерода в мартенсите при легировании карбидообразующими элементами (Cr, Mo, W, V), что увеличивает прочность; либо, наоборот, уменьшая его концентрацию в мартенсите твердого раствора некарбидообразующими элементами (Ni, Si, Cu, Co,), что снижает хрупкость мартенсита. Подобным же образом легирующие элементы влияют и на основную структурную составляющую сталей – феррит. Растворяясь в феррите, они упрочняют его за счет искажения кристаллической решетки, увеличивая концентрацию углерода в феррите отпущенной стали. Большинство легирующих элементов измельчает зерно, что уменьшает образование трещин и снижает порог хладноломкости. Упрочнению также способствуют дисперсные карбидные и нитридные включения, измельчающие зерно, тормозящие движение дислокации. 63 Большинство легирующих элементов дорогостоящие и дефицитны, что резко увеличивает стоимость легированных сталей в сравнении с углеродистыми. Более высокие свойства легированные стали приобретают после соответствующей термической обработки, поэтому без последней их применение нецелесообразно. Используя нанотехнологии, получают стали с высокими свойствами без применения дорогостоящих легирующих добавок W,Ni V и других элементов. В приборостроении из легированных сталей нормальной и повышенной прочности применяют низкоуглеродистые 15Х, 30ХГТ, 18Х2Н4МА и среднеуглеродистые 40Х, 30ХГСА, 38ХН3МФ стали, содержание, как правило, в сумме не более 5% легирующих элементов. Низкоуглеродистые (0,1…0,3%С) легированные стали используют в состоянии наибольшего упрочнения после закалки и отпуска или ХТО. Повышенные прочностные свойства сочетаются у них с хорошей пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезам. Механические свойства этих сталей после термообработки находятся в интервале значений: σв ≈ 700…1150МПа; σ0,2 ≈ 500…850МПа; δ ≈ 9…12%. Применяют для изготовления зубчатых колес, кулачков и других деталей, работающих в условиях трения. Эти стали могут подвергаться поверхностному упрочнению. Среднеуглеродистые легированные стали приобретают высокие механические свойства после закалки и высокого отпуска. У них высокий предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью. Механические свойства среднеуглеродистых легированных сталей изменяются в пределах: σв ≈ 1000…1200МПа; σ0,2 ≈ 800..1100МПа; δ ≈ 9…12%. Предназначены для изготовления деталей ответственного назначения: валы, роторы, редукторы. Стали марок 40Х, 50Х, относятся к сравнительно дешевым конструкционным материалам, но из-за невысокой вязкости рекомендуются для изделий, работающих без значительных динамических нагрузок. Легированные высокопрочные стали содержат большое количество легирующих элементов и обладают комплексом механических свойств: высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости, высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, хрупкому и усталому разрушению, высокой хладо-и теплостойкостью, коррозионной стойкостью и размерной стабильностью, и применяются для изготовления деталей, работающих при больших нагрузках. Прочностные показатели могут составлять значения: σв ≈ 1600…2700МПа; σ0,2 ≈1500…2600МПа; δ ≈ 2…10%. Особую группу среди высокопрочных высоколегированных сталей составляют мартенситно-стареющие стали(сплавы), называемые также и дисперсионно-твердеющими сплавами. Мартенситно-стареющие сплавы – безуглеродистые легированные сплавы на железной основе, у которых определенное сочетание легирующих элементов обеспечивает формирование в процессе термической обработки пластичной матричной фазы, армированной дисперсными, высокопрочными, равномерно распределенными частицами интерметаллидных фаз. Имеет место структура дисперсионно-упрочненного композитного материала с нуль-мерными 64 наполнителем (упрочнителем). Основу мартенситно-стареющих сплавов составляют железо и никель. В процессе закалки в них образуется мартенситная структура и образуется перенасыщенный α - твердый раствор. При старении (отпуске) происходит твердение железоникелевого мартенсита, вызываемое Ti, Al, Mn и другими легирующими элементами вследствие ограниченной растворимости их в α-Fe. Эти сплавы обладают целым комплексом свойств: высокой упругостью, немагнитностью, коррозионной стойкостью, стабильностью, технологичностью, и их относят к группе сплавов с особыми свойствами. Стали и сплавы с особыми свойствами Деление сталей и сплавов с особыми свойствами на группы (классы) приводят с учетом их превалирующих свойств. Химический состав, свойства регламентированы соответствующими стандартами для каждой группы, и они указываются в технической документации при обозначении материала. В зависимости от основных свойств высоколегированные стали и сплавы по ГОСТ 5632-72 подразделяются на следующие группы: I – коррозионно-стойкие (нержавеющие); II – жаростойкие (окалиностойкие); III – жаропрочные. В зависимости от структуры стали и сплавы делят на классы: − мартенситный (1) – 40Х13, 20Х13Н2 (группа I); 15Х5М (группа III) и другие; − мартенситно – ферритный (2) 12Х13 (группы I-III); − ферритный (3) – 12Х7, 08Х17Т (группы I-III); − аустенитно – мартенситный (4); − аустенитно – ферритный (5) − аустенитный (6), и другие. Примеры обозначения в технической документации: Сталь 20Х13 ГОСТ 5632-82 – сталь высоколегированная марки 20Х13 (коррозионно-стойкая и жаропрочная), среднее содержание углерода 0,2%, хрома 13%. Сплавы с заданными температурными коэффициентом линейного расширения по ГОСТ 10994-84 (группа 3). К ним относятся сплавы с минимальным ТКЛР α ~ (1…4)⋅10-6 0К-1 ( инвар 36Н; элинвар 32НКД, и другие). К сплавам с заданным ТКЛР, близкими по значению к ТКЛР материала сопрягаемых с ним деталей, относятся: для сплава со стеклом – сплав 38НКD; с керамикой – 48Н-BИ (для него (α ~ (5,2…7)⋅10-6 0К-1). Сплав с высокой стабильностью размеров для средств измерения – 58H-BИ. Сплавы с заданными упругими свойствами выпускаются по ГОСТ 10994-84 (группа 4). Они немагнитные, коррозионно-стойкие, имеют высокое значение удельной упругой энергии – 40KXHM, 40KXHMB7Ю. Сплавы со стабильными упругими свойствами для работы при повышенных температурах – 36 HXTЮ, 17ХГНТ, с минимальными температурным коэффициентом модуля упругости – 42HXTЮA (TKα=2⋅10-6 0K-1). Применяют их для изготовления упругих элементов. 65 Сплавы с заданными удельным электрическим сопротивлением выпускают по ГОСТ 10994-84 (группа 6). Есть сплавыс высоким удельным сопротивлением жаростойкие для нагревательных элементов – Х15Ю5, Х25Н20; с заданным удельным электрическим сопротивлением для изготовления резисторов – Х15Н60, Х20Н80 (ρ ~ 1,07…1,11 мкОм⋅м); с заданным температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления для прецизионных резисторов – Х20Н80-ВИ, Х15Н60-ВИ. Для них αρ ~ (0,9…1,5)⋅10-4 0 -1 К . Термобиметаллы (ГОСТ 10533-63) поставляются в виде ленты или полосы, состоящей из двух или более слоев металла с различными ТКЛР. Компоненты термобиметаллов – сплавы марок 75ГНД, 24НХ, 28НХТЮ, 36Н, а также латуни Л62, Л90 по ГОСТ 15527-86 и другие. Марки термобиметаллов – ТБ1254, ТБ0953 и другие. Сплавы магнитомягкие по ГОСТ 10160-85 (79НМ, 50Н, 27КХ), магнитотвердые деформируемые по ГОСТ 10934-84 (52К10Ф, 25КФ14Н), и дисперсионно-твердеющие по ГОСТ 17809-72 (ЮН14ДК24Т2, ЮНДК21Т3БА, ЮНДК40Т8АА, где буква А – указание на столбчатую структуру сплава; АА – монокристалл). Их свойства и применение будут рассмотрены в теме №11. Пример обозначения: Сплав 58Н-ВИ ГОСТ 10994-84 – сплав прецизионный деформируемый, железоникелевый (Ni 58%), вакуумно-индукционной выплавки (ВИ). Примеры обозначений сталей приведены в литературе [4,6,8]. Сортамент сталей Большинство выплавляемого металлургическими заводами металла перерабатывается в различные продукты прокатного производства. Форма поперечного сечения прокатанного изделия называется его профилем. Совокупность различных профилей называют сортаментом. Сортамент профилей подразделяется на: – сортовой прокат; – листовой прокат; – трубный прокат; – специальные виды прокаты. Профили сортового проката делят на две подгруппы: простой геометрической формы (квадрат, круг, прямоугольник, шестигранник и другие), и сложной фасонной формы (угловая равнополочная и неравнополочная, тавр, двутавр, швеллеры, рельсы). Сортовой прокат выпускают горячекатанным точностью по 13…17 квалитету. Сортовой калиброванный прокат получают из горячекатаного с большей точностью по сечению – 8…13 квалитета. Круглый сортовой прокат изготавливают с повышенной точностью – 6…11 квалитет и малой шероховатостью поверхности, Ra 2,5…0,32. Такой круглый сортовой прокат называют серебрянкой, ее диаметр от 0,2…30 мм. Длина проката от 1,5 до 10 м. Листовой прокат подразделяют на лист, полосу, рулон, ленту, и при толщине ленты менее 0,2 мм – фольгу. Листовой прокат может иметь точность 66 8…12 квалитет при шероховатости поверхности Ra1,6…0,2 и даже до Ra0,04. Размеры проката и его параметры точности для разных материалов приведены в справочниках и стандартах [4,8]. Трубный прокат – трубы различных диаметров и длины. Специальный прокат – различные зубчатые колеса, шары, периодические профили, колеса. Сортамент выпускается по соответствующим стандартам, которые регламентируют его технические показатели. В машино-и приборостроении сортамент часто используется в качестве заготовок для изготовления деталей и конструкций. Сортамент материала указывается на чертежах в графе «Материалы» основной надписи. В случае, когда на готовой детали некоторые поверхности заготовки остаются не обработанными резанием или давлением, то есть остаются в состоянии поставки материала, его обозначают с указанием марки и сортамента, в виде дроби. Примеры обозначения: Круг 6,3 − А − h10 ГОСТ 7417 − 75 – 45 − Н − 5 − б ГОСТ 1050 − 74 сталь круглая диаметр 6,3 мм, поверхность по группе А, точность диаметра по 10 квалитету(h10), марка сталь 45, нагартованная (Н), категория 5 по контролируемым свойствам, для обработки резанием (б). Лист А − ПВ − О − 0,35 × 1000 × 2000 ГОСТ 19904 − 74 – I − м − ВОСВ − O8Ю ГОСТ 9045 − 80 лист холоднокатаный, повышенной точности (А), высокой плоскостности (ПВ), с обрезной кромкой (О), толщина 0,35 мм, габариты 1000×2000 мм, группа отделки поверхности I, матовая (м), для весьма особо сложной вытяжки (ВОСВ), из стали марки 08Ю. Аналогичный сортамент производят не только для сталей, но и для других металлов и сплавов. Подробнее в соответствующих стандартах и справочниках [4,8]. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Вопросы для самопроверки Назовите компоненты сплава железа и углерода. Причины широкого применения сплавов Fe-C. Классификация сталей. Основные структуры (фазы) сплава Fe-C. Дать общую характеристику углеродистых сталей и их применение. Как можно изменить свойства углеродистых сталей? Дать общую характеристику легированных сталей и роль легирующих элементов в них. Применение легированных сталей. Стали и сплавы с особыми свойствами, их характеристика по группам свойств. Сортамент сталей. Обозначения марок и сортамента сталей в технической документации. 67 7.2. Цветные металлы и сплавы Медь и ее сплавы Медь относится к проводниковым материалам с малым удельным сопротивлением, характеризуется высокой электропроводимостью, теплопроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Медь обладает хорошими технологическими свойствами, прокатывается в тонкие листы и ленту, паяется, сваривается, из нее получают тонкую проволоку, монтажные и обмоточные провода. Недостатки – большая плотность, низкая жидкотекучесть, относительно низкие прочностные свойства, σв порядка 200…250МПа для мягкой отожженной меди марок ММ. В состоянии нагартовки у твердой меди марок МТ σв достигает 300МПа, увеличивается до 450 МПа у сильно деформированной, но при этом снижается ее пластичность. По ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: М00 (99,99% Cu), М0 (99,97% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu). Хорошую теплопроводность меди используют в различных теплообменниках. Из меди марок М00, М0, М1 по ГОСТ 193-79 изготавливают медные слитки. Из медных слитков этих марок и медного сплава с серебром марки МС0,1 (0,1% серебра, примесей не более 0,1%, остальное медь) для пластин коллекторов электрических машин, электроприборов изготавливают профили трапецеидальной формы со специальными размерами [4,6,8]. Большое практическое применение находят сплавы меди с цинком (латуни), оловом или другими металлами (бронзы), никелем (медно-никелевые сплавы). Латуни по структуре представляют твердый раствор цинка в меди, и подразделяют на однофазные (до 30% Zn) и двухфазные. С увеличением доли цинка в сплаве прочность его повышается, но снижается пластичность, улучшается обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшается теплопроводность и электропроводность, которые составляют от 20…50% от характеристик меди. Примеси повышают твердость и снижают пластичность. При 45% Zn латунь отличается высокой хрупкостью. Латуни, сохраняя положительные свойства меди (высокую тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость) обладают хорошими механическими, технологическими свойствами. По технологическим свойствам латуни подразделяются на: деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные; на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Прочностные параметры деформируемых латуней определяются значениями σв ~ 260…420МПа; σ0,2 ~ 90…200МПа по ГОСТ 15527-70; δ ~ 25…60%; для литейных– σв ~ 200…700МПа; δ ~ 7…20% по ГОСТ 17711-93. Для получения требуемых свойств латуни легируют растворимыми в меди элементами: Sn (повышает коррозионную стойкость в морских условиях); Pb 68 (улучшает обрабатываемость резанием, повышает антифрикционных свойств); Mn, Fe, Al (повышают прочность); Al (повышают коррозионную стойкость в атмосферных условиях); Si (повышает теплостойкость), и другими. Латуни, как и бронзы, маркируют по химическому составу, используя буквы для обозначения элементов, и цифры для указания их среднего процентного содержания в сплаве. В медных (а также в алюминиевых и магниевых) сплавах буквенные обозначения отличается от принятых для сталей. Алюминий обозначают буквой А; бериллий – Б; железо – Ж; кремний – К; медь – М; магний – Мг; мышьяк – Мш; никель – Н; олово – О; свинец – С; серебро – Ср; сурьма – Су; фосфор – Ф; цинк – Ц; цирконий – Цр; хром – Х; марганец – Мц, кадмий – Кд. Латуни маркируют буквой Л. В деформируемых латунях за буквой Л ставят цифры, показывающие среднее содержание меди: Л68, Л90 – соответственно 68% и 90% Cu, остальное цинк. В многокомпонентных латунях после Л ставятся буквы – символы элементов, а затем цифры, указывающие содержание меди и каждого легирующего элемента, например: ЛЖМц59-1-1 (Cu-59%, Ж-1%; Мц-1%). В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающий его. Например, ЛЦ40 (Zn 40%), ЛЦ14К3С3 (14% Zn; 3% Si; 3% Pb). Литейные латуни обычно содержат большее количество примесей. К недостаткам латуни можно отнести высокую плотность, низкую износостойкость в условиях сухого трения, склонность к трещинообразованию при низких температурах (при содержании Zn>10%), коррозионное растрескивание («сезонное» растрескивание) при содержании Zn>20%. Устраняется это отжигом. Термомеханическая обработка по схеме «закалка + пластическая деформация + старение» обеспечивает в сильно легированных латунях повышение σв до 1000МПа. Применяют латуни для изготовления деталей арматуры, мелких деталей приборов, сильфонов, трубопроводов, осей, втулок, крепежа. Прокат выпускают как холодно-, так и горячекатаный различного сортамента. Примеры обозначения марки латуни и сортамента в технической документации: ЛЦ40Мц3А ГОСТ 17711-80 – латунь литейная, содержащая 40% Zn; 3% Мц; 1% Al; Лента ДПРНП 0,18×15 Л63АМ ГОСТ 2208-75 – лента холоднокатаная (Д), прямоугольного сечение (ПР), нормальной точности (Н), полутвердая (П), толщина 0,18 мм, ширина 15 мм, из латуни марки Л63, антимагнитная (АМ). Примечание: если прокат изготовлен без требований к точности и состоянию материала, то после символа, указывающего форму поперечного сечения (ПР) ставится символ «Х» или «ХХ» соответственно. Бронзой первоначально называли сплав меди с оловом. В настоящее время бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянные, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые. С увеличением содержания олова в бронзе повышается твердость и хрупкость, снижается пластичность. 69 Практическое значение имеют бронзы, содержащие до 10% Sn. Оловянные бронзы применяют редко, так как они дорогие. Бронзы обладают высокими механическими и упругими свойствами, коррозионной устойчивостью, немагнитны, у них высокая тепло-и электропроводность, хорошие антифрикционные, литейные свойства. Для получения тех или иных превалирующих свойств бронзы легируют. Бронзы также подразделяют на деформируемые и литейные. Их обозначают буквами Бр, за которыми ставят буквы и цифры. В марках деформируемых бронз сначала помещают буквы – символы легирующих элементов, а затем цифры, указывающие их процентное содержание. Например, БрАЖ9-4 содержит 9% Al, 4% Fe, остальное Cu. В марках литейных бронз после каждой буквы указывается содержание этого легирующего элемента. Например, БрО3Ц12С5 содержит 3% Sn, 12% Zn, 5% Pb, остальное Cu. Оловянные бронзы легируют Zn (повышение механических свойств, жидкотекучести, плотности структуры, способности к сварке, пайке), Pb (улучшение обрабатываемости резанием, антифрикционные свойства), P (повышение жидкотекучести, износостойкости, предела упругости и выносливости, предела прочности). Оловянные бронзы имеют самую малую усадку среди медных сплавов, поэтому их используют для получения сложных фасонных отливок. Механические свойства деформируемых оловянных бронз составляют: σв ~ 350…400МПа; σ0,2 ~ 100…250МПа; δ ~ 40…65%; E ~ 75…110ГПа по ГОСТ 5017-74; для литейных бронз: σв ~ 150…270МПа; σ0,2 ~ 100…200МПа; δ ~ 4…10%; E ~ 80…100ГПа по ГОСТ 613-79. Используют оловянные бронзы для изготовления плоских и круглых маломоментных спиральных пружин, в электротехнике для токопроводящих деталей, растяжек, деталей часов. Алюминиевые бронзы отличаются от оловянных высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами, меньшей стоимостью, некоторыми технологическими свойствами (например, жидкотекучестью, большей герметичностью). Но имеют большую усадку. Однофазные бронзы (БрА5, БрА7) имеют хорошую пластичность. Двухфазные бронзы выпускают в виде деформируемого полуфабриката, а также применяют для изготовления фасонных отливок. Предел прочности у них может достигать σв ~ 600МПа, и твердость HB > 100. Никель улучшает технологические и механические свойства алюминиевых бронз. Бронза БрАЖН10-4-4 имеет: σв ~ 650МПа; δ ~ 35%; ~ HB450, из нее изготавливают детали, работающие в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400…500◦С): седла, направляющие втулки клапанов, шестерни, детали насосов. Часто вместо дорогостоящего никеля используют марганец. Кремнистые бронзы характеризуются хорошими механическими, упругими антифрикционными свойствами, высокой электропроводностью (до 95% от электропроводности меди). Они хорошо свариваются и паяются, удовлетворительно обрабатываются резанием. Выпускаются в виде лент, полос, 70 прутков, проволоки. Для фасонных отливок применяются редко. Кремнистые бронзы часто используют как более дешевые заменители бериллиевых бронз. Бериллиевые бронзы характеризуются очень высокими пределами упругости, временным сопротивлением, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенными сопротивлениями усталости, ползучести и износу. Их подвергают упрочняющей термообработке – закалке и искусственному старению. Эти бронзы относятся к дисперсионно-твердеющим сплавам, у них при понижении температуры концентрация перенасыщенного α-твердого раствора значительно уменьшается и образуется метастабильная фаза. В результате закалки при температуре 780°С бериллиевые бронзы приобретают пластичность, а после старения при температуре 300…350°С – достигается следующих значений механических свойств для бронзы БрБ2: σв ~ 1250МПа; σ0,2 ~ 1000МПа; δ ~ 2,5%; твердость ~ HB700; E ~ 133ГПа. Бериллиевые бронзы теплостойки до температуры 300°С, обладают высокой тепло-и электропроводностью, при ударах не образуют искр. Выпускаются в виде полос, лент, проволоки, из них можно получать качественные фасонные отливки. Бериллиевые и кадмиевые бронзы применяются для изготовления упругих элементов приборов: различные пружины , пружинные контакты, мембраны, щеткодержателей, скользящих контактов, электродов, коллекторных пластин; деталей, работающих на износ (кулачки, шестерни, подшипники) и другие. Основной недостаток бериллиевых бронз – высокая стоимость. Легирование их Mg, Ni, Ti, Co позволяет снизить содержание бериллия без заметного снижения механических свойств (бронза БрБНТ1,7 и другие). Медно-никелевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, механической прочностью, высоким удельным электрическим сопротивлением. Применяются в приборостроении как конструкционный материал, и как сплавы с высоким удельным сопротивлением – не менее 0,3 мкОм⋅м. Нейзильбер, сплав МНЦ15-20 (Ni 15%; Ц 20%, остальное Cu), мельхиор МН19(Ni 19%), по коррозионной стойкости превосходит латунь, в мягком состоянии пластичен, предел прочности в зависимости от термообработки колеблется в пределах σв ~ 300…1000МПа. Применяют для изготовления контактных пластин, колец скользящих токоподводов, сетки, медицинского инструмента, технических резисторов. Монель-металл, сплав НМЖМц 28-2,5-1 (Cu 28%, Fe 2,5%, Мц 1%) обладает магнитными свойствами, коррозионностойкий (может работать без покрытий), имеет малый коэффициент трения. Применяют для изготовления магнитных шунтов в измерительных приборах, поршней цилиндров, демпферов различных устройств. Но монель не выдерживает контакта с менее благородными металлами, так как возникает электрохимическая коррозия и разрушение менее благородного металла. Сплавы константан МНМц 40-1,5 (Ni 40%; Мц 1,5%) и манганин МНМц 3-12 (Ni 3%; Мц 12%) имеют низкий температурный коэффициент удельного сопротивления, высокое удельное сопротивление (ρ порядка 0,46…0,47мкОм⋅м 71 для константана, и ρ ≈ 0,48 мкОм⋅м для манганина) и находят применение при изготовлении прецизионных проволочных резисторов. Они пластичны, из них изготавливают проволоку диаметром 0,02…0,05мм и более. Манганин обладает малой величиной термоэдс в паре с медными проводами. У константана величина термоэдс в паре с медью достигает 40 мкВ/°С, он используется также как материал для термопар. Медно-никелевый сплав копель (Cu 56,5%, Ni 43,5%) имеет наибольший электродный потенциал из всех Cu-Ni сплавов и применяется в качестве отрицательного электрода термопар. Примеры обозначения марок сплавов и сортамента на основе меди в технической документации: Пруток ДКВНХ-20НД-БрКМц3-1 ГОСТ 1628-78 – пруток бронзовый тянутый (Д), квадратный (КВ), нормальной точности (Н), без предъявления требований к состоянию материала (Х), сторона квадрата 20 мм, немерная длина (НД), из кадмиевой бронзы марки БрКМц3-1, без особых требований (не проставляется); Проволока ДКРНМ-0,6-КТ-Л80АМ ГОСТ 1066-80 – проволока тянутая (Д), круглое сечение (КР), нормальной точности (Н), мягкая (М), диаметр 0,6 мм, на катушках (КТ), из латуни марки Л80, антимагнитная (АМ). Алюминий и его сплавы Алюминий и его сплавы относятся к группе материалов с малой плотностью и высокой удельной прочностью и жесткостью. К этой же группе относятся Mg, Be, Ti и их сплавы, а также композиционные материалы. Их применение позволяет снизить массу изделий при одновременном повышении их прочности и жесткости. Алюминий обладает малой плотностью, хорошей теплопроводностью и электрической проводимостью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Примеси ухудшают все названные свойства алюминия. В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты А999, где цифра показывает процентное содержание алюминия после запятой (99,999% Al, примесей 0,001%); высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (примесей от 0,005 до 0,05%); и технической чистоты А85, А8 (примесей от 0,15 до 1%). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и другие.), маркируют АД0, АД1. С увеличением содержания примесей и после пластической деформации прочность алюминия повышается, а пластичность падает. Например, для алюминия А999: σв = 50 МПа; δ = 45%, а для марки А0 (1% примесей) - σв = 90МПа; δ = 25%. Алюминий особой и высокой чистоты применяют для изготовления оксидных конденсаторов, химической посуды, в микроэлектронике, для изготовления фольги, поверхностей с высокой отражающей способностью, и другие. Алюминий высокой и технической чистоты применяют для изготовления 72 проводов, труб, изготовления порошков, каркасов потенциометров и других ненагруженных или слабо нагруженных деталей и элементов конструкций: короткозамкнутых обмоток электродвигателей, стрелок и циферблатов приборов, рамок, заклепок. Но алюминий (как и его многие сплавы) подвержен электролитической коррозии в соединении с другими металлами, пайка его затруднена. Он плохо обрабатывается резанием. Сплавы алюминия характеризуются высокой удельной прочностью, способностью работать в условиях знакопеременных нагрузок, хорошими технологическими свойствами. Временное сопротивление у отдельных сплавов достигает значений σ = 500…700МПа, а удельная прочность близка к удельной прочности высоколегированных сталей. Большинство алюминиевых сплавов имеет хорошую коррозионную стойкость (за исключением сплавов с медью), высокую тепло- и электропроводность, обрабатываются давлением, свариваются точечной сваркой, в основном хорошо обрабатываются резанием. В зависимости от химического состава по основному легирующему элементу алюминиевые сплавы делятся на пять групп: Al+Mg; Al+Si; Al+Cu; Al+Si+Cu; Al + некоторые из названных и другие элементы (Mn, Zn, Ni, Ti и другие). Многие легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и промежуточные фазы. Это дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке, состоящей из закалки на пересыщенный твердый раствор (повышается растворимость легирующих элементов) и естественного или искусственного старения (происходит рекристаллизация и образование вторичных фаз и упрочнение сплава). Алюминиевые сплавы подразделяют, поэтому, на неупрочняемые (нестареющие) и упрочняемые (стареющие). По технологии изготовления алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые, литейные и порошковые. К деформируемым сплавам, неупрочняемым термической обработкой, относятся алюминиевые сплавы АМц и АМг. Они отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Имеют сравнительно низкую прочность σв = 130…340МПа, которая может быть повышена пластическим деформированием. Сплавы АМг, АМц применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, при требовании высокой коррозионной стойкости: ротора электродвигателей с полым ротором, сложные шасси приборов и устройств, заклепок, трубопроводов, сварных емкостей и других. К деформируемым сплавам, упрочненным термической обработкой, относятся сплавы системы Al-Cu-Mg. Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. К ним относятся дюралюминий (маркируются буквой Д), ковочные алюминиевые сплавы (маркируются буквами АК), высокопрочные алюминиевые сплавы (маркируются буквой В). Механические характеристики этих сплавов зависят не только от марки сплава (например, Д1 или Д16; В95 или В96; АК6 или АК8), но и от вида полуфабриката: лист, пруток, прессованный пруток, проволока– подробнее смотри [1,2,4,6 ]. Отметим, что предел прочности 73 этих сплавов алюминия изменяется в пределах σв ~ 300…600МПа; предел текучести σ0,2 ≈ 170…560МПа; напряжения предела выносливости σ-1 ≈ 100…150МПа. Старение может быть как искусственное, так и естественное (длительностью от 10 часов до 5…7 суток). При искусственном старении в течение первых 20…60 минут после старения сплавы сохраняют высокую пластичность и низкую твердость. Это позволяет проводить такие технологические операции, как клепка, гибка, правка и другие. Ковочные алюминиевые сплавы (АК6, АК8 и другие) содержат, в сравнении со сплавами дюралюминия, несколько больше Si, и обладают хорошей пластичностью, стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации. Их используют для средненагруженных деталей сложной формы: крыльчатки, крепежные детали. Высокопрочные сплавы типа В95 отличаются по химическому составу от дюралюминия добавкой цинка (система Al+Zn+Mg+Cu), что повышает его временное сопротивление σв до 600…700 МПа и близким к нему по значению пределом текучести. Деформируемые стареющие плакированные сплавы алюминия типа Д1А, Д16А применяют для изготовления корпусов, рам, кронштейнов приборов методами штамповки, плоских и гнутых деталей, и очень широко – в самолетостроении. Литейные алюминиевые сплавы отличаются от деформируемых большим количеством компонентов сплава. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы на основе Al-Si – силумины. Высокая жидкотекучесть, малая усадка, низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. Литейные алюминиевые сплавы по механическим свойствам уступают деформируемым сплавам: σв ≈ 130…360 МПа, σ0,2 ≈ 20…250 МПа, σ-1 ~ 40…70 МПа, δ ~ 2…10%. Некоторые марки двойных сплавов для повышения механических свойств модифицируют натрием для измельчения структуры. Маркируются силумины буквами АК, например АК12, АК9, АК8М (легирование медью до 1…1,5%) по ГОСТ 1583-83Е. Индекс в марке сплава «ч» или «пч» указывает на снижение содержания примесей в сплаве до 0,1…0,3% (чистый сплав «ч»), или до сотых долей процента (сплав повышенной чистоты - «пч»), например АК9пч. Сплавы системы Al-Cu (АМ4,5; АМ5) характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах, хорошо обрабатывается резанием и свариваются, но имеют худшие литейные свойства и низкую герметичность в сравнении с силуминами. Улучшение литейных и механических свойств сплавов системы Al-Cu получают легированием титаном и марганцем (сплав АМ5). Применяют литейные алюминиевые сплавы для изготовления различных деталей приборов: корпуса, рамы, кронштейны, маховики, рычаги, штурвалы и других деталей различными способами литья. 74 Многие литейные сплавы алюминия при обозначении марок алюминиевых сплавов маркируют буквами АЛ и условным номером сплава, например АЛ2, АЛ9. Порошковые алюминиевые сплавы характеризуются достаточно высокой прочностью при повышенных температурах до 300…350°С, улучшенными теплофизическими свойствами, их получают методом порошковой металлургии (прессованием и последующим спеканием) из алюминиевых порошков. Порошки (гранулы) получают распылением расплава. В зависимости от скорости охлаждения распыленных частиц (105…108°С/с) получают разные по размерам порошки: от десятых долей до сотен микрометров. Их брикетируют, а затем подвергают пластическому деформированию. Методами порошковой металлургии изготавливают спеченные алюминиевые порошки (САП) и спеченные алюминиевые сплавы (САС). Сплавы САП состоят из порошка алюминия и дисперсных частиц Al2O3, при спекании которых границы между частицами препятствуют движению дислокаций, что повышает прочность сплава, но снижает пластичность. Содержание Al2O3 в САП1, САП2 колеблется от 6 до 20%. Спеченные алюминиевые сплавы САС-1, САС-2 и другие относятся к сплавам системы Al-Si-Ni и имеют низкий температурный коэффициент линейного расширения, близкий к ТКЛР сталей, что делает выгодным их применение в приборостроение. Из порошковых алюминиевых сплавов изготавливают поршневые штоки, лопатки компрессоров, обмотки трансформаторов, конденсаторы. Примеры обозначения алюминиевых сплавов: Лист АД1 М А – 1,6 П 600×2000В ГОСТ 21631-76 – лист из алюминия марки АД1, мягкий(М), с нормальным плакированием (А), толщиной 1,6 мм, повышенной точности (П), габариты 600×2000, отделка поверхности по группе В (высокая); Пруток Д16Т КР 22 ПХНД ГОСТ 21488-76 – пруток из сплава марки Д16, закаленный и естественно состаренный (Т), круглый (КР), диаметр 22мм, повышенной точности (П), без требований к отделке поверхности (Х), немереной длины (НД). Сплавы магния Достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность, немагнитность, они не дают искры при ударах и трении, обладают демпфирующими свойствами. Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al, Zn, Mn и другие элементы. Увеличение растворимости легирующих элементов в магнии с повышением температуры дает возможность упрочнять магниевые сплавы с помощью закалки и искусственного старения. Однако термическая обработка сплавов затруднена из-за замедленных диффузионных процессов в магниевом твердом растворе. Малая скорость диффузии требует больших выдержек при нагреве под закалку (до 16…30 час.) для растворения вторичных фаз, поэтому такие сплавы можно закаливать на 75 воздухе. Временное сопротивление и предел текучести магниевых сплавов значительно повышаются с помощью термомеханической обработки. Магниевые сплавы очень хорошо обрабатываются резанием, легко шлифуются и полируются, удовлетворительно свариваются. К недостаткам магниевых сплавов наряду с низкой коррозионной стойкостью, малыми значениям модуля упругости, и ограничением по контактированию с другими металлами и сплавами следует отнести плохие литейные свойства, склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при их изготовлении, а также склонность к самовозгоранию при нарушении режимов резания при обработке деталей. Добавки бериллия (0,02…0,05%) уменьшают склонность к окислению, а кальция (до 0,2%) – к образованию пор в отливках. По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные (обозначаются МЛ) и деформируемые (МА); по механическим свойствам – на сплавы с невысокой и средней прочностью (σв = 150…250МПа), высокопрочные (σв = 200…350МПа) и жаропрочные (рабочая температура до 300оС); по возможности упрочнения при термической обработке – на упрочняемые и не упрочняемые. Из литейных магниевых сплавов получают детали методом фасонного литья. Деформируемые сплавы используют для получения полуфабрикатов и изделий путем пластической деформации (проката, ковка, штамповка). За буквами МЛ и МА ставят цифры, указывающие номер сплава. Механические свойства деформируемых магниевых сплавов несколько выше, нежели литейных. Магниевые сплавы находят применение при изготовлении корпусов приборов, фотоаппаратов, биноклей, деталей радиоаппаратуры, печатающих устройств, деталей кабины самолетов, кожухов электронной аппаратуры и других деталей. Пример обозначения марки сплава: Сплав МЛ5 ГОСТ2856-79. Титан и его сплавы Титан имеет две полиморфные модификации: низкотемпературную (до 882оС) − α-Ti, имеющий ГП кристаллическую решетку, и высокотемпературную −β-Ti, который при 900оС имеет ОЦК решетку. Титан легкий, прочный, тугоплавкий, более коррозионностойкий, чем нержавеющие стали, металл. Титан обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии, но плохо обрабатывается резанием. Механические свойства Ti определяются содержанием в нем примесей: чем меньше примесей, тем ниже прочность и выше пластичность. Воздействие примесей на титан многообразно. Алюминий, кислород, азот повышают температуру полиморфного превращения и расширяют α - область. Молибден, ванадий, марганец, хром, железо понижают температуру полиморфного превращения и расширяют область β -фазы. Марганец, железо, кремний и другие. образуют с титаном металлические соединения (интерметаллиды). Отличительными особенностями титана и его сплавов являются хорошие механические свойства, малая плотность, высокая удельная прочность, хорошие 76 технологические свойства, отличная коррозионная стойкость, теплостойкость, что предопределяет его применение в различных отраслях промышленности. К недостаткам титана можно отнести малую жесткость (Е = 100ГПа), низкую теплопроводность (~ 7 % от теплопроводности алюминия), плохую или удовлетворительную обрабатываемость резанием, высокую химическую активность, поэтому плавление, сварку титана необходимо вести в защитной среде или вакууме. В приборостроении благодаря высокому газопоглощению титан нашел применение в качестве геттерного материала. После охлаждения на воздухе титановые сплавы по полученной структуре подразделяют на три группы: первая группа – α-сплавы; вторая – (α + β)-сплавы; третья – β -сплавы. Сплавы первой группы ВТ4, ВТ5, ОТ4, ВТ18 в основном легируют алюминием, в некоторых из них содержится Mn, Mo, Si, Sn, Zn. Сплавы отличаются повышенной прочностью при комнатной и повышенных температурах, термически стабильны, обладают пластичностью при содержании Al более 5%. Сплавы термически не упрочняются. Предел прочности составляет σв ~ 650…880МПа, пластичность δ ~ 15…40%. Сплавы второй группы ВТ6, ВТ8, ВТ14 и другие, содержат алюминий, ванадий, молибден. Они характеризуются более высокой прочностью, которую можно повысить за счет закалки и старения; меньшей склонности к водородной хрупкости. Главный эффект упрочнения сплавов достигается легированием. Механические показатели сплавов: σв ~ 800…1150МПа, δ ~8…15%. Сплавы третьей группы ВТ3, ВТ22, ВТ15 и другие наиболее пластичны, но менее прочные. Находят применение порошковые сплавы титана, позволяющие получать готовые детали методами порошковой металлургии, что сокращает расход материала при изготовлении деталей. Сплавы на основе интерметаллидов титана обладают памятью формы. Эффект памяти формы – это способность сплава устранять в процессе обратного мартенситного превращения деформацию, полученную им после прямого мартенситного превращения (т.е. ту деформацию, которую сплав мартенситной структуры получил в процессе изготовления детали). Обратные мартенситные превращения протекают при температуре 100…120оС. Основу сплавов, обладающих памятью формы, составляет никелид титана (TiNi). Литейные сплавы титана обозначают добавлением в конце марки буквы Л, например, ВТ5Л, ВТ9Л. В приборостроении титановые сплавы применяют для изготовления деталей и изделий, длительно работающих при повышенных температурах (300…500оС), в агрессивных средах, а также медицинского инструмента, наружных и внутренних протезов, внутрикостных фиксаторов и других деталей. Бериллий и сплавы на его основе Бериллий обладает полиморфизмом и имеет низкотемпературную модификацию α-Ве до температуры 1250оС, ГП кристаллическую решетку; и 77 высокотемпературную β-Ве (1250…1284оС) с ОЦК решеткой. Сочетание хорошей удельной прочности с очень высокой удельной жесткостью (табл. 2) и рядом других полезных свойств обеспечивают его применение в самолето-и ракетостроении, приборостроении, других отраслях промышленности. Бериллий имеет также большую теплоемкость, обладает хорошей тепло-и электропроводностью, демпфирующую способность, сваривается, паяется, обладает другими ценными свойствами. Таблица 2 Сравнительная характеристика прочностных свойств конструкционных материалов Уд.проч Уд. ТКЛР, ность, жесткость Материал Е, ГПа Е/ ρ·q, α *10-6 σв/ρ·q,К σв,МПа о -1 КМ С М Магниевый сплав 430 46 24 21 2300 Алюминиевый сплав 700 74 22 23 2400 Титановый сплав 1500 105 8,5 30 2600 Нержавеющая сталь 2000 182 11 27 2600 Бериллий 680 310 10…12 37 16100 Композицион. материалы: -полимерная матрица, 600..1000 100…180 – 30…70 6000..12000 армированная волокнами; -дисперсионно300…450 65…80 – 11..300 2100…2900 упрочненные на алюминиевой основе, 1000…1600 120…270 – 30…50 2000…8000 САП; -металлическая матрица, армированная металлическими волокнами Модуль упругости бериллия Е мало изменяется при увеличении температуры до 450оС в сравнении с Е других материалов (рис. 26). 78 Рис. 26. Зависимость удельной жесткости различных материалов от температуры: 1 – бериллий; 2 – композиционный материал с эпоксидной матрицей и волокнистым углеродными наполнителем; 3 – КМ с эпоксидной матрицей и наполнителем волокно бора; 4 – сталь; 5 – титановые сплавы; 6 – алюминиевые сплавы; 7 – магниевые сплавы Высокая стоимость бериллия определяется его редкостью в природе и сложной технологией получения. Литой бериллий хрупок, нетехнологичен. Практическое применение находят сплавы бериллия с алюминием и небольшими добавками магния, что обеспечивает снижение хрупкости, повышение пластичности. Применяемые сплавы содержат 5…80% Ве, так как с увеличением содержания Ве в сплаве прочность и пластичность их снижается [1]. Получают промышленные сплавы методом порошковой металлургии, а полуфабрикаты – пластическим деформированием в горячем состоянии по сложной технологии: на бериллий наносят стальное покрытие, затем его деформируют прокаткой. Далее стравливают стальное покрытие. Такая технология получения Ве обеспечивает пластические свойства бериллиевых сплавов, их мелкозернистую структуру. Легирование бериллия Ni, Co, Cu и другими элементами расширяет температурную область существования пластической низкотемпературной модификации α-Ве, что увеличивает диапазон температур горячей обработки давлением. К недостаткам бериллия и его сплавов, помимо высокой стоимости, малой пластичности, низкой технологичности, нужно отнести токсичность. Бериллиевая пыль является сильным канцерогеном и вызывает ряд заболеваний. Поэтому при обработке бериллия на станках принимают ряд специальных мер. Использование деталей из Ве после промывки и очистки не представляет опасности. Выпускают: литой бериллий марок БАН1 (σв =200…250МПа, Е=250ГПа); сплавы системы Al-Be-Mg— АБМ, АБМЦ (σв =400…600МПа, Е=260…270ГПа, α =(16…19)*10-6 оС-1); металлокерамические сплавы марок ДБ, легированные Тa, Nв (σв=400…600МПа, Е=300…350 ГПа, α = (12,5…13,5)*10-6 оС-1) и другие. 79 Применяют сплавы бериллия для изготовления корпусов, рам гироскопических приборов, чувствительных элементов акселерометров, зеркал оптических приборов, где требуются высокая отражающая способность, низкий и стабильный ТКЛР α. Для надежной работы акселерометров необходимо, чтобы собственная частота колебаний чувствительного элемента прибора была выше частоты изменения ускорения. Бериллий, в силу высокого значения модуля упругости Е, и обеспечивает высокую частоту собственных колебаний чувствительного элемента в сравнении с любыми другими материалами. Примечание к теме 7. Стоимость материалов достаточно просто оценить по прайс-листу заводов изготовителей или оптовых цен сбытовых организаций. В условиях учебного процесса это часто вызывает затруднения, или даже невозможно. Поэтому можно воспользоваться относительной приближенной оценкой стоимости различных материалов. За 1 принимаем стоимость углеродной стали. Стоимость цветных металлов и сплавов в сравнении, с углеродистой сталью выше в 3…8 раз, легированных сталей – в 5 – 10 раз, титановых сплавов – в 8…12 раз, бериллиевых сплавов – в 15 – 20 и более раз. Вопросы для самоконтроля 1. 2. 3. 4. 5. Состав сплавов Fe – C и роль компонентов в нем. Дать характеристику углеродистых сталей, их применение, обозначение. Структурные составляющие сплава Fe – C. Дать характеристику углеродистых сталей, их применение, обозначение. Дать характеристику легированных конструкционных сталей, их применение, обозначение. 6. Стали и сплавы с особыми свойствами, их применение, обозначение. 7. Сплавы на основе меди, их свойства, применение, обозначение. 8. Сплавы на основе алюминия, их свойства, применение, обозначение. 9. Сплавы на основе магния, титана, бериллия, их основные свойства, применение. Какие сплавы относятся к сплавам высокой удельной прочности и жесткости и где они применяются? 10. Что такое упрочняемые (стареющие) и не упрочняемые (нестареющие) сплавы, какие из них вам известны? 11. Какие профили и сортаменты металлов и сплавов выпускают? 12. Чем отличаются сплавы, полученные расплавлением компонентов, и спеканием из металлических порошков? 80 Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы Методические указания.. В рамках темы в основном рассматриваются конструкционные материалы на основе полимеров, пластмассы, стекла, керамика. Однако эти же материалы находят широкое применение и в качестве электротехнических материалов. Поэтому сведения о полимерах, пластмассах, стеклах, керамике как о диэлектриках необходимо отмечать при изучении темы. При изучении необходимо получить общее представление о многообразии пластмасс, обратить внимание на их деление на термореактивные и термопластичные, состав, отличия. Обратить внимание на их строение: полимеры, порошковые, волокнистые, стеклотекстолиты и другие. Их принадлежность к группам термореактивных или термопластичных пластмасс. Отметить, что кроме механических свойств, для пластмасс необходимо учитывать и диэлектрические свойства. Применение пластмасс. Ключевые моменты темы: иметь представление о качественных различиях свойств названных групп неметаллических материалов, их применении. Часто эти материалы используются и как конструкционные, и как электротехнические. Поэтому необходимо учитывать свойства таких материалов в совокупности. В данной теме приводятся некоторые основные характеристики и параметры неметаллических материалов в обобщенном виде, их механические и диэлектрические свойства. Теоретические материалы 8.1. Термопластичные и термореактивные пластмассы Термопластичные пластмассы (термопласты, полимеры) под нагрузкой ведут себя как вязкоупругие вещества. Стандартные испытания на растяжение и удар дают приближенную оценку их свойств. Изменения внешних условий (действие температуры, влаги, света, газов и другие) и скоростей деформирования, которые совсем не отражаются на механических свойствах металлических сплавов, резко изменяют механические свойства термопластов и полимеров, они вытягиваются, теряют форму и размеры. Механические свойства термопластов улучшаются при использовании в качестве наполнителя стеклянного волокна. При этом сохраняется возможность переработки термопластов с использованием методов литья под давлением и экструзии. Термопласты, как правило, не изменяют механических свойств под действием воды, стойки к действию бензина, масел. Исключением являются полиамиды (капрон и другие, табл. 3). Теплостойкие термопласты имеют более высокие рабочие температуры. Термопласты имеют хорошие диэлектрические свойства и параметры, указанные в таблице 3. Свойства и применения их в качестве диэлектрических, изоляционных материалов рассмотрено в теме 10. 81 Термореактивные пластмассы (реактопласты) получают на основе эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых, фенолоформальдегидных и кремнийорганических полимеров. Они имеют сетчатую структуру, при нагреве не плавятся, устойчивы против старения, поглощают не более 0,1…0,5% воды. Реактопласты более надежны, чем термопласты, при испытаниях на растяжение разрушаются без пластического течения. Рабочая температура у них выше, чем у термопластов, и определяется термической устойчивостью полимера или наполнителя (меньшей из двух). Термореактивные пластмассы обладают высокой удельной жесткостью и удельной прочностью. По этим показателям реактопласты со стеклянным волокном или тканями превосходят многие металлические сплавы. Термореактивные порошковые пластмассы более однородны по свойствам, хорошо перерабатываются методами прессования и применяются для наиболее сложных по форме изделий. Их недостаток – низкая ударная вязкость. Свойства термореактивных пластмасс приведены в таблице 4. Таблица 3 Материал 1 Полиэтиле н: низкой плотности высокой плотности Полипропи лен Полистиро л Поливинилх лорид: жесткий пластикат Фтороплас т-4 Фтороплас т-3 Поликарбо нат: без наполнител я 30% волокна Свойства термопластичных пластмасс механические свойства диэлектрические свойства максим. рабочая ρV, Ом*м σв, МПа δ, % ε, tgδ*10-4, темперпри при ра, ºС f=1МГц f=1МГц 2 3 4 5 6 7 термопласты Eпр, МВ/м 10…18 300…1000 60…75 18…32 100…600 70…80 26…38 200…800 100 40…60 3…4 50…65 10…40 20…40 8 2,4 2…4 45…50 2,5…3 2…3 40…60 1016…1017 2,3 2…5 50…70 1015 2,5 2…9 30 20…50 50…350 250…500 65…85 50…55 250 1014 3…4 200 16…30 1017 2 2 20 37 160…190 150 1014…1016 2,5…2,7 100 13…15 60…65 80…120 135 - - - - 90 3,5 145 - - - - 1016 82 Продолжение табл. 3 1 Капрон: сухой насыщенный водой Эпоксидный стеклопластик 2 3 4 5 6 7 8 75…85 35…50 50…130 160…250 80…100 – 1012 - 320 22 500 ~2,5 130 1013…1016 2,6…4 400..500 16..20 - - - 40…70 - 20…30 - теплостойкие полимеры Полиформальдег ид Полиимид Полиамидоимит То же + стеклян. волокна Полиэфирамид 70 50 140 - 300 150 8 7,6 >300 240...260 220 2,3 240...260 - - - - 100 60 240...300 - - - - 1013…1014 3,2…3,5 - Таблица 4 Материал Фенолоформальдег идные Полиэфирн ые (лавсан) Эпоксидны е Кремнийорганическ ие Свойства термореактивных пластмасс механические свойства диэлектрические свойства максим. ε, tgδ*10-4, рабочая ρV, Ом*м при при σв, МПа δ, % темпер-ра, ºС f=50Гц f=50Гц Термореактивные полимеры без наполнителей Eпр, МВ/м 15..35 1…5 200 109…1010 5…6 600…1000 12…16 42…70 2 95…120 1010…1012 3…3,5 20…130 - 28…70 3…6 150…175 1012…1013 3…4 100…300 20…80 22…42 5…10 350 1012…1014 3,5…5 100…300 15…25 Термореактивные полимеры с наполнителями Порошков 5…8 100…500 10…13 ые 30…60 1…3 100…200 1010 пластмассы Волокниты 30…90 1…3 120…140 1010 100…200 4 9 Гетинаксы 60…70 – 125 10 5…7 380…450 20 Текстолиты 65…100 1…3 90…105 1010 30…100 25 Стеклотекс 200…60 1…3 200…400 1011…1012 5…6 300 20 толиты 0 Примечание: рабочая температура материалов электротехнического назначения ниже указанной в таблицах 3 и 4 на 10…40%. 83 8.2. Керамика, стекла, ситаллы Керамика, стекла, ситаллы имеют хорошие прочностные свойства. Но их характерная особенность – хрупкость, поэтому прочность на сжатие у них в несколько раз больше прочности на изгиб. Предел прочности на изгиб колеблется от 30 до 300МПа, достигая у некоторых ситаллов до 500 МПа. Важной характеристикой для хрупких материалов является ТКЛР, особенно когда идет речь о работе в условиях быстрых смен температуры, или о соединении диэлектриков с металлами. ТКЛР керамики и тугоплавких стекол не превышает α<8⋅10-6 ºС-1, у легкоплавких стекол он равен (15…30)⋅10-6 ºС-1, у ситаллов – (4…31) ⋅10-6 ºС-1. Керамика и ситаллы имеют наибольшую стабильность структуры и свойств, не подвержены старению и устойчивы к нагреву. В стеклах под влиянием электрического поля возможна миграция ионов щелочных металлов и образование электропроводящих мостиков. Керамика по назначению подразделяется на установочную (для изготовления различных деталей, несущих механическую нагрузку) и на электротехническую (в изделиях из этой керамики в основном используются ее электрофизические свойства, и она широко применяется в приборостроении, электротехнике, электронике). Керамику классифицируют на пассивную (ее свойства не зависят от внешних воздействий), и активную (ее свойствами можно управлять в широких пределах с помощью внешних энергетических воздействий. К активной керамике относятся сегнетокерамика, пьезокерамика). Керамика, стекла, ситаллы широко используются в качестве материалов электротехнического назначения. Их свойства рассмотрены в теме №10. В таблице 6 приведены основные параметры керамик и стёкол. Термическая стойкость их может достигать значений: для установочной керамики и стёкол от 150…3000С до температуры 12000С; для электротехнической керамики, ситаллов—до 300…1000 0С и более. Отдельные марки керамики и стекол способны выдержать перепады температур (термоудар) до 150…350 0С. 1. 2. 3. 4. 5. Вопросы для самоконтроля Назовите группы неметаллических конструкционных материалов и их свойства. Отличие неметаллических материалов, их характеристик от аналогичных параметров металлических конструкционных материалов. Что объединяет и в чём отличие термореактивных и термопластичных пластмасс? Как можно повысить прочностные свойства пластмасс? Назовите характерные свойства керамик и области их применения. Стёкла, ситаллы, их основные свойства и применение. 84 Таблица 5 ε Материал Свойства керамик и стекол диэлектрические параметры -4 Eпр, МВ/м ТКЛР* ρV, tgδ*10 10-6, Ом*м о применение 1/ К Керамика электротехнич.: -электрофарфор 6,5 200 1013 25…30 3…6 -кордиеритовая -конденсаторная -ультрафарфор 6,5 900…104 8,5 20…500 2…10 1012 1012 10…20 4…15 20 0,5…2 - 8…10 1…10 1013 20…30 7,5 -корундовая, поликор 10 14 20 - -стеатит 6,5 3…9 -цельзиановая 7,5 3 1012 35 малый -конденсаторная 14…250 3…5 1011 6…35 - -сегнетокерамика (20…50)* 103 300 и менее 1010 2,5 и более - -пьезокерамика (1…2)*103 300 109 2,5 - изоляторы, * каркасы, платы изоляторы термостойкие* конденсаторы ƒ ≤ * 10кГц платы, подложки, изоляторы подложки МС, линзы и призмы оптические подложки, кольца изолирующие каркасы катушек индуктивности конденсаторы высокочастотные, термокомпенсиру ющие вариконды, конденсаторы * малогабаритные пьезопреобразова тели Стекла, ситаллы 2…100 106…1012 -неорганические 3,5…16 -кварцевое 3,8 2 1015 -электровакуумное - - - - 2,5…12 -ситаллы 5…7 3…20 1010…1012 28…80 -0,1...30 20…70 15…30 30…100 0,5...15 изоляторы оптические детали, конденсаторы для спаев с металлами подложки МС, опоры разрядников Примечание: * обозначены низкочастотные материалы для работы в цепях до 10 кГц 85 Тема 9. Электротехнические материалы Методические указания к темам 9, 10, 11. Указанные темы дисциплины «Материаловедение» охватывают электротехнические материалы. Обратить внимание на деление электротехнических материалов на проводники, полупроводники, диэлектрики в зависимости от энергетического состояния их атомов (зонная теория). Уяснить физическую сущность электропроводности, ее параметры и влияющие факторы. В теме 9 рассмотреть основные свойства и деление проводниковых материалов на группы, характерные особенности каждой группы, отличия материалов каждой группы по свойствам. Обязательно – особенности применения материалов разных групп. Иметь представление о полупроводниках, их основных отличиях от проводников. Знать классификацию, марки и обозначение проводниковых материалов. Ключевыми моментами, на что нужно обратить внимание, является: понимание сущности зонной теории, электропроводности, что на нее влияет, знать свойства и параметры электропроводности, различия электропроводности проводников и полупроводников, основные группы проводниковых и полупроводниковых материалов и их применение. Теоретические материалы Электротехнические материалы (рисунок 1) подразделяют на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Различаются эти группы по значению удельного электрического сопротивления, характеру зависимости его от температуры, типу проводимости, назначению. Проводники имеют малое значение удельного электрического сопротивления, в пределах 10-8…10-5Ом*м, которое возрастает с увеличением температуры; используются для подвода, коммутации электрической энергии, преобразования электрической энергии в тепловую. Полупроводники имеют значение удельного электрического сопротивления в пределах 10-5…108Ом*м, которое уменьшается с возрастанием температуры. Их применяют для преобразования переменного тока в постоянный и обратно, усиления электрических сигналов, преобразования различных видов воздействий, энергии в электрическую энергию и многих других областях техники. Диэлектрики обладают большим значением удельного сопротивления в пределах 108…1016 Ом*м, отдельные их виды обладают специфическими физическими эффектами (поляризации под действием механическими напряжений, способность длительно сохранять электрический заряд и другие); их используют в качестве изоляционных или электротехнических материалов. В рамках дисциплины будут рассмотрены только твердые проводниковые и диэлектрические материалы. Сведения о жидких и газообразных электротехнических материалах можно найти в литературе [3,5,9]. 86 Электрическая проводимость строением их атомов. твердых тел определяется электронным 9.1. Энергетические зоны твердого тела Согласно квантово-механическому представлению, электроны изолированного атома обладают определенными, квантованными значениями энергии, образуя различные уровни и подуровни 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, и т. д. (рис. 27.). Е Рис. 27. Схема образования энергетических зон твердого тела Взаимодействие атомов, их электромагнитных полей в твердом теле (кристалле) приводит к тому, что вместо отдельных уровней и подуровней образуются энергетические зоны – уровни и подуровни расщепляются (группируются) в зоны (см. рис. 27, левая часть). Количество уровней в каждой зоне настолько велико, что энергетический спектр в ней можно считать непрерывным. Так как энергия электронов квантована, то есть они не могут иметь любые, а могут иметь только определенные, значения энергии, то в твердом теле могут образоваться так называемые запрещенные зоны. Запрещенная зона – интервал энергии, которым не могут обладать электроны. Большинство свойств материалов, включая и электрические, зависят лишь от тех электронов, которые находятся во внешней зоне, происшедшей от валентных электронов, и называемой потому валентной зоной. У металлов валентная зона заполнена не полностью, поэтому даже небольшое внешнее электрическое поле вызывает перемещение электронов в зоне на более высокие энергетические подуровни. Энергия возбуждения, необходимая для такого перемещения, мала, так как незанятые подуровни непосредственно примыкают к заполненным, а зоны запрещенных энергии при сближении атомов на расстояние а вообще исчезают (см. рис. 27). Поэтому металлы обладают высокой электропроводностью. Расположение энергетических зон в твердом теле показано на рис. 28. В отличие от металлов, в кристаллах неметаллов (ковалентных, молекулярных) валентные зоны полностью заполнены электронами до устойчивого состоя-ния и отделены от зоны проводимости, в которой есть свободные подуровни, широкой 87 зоной запрещенных энергий (рис. 28 б, в). При возбуждение электронов, например, при повышении температуры, или по другим причинам, их энергия повышается. В некоторых кристаллах часть возбужденных валентных электронов, преодолев зону запрещенных энергий, попадает в зону проводимости, что и обуславливает появление электрического тока. Такие кристаллы (материалы) называют полупроводниками (рис. 28,б). Валентная зона Е Зона проводимости (свободные подуровни валентной зоны) валентная зона а) Зона проводимости Зона проводимости Запрещенная зона Валентная зона Е<3эВ Запрещенная зона Е>3эВ Валентная зона в) б) Рис. 28. Схема энергетических уровней: а) проводники; б) полупроводники; в) диэлектрики Ширина запрещенной зоны определяет электропроводность полупроводников. Ее ширина у них не превышает 3эВ. Дефекты и примеси уменьшают ширину запрещенной зоны и изменяют количество электронов проводимости. Для диэлектриков ширина запрещенной зоны превышает 3эВ, преодоление ее электронами проводимости затруднено. Представление о строении материалов с точки зрения энергетических взаимодействий атомных частиц и представляет элементы зонной теории твердого тела. 9.2. Проводниковые материалы Понятие об электропроводности Электропроводность характеризует способность материала проводить электрический ток. Закон Ома выражает зависимость плотности тока j от напряженности электрического поля Е в виде: j = σE , где коэффициент пропорциональности σ и называется электропроводностью или удельной электропроводностью. Для слабых электрических полей эту зависимость можно считать линейной. Установлено, что значение удельной электропроводности σ выражается через заряд свободного носителя е, его концентрацию n, и подвижность μ зависимостью 88 σ = е⋅n⋅μ, где μ = Vср Е (2) - подвижность носителей заряда в электрическом поле единичной напряженности Е. Подвижность численно равна средней скорости направленного движения Vср в направлении поля Е. Ее называют дрейфовой скоростью носителя. Средняя скорость Vср зависит от средней длины свободного пробега носителя (электрона, дырки, иона)– lсв.пр. Среднюю длину пробега носителя в конкретном проводнике определяет его строение, наличие дефектов кристаллического строения (на них происходит рассеяние носителей, искривление траектории движения относительно направления электрического поля), содержание примесей, тепловые колебания атомов. Из выражения (2) следует, что удельная проводимость зависит от заряда носителей, их концентраций и подвижности (длины свободного пробега). В проводниковых металлических материалах носителями заряда является электроны, их заряд постоянен и равен 1,6*10-19Кл; концентрация электронов также примерно одинакова и составляет 5*(1027…1028) м-3. Поэтому удельная электропроводность чистых проводниковых материалов в основном определяется длиной свободного пробега носителей. Все факторы, уменьшающие длину свободного пробега, приводит к снижению удельной электропроводности. Величина, обратная электрической проводимости σ, называется удельным электрическим сопротивлением и обозначается ρ . Имеется три механизма рассеяния электронов, движущихся в проводнике: фононное (связанное с тепловыми колебаниями узлов решетки), на примесях и на дефектах. На основании уравнения Друде общее удельное сопротивление ρ определится как сумма составляющих удельного сопротивления ρфон, ρприм, ρдеф, т.е. ρ = ρфон+ ρприм+ ρдеф. (3) Так как два последних слагаемых не зависят от температуры, их сумму представляют как остаточные удельное сопротивление ρост = ρприм+ ρдеф. При Т→0оК фононная составляющая удельного сопротивления ρфон→0. В этом случае удельное сопротивление будет определяться рассеянием на примесях и на дефектах, то есть ρ ≈ ρост = ρприм+ ρдеф. При отсутствии дефектов в этом случае ρ = ρост ≈ ρприм, что дает возможность оценить степень чистоты монокристаллических металлов. Электрические свойства и параметры проводниковых материалов К основным электрическим характеристикам проводниковых материалов, характеризующим их свойства, можно отнести удельную электропроводность, удельное электрическое сопротивление, контактную разность потенциалов, термоэлектродвижущую силу (термоЭДС), работу выхода электронов из металла. Удельная электропроводность σ имеет размерность сименс на метр (См/м). Величина, обратная σ, называется удельным электрическим сопротивлением 89 (часто – удельным сопротивлением) и характеризует способность материала препятствовать перемещению свободных носителей, обозначается ρ: ρ= 1 σ Ом⋅м. В различных областях техники удельное электрическое сопротивление измеряют в разных размерностях, находящихся в соотношении: 1Ом⋅м = 106мкОм*м = 106Ом⋅мм2/м. Значение удельного сопротивления чистых металлов с идеальной структурой кристалла при температуре абсолютного нуля примерно одинаково и составляет ~0,004 Ом*м. Примеси, дефекты кристаллического строения увеличивают удельное сопротивление ρ. Особенно резко оно возрастает в сплавах со структурой твердого раствора. Второй компонент сплава можно рассматривать как примесь, растворенную в решетке первого компонента (см. рис. 14) и являющейся дополнительным центром рассеяния. Увеличение удельного сопротивления с увеличением примесей характерно для всех сплавов (см. рис. 17). Характерная для проводниковых металлических материалов зависимость удельного сопротивления от температуры приведена на рис. 29. ρ То Т= Ө Рис. 29. Зависимость удельного сопротивления металлических проводников от температуры При температурах, превышающих температуру Дебая Ө, (до температуры Дебая, то есть при Т< Ө , справедливы законы квантовой физики, при Т> Ө справедливы законы статистической физики) удельное сопротивление возрастает линейно и обусловлено, в основном, усилением тепловых колебаний решетки. Это уменьшает среднюю длину свободного пробега носителей, их подвижность. В области низких (криогенных) температур (Т< Ө) значение ρ почти не зависит от температуры и определяется в основном его составляющей ρост. Влияние температуры на величину удельного сопротивления материала проводника в диапазоне практических рабочих температур (от ~ -60оС до +200оС) характеризуют температурным коэффициентом удельного сопротивления ТКρ или αρ (оК-1), равным: αρ = (ρ1- ρо)/[ρо⋅(T1-To)], где ρо – удельное сопротивление при температуре То (обычно принимают начальную температуру То = 20оС); ρ1 – то же при температуре Т1. 90 При известном значении αρ можно достаточно точно определить удельное сопротивление ρt для любой температуры из выражения: ρt = ρост [1+αρ(T2 – To)], где ρост - удельное сопротивление при комнатной температуре; Т2 – значение температуры, для которой находится ρt. Значение αρ приводятся в литературе [6, 9, 10]. Отметим, что значения αρ для большинства сплавов значительно меньше(10-4…10-6 оК-1), чем его значения для чистых металлов (~ 4*10-3 оК-1). Tx Tг Рис. 30. Схема термопары Между двумя проводниками, одни концы которых соединены пайкой или сваркой и образуют «горячий» спай и находятся при температуре Тг, а другие подключены к измерительному прибору, и образуют «холодный» спай при температуре Тх (рис. 30) возникает контактная разность потенциалов, обусловленная разностью значений работы выхода электронов из различных металлов. Если температуры Тr и Тх разные, то между проводниками возникает термоЭДС, UТЭДС, пропорциональная разности температур: UТЭДС = С⋅( Тr - Тх), где С – коэффициент ТЭДС, характеризующий данную пару материалов, в размерности мкВ/оК. Такие два изолированных проводника называют термопарой и используют для измерения температуры. Классификация и характеристика проводниковых материалов Проводниковые материалы в зависимости от величины удельного сопротивления и применения подразделяют на следующие группы: 1) металлы и сплавы высокой проводимости; 2) сплавы с повышенным и высоким удельным сопротивлением; 3) жаростойкие проводящие материалы; 4) криопроводники; 5) сверхпроводники; 6) материалы для контактов; 7) припои. Проводниковые материалы кроме высокой удельной проводимости (малого удельного сопротивления) должны иметь достаточную прочность, хорошие 91 технологические свойства, коррозионную стойкость, хорошо свариваться и подвергаться пайке. Практическое применение в приборостроении находят химические чистые металлы Cu, Al, Ag, Au, Sn, Re, Pd, Bi и другие, используемые в качестве проводниковых материалов, материалов покрытий, а также сплавы на их основе: латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы и другие. Серебро среди всех проводниковых материалов обладает наименьшим удельным сопротивлением (ρ = 0,016 мкОм⋅м), невысокой твердостью НВ25, прочность σв~200 МПа и δ ≅ 50%. К недостаткам Ag следует отнести пониженную химическую стойкость и относительно высокую диффузию в материал подложки, на которую оно нанесено. При высокой влажности и повышенной температуре диффузионные процессы усиливаются. Применяется серебро в электротехнике и электронике в качестве материала микропроводников, в контактах, при изготовлении керамических и слюдяных конденсаторов. Медь является основным проводниковым материалом в приборостроении в силу своих свойств (см. соответствующий раздел темы «Конструкционные материалы»). Отметим, что механические и электрические характеристики меди зависят не только от ее химической чистоты, но существенно и от ее состояния. Твердотянутая медь марки МТ имеет меньшую проводимость и относительное удлинение перед разрывом, но большую механическую прочность и твердость, чем отожженная медь марки ММ. В результате отжига прочность меди марок МТ снижается, но повышается проводимость (подробнее [1,9]). Основное применение меди – токопроводящие жилы обмоточных, монтажных и установочных проводов [10], контакты, детали токопроводящих устройств. Алюминий, обладая большим сродством к кислороду, легко окисляется на воздухе и покрывается при этом прочной оксидной пленкой, защищающей металл от дальнейшего окисления. Это обуславливает его высокую коррозионную стойкость, но и создает значительные трудности при пайке. По отношению к большинству других металлов алюминий имеет отрицательный электрохимический потенциал, что в присутствии влаги способствует электрохимической коррозии в зоне контакта. Проводниковый алюминий используют для изготовления жил обмоточных, монтажных и установочных проводов, прессованных жил кабелей различного назначения [10]. К сплавам с повышенным (ρ>0,3 мкОм⋅м) и высоким (ρ>1 мкОм⋅м) удельным сопротивлением относятся ранее названные медно-никелевые сплавы: манганин, мельхиор, нейзильбер, константан; сплавы с особыми свойствами – никелевые, никель-хромовые, идущие для изготовления различных резисторов (их называют еще резистивные материалы). К материалам с высоким удельным сопротивлением можно отнести и материалы для термопар. Выпускаются различные марки материалов с повышенным и высоким ρ, а также сортамент в виде полос, прутков, лент, проволоки, трубок. Основными требованиями к материалам для резисторов являются низкий ТКρ, низкая термоЭДС в паре с медью, высокая стабильность электрического сопротивления во времени. Их применяют для изготовления технических (регулирующих, пусковых реостатов, нагрузочных элементов) и прецизионных 92 (образцовые резисторы, элементы электроизмерительных приборов, катушки сопротивления, шунты, обмотки потенциометров) компонентов схем и приборов. Выпускаемая для изготовления резисторов из различных материалов с высоким удельным сопротивлением проволока имеет диаметр от 0,009…0,012мм и более [4, 9, 10]. Сплавы на основе благородных металлов кроме высокой коррозионной стойкости имеют малую термоЭДС в паре с медью. Основные параметры сплавов с повышенным и высоким сопротивлением приведены в таблице 6. Таблица 6 Материал Серебро Медь Золото Алюминий Нейзильбер МНЦ15-20 Манганин МНМц3-12 Константан МНМц40-1,5 Сплав Х15Н60 Сплав Н80ХЮДВи Сплав Х21Ю5ФМ-Ви Платина-иридий ПлИ-10 Палладийвольфрам ПдВ20 Нихром Х20Н80 Фехраль Х23Ю5Т Хромаль Х13Ю4 Основные параметры проводниковых материалов термоЭДС в -6 о -1 паре с Сu, ρ, мкОм*м ТКρ*10 , С σв, МПа мкВ/оС Материалы высокой проводимости 0,016 4000 0,017 4300 0,024 3800 0,028 4200 Материалы с высоким удельным сопротивлением 0,3…0,32 200 14,4 350…1100 tраб, оС 0,4…0,52 -2…10 1,0 400…540 200 0,45…0,52 30 39 400…640 500 1,09…1,12 1,3…1,35 14 14 – – 900 1000 150 1,4…1,5 14 – >800 480 0,22..0,24 133 0,5…5 350…400 0,85…1,1 75 0,5…5 880…1760 1,0…1,1 1,3…1,4 1,2…1,35 Материалы жаростойкие -(110…130) – 65 – 100…120 – 700 800 1100 1200 700 900 Жаростойкие проводящие материалы кроме высокого удельного сопротивления имеют высокую рабочую температуру (табл. 6). Это сплавы на основе Cr-Ni (нихромы) и Fe-Cr-Al (фехром, хромали), обладающие повышенной стойкостью к окислению при высоких температурах за счет легирования Al. Их применяют для изготовления нагревательных элементов, пусковых реостатов, работающих в тяжелых условиях. Недостаток фехралей, хромалей – низкие технологические свойства. С понижением температуры удельное сопротивление в металлах уменьшается (см. рис. 29). Однако есть металлы и сплавы, у которых при критической 93 температуре значение ρ резко падает до нуля – материал становится сверхпроводником (рис. 31). Рис. 31. Изменение удельного сопротивления в металлах (1) и сверхпроводнике (2) в области низких температур Переход металла в сверхпроводящее состояние связан с фазовыми превращениями. При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и с ионами кристаллической решетки. Электроны с противоположными спинами спариваются, образуя электронные (куперовские) пары. Результирующий спиновый момент становится равным нулю, и сверхпроводник превращается в диамагнетик. В состоянии сверхпроводимости куперовские пары обладают большой энергией связи, поэтому обмена энергетическими импульсами между ними и решеткой нет, т.е. электронные пары не рассеиваются на узлах кристаллической решетки. Сопротивление материала становится равным нулю. При повышении температуры до значений, выше критической Ткр, куперовские пары распадаются, и состояние сверхпроводимости исчезает. Она исчезает также в сильных магнитных полях и при пропускании большого тока (критические значения поля и тока). Сверхпроводниками являются ниобий, сплавы на его основе. Применяются сверхпроводники для изготовления обмоток мощных генераторов, электромагнитов, туннельных диодов, устройств памяти, при создании магнитных полей большой напряженности, в криогенных гироскопах с магнитным подвесом. В настоящее время получены керамические высокотемпературные сверхпроводники, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах минус 160…168оС, которая может быть получена с помощью жидкого азота (температура порядка минус 195оC). К криопроводникам относятся материалы, которые при охлаждении до температур ниже минус 170оС приобретают высокую электрическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее состояние. При низкой температуре удельное сопротивление проводника обусловлено, в основном, наличием примесей и дефектами кристаллической решетки, выражение (3). Поэтому криопроводники должны обладать высокой степенью чистоты и 94 отсутствием дефектов кристаллического строения, что можно обеспечить отжигом. На рис. 32 приведена температурная зависимость удельного сопротивления особочистых Al, Cu, Be. Наименьшим сопротивлением при температуре жидкого азота обладает бериллий. Рис. 32. Зависимость удельного сопротивления криопроводников от температуры Однако его использование в качестве криопроводника затруднено вследствие низкий технологичности, дороговизны и токсичности. Криопроводники Al, Cu применяют в основном для изготовления токопроводящих жил кабелей и проводов, работающих при температурах жидких газов водорода (-252оС), неона (-46оС) и азота (-196оС). Материалы для контактов. Электрические контакты подразделяют на: -разрывные – периодически замыкают и размыкают электрическую цепь; -скользящие – осуществляют передачу тока с подвижной части прибора, электрической машины на неподвижную; -неподвижные – обеспечивают электрическое соединение неподвижных проводников, например, двух контактных проводов с использованием зажимов. Материалы для контактов должны удовлетворять следующим основным требованиям: иметь малое переходное сопротивление Rпер, высокую коррозионную и эрозионную стойкость, твердость, высокую электро-и теплопроводность, химическую стойкость, износостойкость, не должны свариваться при работе и другие. В зависимости от электрической мощности разрывные контакты подразделяют на слабонагруженные, Iраб<5A; средне- и высоконагруженные Iраб>(5…15)А. Слабонагруженные контакты изготовляют из благородных металлов Au, Ag, Pt, Pd, их сплавов, а также сплавов Pt+Ru, Pt+Rh, Cu+Ag и других. Они обладают низким переходным сопротивлением и повышенной стойкостью против окисления. Но у них низкое сопротивление эрозионному изнашиванию, поэтому эти материалы можно использовать только в слабонагруженных контактах. 95 Средне- и высоконагруженные контакты часто изготавливают методом порошковой металлургии на основе вольфрама, молибдена, серебро-оксид кадмия, серебро-оксид меди, медь – графит, серебро – графит, серебро – никель, а также Ag+Ni+C, Ag+W+Ni, Cu+W+Ni и другие. Медная и серебряная фазы в этих композициях обеспечивают высокую тепло- и электропроводность контакта, а тугоплавкая композиция W, Мо – стойкость к механическому износу, электрической эрозии и свариваемости. Сплавы на основе серебра и окисленной меди (СОМ-10), полученные по особой технологии [1], являются композиционным материалом, и обладают высокой стойкостью к свариванию и электроэрозионному изнашиванию. Применяются в высоконагруженных контактах, как разрывных, так скользящих. Скользящие контакты должны обладать высокой стойкостью к истирающим нагрузкам, особенно при сухом трении. Не следует использовать один и тот же материал в скользящей контактной паре, так как при этом сильно увеличивается износ. Наиболее высокими качествами обладают контактные пары, составленные из металлического и графитсодержащего материалов на основе меди (МГ3,МГ5 – соответственно 3 и 5% графита) и серебра (СГ3, СГ5). Медно-и серебрографитовые щетки применяются широко в электрических машинах. В приборостроении в качестве щеток скользящих контактов применяют проволоку из проводниковых бронз, реже латуней, отличающихся высокой механической прочностью, износостойкостью, упругостью, антифрикционными свойствами и стойкостью к атмосферной коррозии (например, латуни ЛМц58-2, бронзы БрБ2, БрКд1 и другие). Кадмиевые бронзы по электропроводимости близки к электропроводности меди. Для изготовления коллекторных пластин и колец используют медно-никелевые сплавы, твердую медь, а также медь, легированную серебром. Сплавы, используемые для соединения металлических деталей при помощи расплавленного дополнительного материала, называется припоями. Они используются при пайке с целью получения электрического или механического соединения. Различают припои двух типов: для низкотемпературной (tпл ≤ 400оС) и высотемпературной (tпл > 600оС) пайки. В приборостроении широкое применение для пайки металлов высокой проводимости находят низкотемпературные припои, которые должны иметь небольшое переходное электрическое сопротивление, обеспечивать хорошую смачиваемость поверхности, близкие ТКЛР материала соединяемых деталей и припоя. Этим требованиям отвечают припои на основе олово-свинец (припои ПОС) и оловоцинк (припои ПОЦ). Для пайки меди и ее сплавов применяют припой марок ПОС30, ПОС-40, ПОС-61 и другие. Цифра показывает процентное содержание олова. Эвтектический сплав ПОС-61 имеет tпл=183оС, хорошую жидкотекучесть и широко применяется для пайки в ПС. Для снижения температуры пайки припой олово-свинец легируют кадмием. Это припои марок ПОСК (tпл ~ 140…160oС). 96 Для пайки алюминия и его сплавов применяют сплавы на основе металлов олово-цинк: ПОЦ90, ПОЦ60 и другие, затвердевающие при темпераурах tзатв ~ 199…250oC, и имеющие диаграмму состояния эвтектического типа, Для пайки изделий, не допускающих нагрева до температуры выше 100оС, используют сплавы висмута со свинцом, оловом, кадмием: сплав Вуда (tпл = 60оС), сплав Розе (tпл = 94оС) и другие. При повышенных требованиях к электропроводности и механической прочности соединения при пайке используют припои, легированные серебром: например, ПСр1,5 (1,5% Ag) – температура плавления и затвердевания у них зависит от процентного содержания серебра и изменяется от 225 до 305оС. 9.3. Полупроводниковые материалы К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным сопротивлением в пределах 10-5…108 Ом⋅м. Их отличительными особенностями от других материалов являются: – уменьшение удельного сопротивления при увеличении температуры (отрицательный ТКρ); – введение в полупроводник малого количества примесей резко изменяет его удельное сопротивление (электрическую проводимость); – полупроводники чувствительны к внешним воздействиям различного рода: свету, электрическому и магнитным полям, давлению, температуре и другим, что предопределяет их применение в различных датчиках. К простым полупроводникам относятся: германий, кремний, селен; к сложным – соединения различных элементов: арсениды (арсенид галлия GaAs и другие), фосфиды (фосфид галлия GaP), антимониды (антимонид индия JnSb), сульфиды (GaS), тройные соединения элементов (CuAsS2) и другие. Появление носителей заряда (электронов и дырок) определяется чистотой материала и температурой. Полупроводник, в котором имеется равное количество свободных электронов и дырок, называется собственным. Они по структуре монокристаллы и отличаются высокой степенью чистоты. Количество примесей не должно превышать одного атома на миллион атомов полупроводника. Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники, получаемые на основе собственных введением в них строго определенного количества соответствующей примеси: донорной (примесь имеет лишний электрон, который она отдает и он становится свободным, а атом примеси ионизируется, электропроводность такого полупроводника называется электронной, или n-типа); или акцепторной (примесь захватывает электрон и ионизирует атом основного вещества, образуется дырка, электропроводность такого полупроводника называется дырочной, или p-типа). Донорными примесями служат химические элементы As, S, Se, P, Sb, акцепторными – B, Al, Ga, In. 97 Как и в проводниковых материалах, электропроводность полупроводника можно определить показанной выше зависимостью (1): σ = е⋅n⋅μ. Но необходимо учитывать указанные в начале параграфа отличительные особенности полупроводника: 1. Электропроводность полупроводника определяется свободными носителями – электронами и дырками, т.е. равна их сумме. 2. Концентрация и подвижность дырок и электронов в примесном полупроводнике разная. С учетом этого зависимость электропроводности полупроводника при комнатной температуре на основе выражения (1) запишется (4) σ = еn⋅nn⋅μn + еp⋅np⋅μp , где индексы n и p относятся соответственно к электронам и дыркам. Концентрация и подвижность свободных носителей в полупроводниках зависит от температуры, поэтому и удельная электропроводность также будет зависеть от температуры. Установлено, что для концентрации свободных носителей заряда характерна экспоненциальная зависимость их от температуры, а для подвижности – степенная, которая слабее экспоненциальной. Ограничимся графическим представлением зависимости электропроводности полупроводнике от температуры (рис. 33) в полулогарифмическом масштабе. Рис. 33. Зависимость электропроводности полупроводника от температуры при различной концентрации примесей С возрастанием концентрации примесей электропроводность увеличивается. С увеличением температуры в области низких температур повышение удельной проводимости полупроводника обусловлено увеличением концентрации свободных носителей заряда за счет ионизации примесей (участки ab, de, kl, см. рис. 33). При определенной температуре наступает истощение примеси – ее полная ионизация, собственная же электропроводность еще не проявляется. В этих условиях концентрация свободных носителей от температуры не зависит, и 98 температурная зависимость удельной проводимости полупроводника определяется зависимостью подвижности носителей заряда от температуры (см. рис. 33, участки bc, ef, lm). Эти участки зависимости соответствуют рабочими температурам в полупроводниковых приборах. Резкое увеличение удельной проводимости при дальнейшем росте температуры соответствуют области собственной электропроводности (см. рис. 33, участок ос). Полупроводниковые материалы находят широкое применение в различных полупроводниковых приборах (диоды, транзисторы, микросхемы), датчиках (давления, тензо-фото-термодатчики, датчики Холла и другие), в оптоэлектронике и многих других областях. Вопросы для самоконтроля 1. 2. 3. 4. Сущность зонной теории. В чем суть теории электропроводности Друде? Основные параметры электропроводности, их размерности. Классификация электротехнических материалов и ее связь с энергетическими зонами твердого тела. 5. Электропроводность проводниковых материалов, ее основные зависимости. 6. Основные электрические свойства и параметры проводниковых материалов. 7. Как влияет температура и примеси на электропроводность проводниковых материалов? 8. Какие знаете группы проводниковых материалов, и какие основные свойства характеризуют каждую из них? 9. Где применяются проводниковые материалы различных групп? Назовите конкретные материалы каждой группы. 10. Полупроводники, их отличия от проводниковых материалов, по строению, чистоте, свойствам. 11. Чем отличается применение полупроводниковых материалов от проводниковых? 99 Тема 10. Дизлектрические материалы Методические указания. При изучении темы обратить внимание на понятие диэлектрик, их классификацию по назначению, применению и природе. Знать основные свойства диэлектриков, физические явления, определяющие эти свойства, и характеризующие параметры. Обратить внимание на влияние влаги, температуры, частоты и других факторов на свойства диэлектриков. Знать названия широко применяемых диэлектриков, их применение, обозначение. Ключевые моменты темы: знание физических явлений, определяющих свойства диэлектриков: поляризацию, электропроводность, диэлектрические потери, электрическую прочность, нагревостойкость; изменение свойств при действии влаги, температуры, частоты; параметры диэлектриков, их применение. Теоретические материалы К диэлектрическим (диэлектрикам) относятся материалы, имеющие удельное электрическое сопротивление ρ более 108 Ом⋅м. На энергетической диаграмме их валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. В диэлектрических материалах преобладает ионный или ковалентный тип химической связи, и практически нет свободных носителей зарядов. 10.1. Классификация и основные свойства диэлектриков Многообразие диэлектрических материалов отражается и на их классификации по различным признакам. По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подразделяются на газообразные (различные газы, воздух), жидкие (различные масла), и твердые. В рамках дисциплины будут рассмотрены только твердые диэлектрики. По назначению диэлектрики подразделяют на: – собственно диэлектрические материалы – класс электротехнические материалов, предназначенных для использования их различных диэлектрических свойств (большое ρ, поляризацию, диэлектрические потери и другие); – электроизоляционные материалы – диэлектрики, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей в электротехнических и радиоэлектронных устройствах (основные свойства у них – большие значения сопротивления изоляции Rиз, удельного сопротивления ρ, электрической прочности). По постоянству свойств диэлектрики подразделяют на: – пассивные – (их свойства стабильны при различных внешних воздействиях); – активные – (их свойствами можно управлять с помощью различных воздействий энергетического характера, например температуры в 100 пироэлектриках, вызываемыми механическими напряжениями в пьезоэлектриках). По химическому составу диэлектрики подразделяют на неорганические (слюда, керамика, стекло), органические (полимеры, пластмассы, светотехнические материалы), и элементоорганические, в молекулы которых входят атомы Si, Mg, Al, Ti, Fe и других элементов. Диэлектрики обладают большим разнообразием свойств, которые определяются природой сил химических связей между частицами, из которых состоит диэлектрик, и их структурой. Свойства диэлектриков как конструкционных материалов рассмотрены в предыдущих темах. Из многообразия электрических свойств, определяющих их техническое применение, к основным можно отнести: – поляризацию; – электропроводность; – диэлектрические потери; – электрическую прочность; – нагревостойкость. 10.2. Поляризация диэлектриков и ее виды В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. При этом центры положительных и отрицательных зарядов, которые без действия электрического поля совпадали, не будут совпадать. Ограниченное смещение электрически связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называют поляризацией. Способность диэлектрика к поляризации характеризуют относительной диэлектрической проницаемостью εr, диэлектрической восприимчивостью æд, поляризованностью P. На рис. 34 изображен конденсатор с площадью электродов S и расстоянием между ними h. При подаче напряжения U между электродами напряженность электрического поля будет равна E = U , а накопленный в конденсаторе с h вакуумом свободный заряд обозначим Qo (на рис. 34,а) квадратики). При наличии диэлектрика между электродами (рис. 34,б) имеющиеся в нем положительные и отрицательные заряды смещаются, в результате чего образуются электрические диполи p с моментом, равным p = q⋅l, где q – заряд частицы, l – расстояние между частицами (рис. 34, б). На поверхности диэлектрика образуются поляризационные (связанные) заряды. обозначенныые кружками на рис. 34,б). Они создают собственное внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему. Для компенсации поляризационных зарядов источником создается дополнительный заряд Qд. Общий заряд в конденсаторе с диэлектриком Q будет равен: Q = Qo + Qдоп = εr⋅Qo, где εr относительная диэлектрическая проницаемость. Она характеризует 101 поляризацию диэлектрика под действием электрического поля, является важным макроскопическим параметром, ее значения для конкретных материалов приводятся в справочниках. Рис. 34. Распределение зарядов в электрическом поле конденсатора: а) между электродами вакуум; б) диэлектрик Определяют значения εr по измеренным значениям емкостей конденсатора в вакууме (воздухе) Cо и с диэлектриком Сд из зависимости: ε r = Cд С . о Поляризованность диэлектрика Р как твердого тела является векторной величиной и может быть определена как сумма электрических диполей рi в единице объема V. P= n ∑р V i (Кл/м2). Поляризованность характеризует способность частиц материала приобретать дипольный момент в электрическом поле. Диэлектрическая восприимчивость æд характеризует способность среды к поляризации, и является коэффициентом пропорциональности между векторами поляризованости Р напряженности электрического поля Е: Р = æд⋅ εо⋅Е, -12 где εо=8,85⋅10 Ф/м – электрическая постоянная. Отметим, что указанная зависимость справедлива только для линейных диэлектриков, для них ær д = const. Для нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) æд = f( Е ), то есть зависит от напряженности поля. Для линейных диэлектриков εr = 1+ æд. В зависимости от природы химических связей частиц в диэлектрике различают следующие виды (механизмы) поляризации: упругую (быструю, 102 нерелаксационную, не связанную с потерями в диэлектрике) и неупругую (замедленную, релаксационную, связанную с потерями в диэлектрике). К упругим относятся электронная и ионная поляризации, к неупругим – дипольно-электронно-и ионнорелаксационные, структурная (миграционная) и спонтанная (самопроизвольная) поляризации. Заметим, что в твердом диэлектрике одновременно проявляется несколько видов поляризации, которые в совокупности и определяют значение εr и его зависимость от температуры и частоты электрического поля. Электронная поляризация представляет упругое смещение электронов и деформацию электронных оболочек атомов в электрическом поле (рис. 35,а). Электронная поляризация превращает каждый атом или ион в диполь. Орбитали внешних электронов будут деформированы, и поляризованные частицы будут обладать элементарным электрическим моментом pi = qil, сумма которых и создает поляризованность Р твердого тела. Время поляризации 10-14…10-16с. а) б) в) Рис. 35. Схемы: а) электронной, б) ионной, в) дипольно-релаксационной поляризаций Электронная поляризация происходит у всех диэлектриков независимо от их агрегатного состояния и существования в них других видов поляризации. Диэлектрики с электронной поляризацией называются неполярными. К ним относятся алмаз, полиэтилен, полистирол, фторопласт-4, парафин и другие. Значение εr не превышает 3. Время установления электронной поляризации мало и составляет ~ 10-15с, её еще называют мгновенной. Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением упруго связанных положительных и отрицательных ионов из узлов подрешеток на расстояния, меньшие периода решетки (рис. 35, в). В каждом, и положительном, и отрицательном ионе также происходит смещение электронных оболочек – электронная поляризация. Смещения ионов из узлов подрешеток приводит к появлению дополнительного электрического момента pu, увеличивающего поляризованность, а, следовательно, и общую относительную 103 диэлектрическую проницаемость εr, значение которой у веществ с ионной поляризацией больше, чем у веществ с электронной поляризацией. Время ионной поляризации ~ 10-12…10-13с. Так как время упругих поляризаций мало, то и εr у материалов с этим видами поляризации не изменяется при изменении частоты до значений 1015…1012Гц соответственно. Ионный механизм поляризации наблюдается в слюде, керамиках, мраморе, кварце и других материалах ионного строения. Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в ориентации дипольных молекул (или полярных групп молекул в органических и твердых диэлектриках), находящихся в хаотическом тепловом движении, в направлении электрического поля (рис. 35, в). В результате такой поляризации увеличивается поляризуемость Р, и, следовательно, εr. Поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопротивления, поэтому дипольнорелаксационная поляризация связана с рассеянием энергии, то есть с потерями. После снятия электрического поля ориентация частиц в материале постепенно ослабевает, имеет место релаксация. Релаксация характеризуется временем релаксации τ – это время, за которое после снятия электрического поля ориентация полярной молекулы по полю уменьшается в е раз под действием теплового движения. Материалы, имеющие дипольно-релаксационный механизм поляризации, называют полярными. Время релаксации τ ≈ 10-10…10-2с. Полярными диэлектриками являются поливинилхлорид, порошковый фенопласт, эпоксидные пластмассы, электрофарфор, органическое стекло. Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (например, в неорганических стеклах). При этом слабо связанные ионы вещества под действием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие упругие смещения, или период подрешетки. В диэлектрике появляется электрический момент – то есть имеет место ионно-релаксационная поляризация. Так как процесс смещения носит локальный, а не сквозной характер, то это не является электропроводностью. Время установления ионно-релаксационной поляризации 10-5…10-3с, и она также связана с рассеянием энергии. Электронно-релаксационная поляризация обусловлена ограниченным перемещением возбужденных тепловой энергией избыточных дефектных электронов или дырок. Этот вид поляризации характерен для диэлектриков с электронной проводимостью (в них есть свободные носители заряда), например двуокись титана с примесями ионов ниобия, кальция, бария, оксиды алюминия и другие, и также связана с рассеянием энергии. Миграционная (структурная, примесная) поляризация – неупругие перемещения слабо связанных примесных ионов на расстояния, превышающие параметр решетки, часто до границ структурного образования (рис. 36). 104 Рис. 36. Схема миграционной поляризации в диэлектриках с неоднородной структурой Этот вид поляризации проявляется в твердых телах неоднородной структуры, имеющих макроскопические неоднородности или примеси. Причинами возникновения структурной поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различными значениями σ и εr (например, в слоистых материалах – текстолитах, миканитах, изоляции на основе бумаги). Время миграционной поляризации велико, 10-3…1с, и она связана с большими рассеяниями энергии, как поляризация замедленного типа. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация – это поляризация диэлектрика при отсутствии внешнего электрического поля. Она существует у групп твердых диэлектриков, объединенных общим названием сегнетоэлектрики, и обладающих нелинейной зависимостью электрического смещения от величины напряженности электрического поля: æд = f(Е). В материалах со спонтанной поляризацией имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии электрического поля, но они различным образом ориентированные в объеме материала. Под действием внешних сил или энергетических воздействий в таких материалах возникают деформация и напряжения, что вызывает ориентацию электрических моментов доменов и создает эффект сильной поляризации. Деформационный механизм поляризации характерен для пьезоэлектриков, а поляризация при изменении температуры – для пироэлектриков. Поэтому материалы со спонтанной поляризацией часто называют сегнетоэлектриками по названию материала, у которого этот вид поляризации был впервые обнаружен – сегнетовой соли. Материалы со спонтанной поляризацией имеют большие значения εr, сильную зависимость εr от температуры, являются активными диэлектриками. К ним относятся некоторые виды керамик, стекол, смол. Влияние температуры и частоты на поляризацию К основным внешним факторам, влияющим на поляризацию диэлектриков, относятся температура и частота электрического поля. На рисунке 37 показаны общие закономерности влияния указанных факторов на поляризацию для групп 105 материалов с различными механизмами поляризации. Для конкретных материалов эти зависимости могут отличаться от приведенных на рис. 37. εr 104 5 εr ≈ 5 ~10 4 3 2, 3 2 ~2 4 5 1 Тос 6 3 θ 9 а) 12 lgf б) Рис. 37. Зависимости εr от температуры – а), и частоты – б), для разных диэлектриков при различных видах поляризации: 1- электронная; 2 – дипольно-релаксационная; 3 – ионно-релаксационная; 4 – ионной; 5 –спонтанная; θ – точка Кюри При низких температурах подвижность частиц и молекул в диэлектриках мала, а силы молекулярного взаимодействия достаточно велики. С увеличением температуры увеличивается подвижность частиц, уменьшается энергия взаимодействия между ними, и увеличивается ориентация под действием внешнего поля. Поэтому с повышением температуры εr у большинства твердых диэлектриков увеличивается (рис. 37,а), кроме неполярных диэлектриков: у них εr уменьшается. У неполярных диэлектриков количество поляризованных частиц с повышением температуры остается неизменным, а объем увеличивается. Поляризованность Р = 1 V ∑р i уменьшается, что и объясняет показанную зависимость. Изменение диэлектрической проницаемости при повышении температуры характеризуется температурным коэффициентом (ε rt − ε ro ) -1 К . (ε r *ΔT ) Для неполярных диэлектриков его значения отрицательны. Значения ТКεr лежат в интервале 10-3…10-6 оК-1 и приводятся в справочниках. Изменение направления смещения диполей в материале диэлектрика связано с изменением направления электрического поля, то есть с частотой поля. При малых частотах питающего напряжения частицы успевают «следить» за диэлектрической проницаемости ТКεr= о o 106 изменением поля, смещаясь с его частотой. При упругих видах поляризации, имеющих малое время установления поляризации, εr практически не зависит от частоты приложенного напряжения до частот порядка 1012…1015Гц (рис. 37, б). При неупругих, релаксационных видах поляризации, время установления поляризации относительно велико. Если время релаксации τ больше времени половины периода частоты электрического поля, то электрические моменты смещенных частиц не успевают ориентироваться в электрическом поле, и εr уменьшается (рис. 37,б). С увеличением частоты сначала исчезает миграционная, затем дипольная поляризация, а при очень высоких частотах (гигагерцы) – и ионная. Замечание: Полярность диэлектрика определяет его пригодность при использовании в различных условиях. Реально нет неполярных диэлектриков. То, что практически считаем неполярными диэлектриками, на самом деле являются слабо полярными, так как в них всегда имеются определенное количество различных примесей, и, следовательно, имеются и другие виды поляризации, и связанные с ними рассеяния энергии. 10.3. Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности Электропроводность диэлектриков связана с наличием в них свободных носителей. В отличие от металлов, в диэлектриках электропроводность может быть трех видов: электронная, ионная и молионная. Электропроводность диэлектриков определяется концентрацией носителей и их подвижностью в соответствии с известным соотношением: σ = е⋅n⋅μ. Электронная электропроводность характеризуется перемещением в диэлектрике свободных электронов, дырок (электронных вакансий) и поляронов под действием электрического поля. Свободные носители заряда образуются в диэлектрике при различных энергетических воздействиях на него: при нагревании, воздействии света, радиации, инжекции зарядов в сильных электрических полях в диэлектрик из металлических электродов, ударной ионизации. Приобретаемой носителями заряда дополнительной энергии активации достаточно для преодоления запрещенной зоны и перехода их в зону проводимости. Свободные электроны в диэлектрике поляризуют небольшую область окружающего их диэлектрика. Электрон, окруженный поляризованной областью, называется поляроном. Поляроны перемещаются вместе с электронами. Отметим, что электронная составляющая электропроводности в диэлектриках мала, так как мало количество свободных носителей; при ней отсутствует перенос вещества. Ионная электропроводность связана с перемещением собственных и примесных ионов через структурные дефекты диэлектрика: вакансии, границы зерен, микропоры. Она является основным видом электропроводности в диэлектриках, и связана с переносом вещества. И только в некоторых материалах 107 при определенных условиях наблюдается смешанная ионно-электронная проводимость: например в слюде при t > 500оС, в титановой керамике и других. Молионная электропроводность представляет движение заряженных коллоидных частиц вещества, называемых молионами. Наблюдается в коллоидных системах: лаках, эмалях, суспензиях, эмульсиях, происходит без электролитической диссоциации и не связана с образованием новых веществ. Электропроводность твердых диэлектриков обуславливается движением носителей как через объем диэлектрика – называется объемной электропроводностью σv, так и по поверхности – поверхностная электропроводностью σs. Поверхностная электропроводность твердых тел при прочих равных условиях обусловлена присутствием влаги на поверхности диэлектрика. Вода обладает значительной удельной проводимостью: ρv = 103…105Ом⋅м, и большой εr = 80. При тончайшем слое влаги на поверхности диэлектрика обнаруживается его заметная проводимость, зависящие от толщины слоя влаги. Но адсорбция влаги на поверхности связана с природой материала диэлектрика, состоянием его поверхности. Поэтому удельное поверхностное сопротивление рассматривают как свойство самого диэлектрика. Заметное влияние на удельное поверхностное сопротивление ρs диэлектрика обнаруживается при относительной влажности воздуха, превышающей 50…60%. Удельное поверхностное сопротивление тем выше, чем меньше полярность вещества, и чем чище поверхность диэлектрика. Параметры электропроводности диэлектриков и их зависимости Электропроводность диэлектриков характеризуют: удельной объемной σv и поверхностной σs проводимостью, или удельным объемным ρv и поверхностным ρs сопротивлением. Принято, что удельное объемное сопротивление ρv численно равно сопротивлению куба Rv с ребром h = 1 м, если ток проходит через две противоположные грани этого куба: ρv = RV⋅S/h, где RV – объемное сопротивление, Ом; S – площадь электрода (грани куба), м2; размерность ρv – (Ом⋅м), а удельной проводимости σv – Сименс на метр (См/м). Удельное поверхностное сопротивление ρs численно равно сопротивлению квадрата Rs выделенного на поверхности материала, если ток течет через две противоположные стороны квадрата: ρv = RS⋅d/l, где RS – поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной d, отстоящими друг от друга на расстояние l. Размерность ρs – (Ом), а удельной проводимости σs – См. Если к диэлектрику приложить постоянное напряжение, то через него потечет ток I, который представляет сумму сквозного тока утечки Icк и тока абсорбции Iабс (тока смещения, возникающего вследствие неупругой поляризации): I = Iут + Iабс. На рис. 38 показан характер изменения тока в диэлектрике во времени при включении. Заметим, что токи смещения при упругой поляризации очень кратковременны и их трудно зарегистрировать. Токи смещения при различных 108 видах неупругих поляризаций наблюдаются у многих технических диэлектриков, и протекают при постоянном напряжении только в момент включения и I I Iск Iут Iабс t, время Рис. 38. Характер изменения тока через диэлектрик после подачи постоянного напряжения выключения; при переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле. Ток абсорбции по мере установления поляризации постепенно спадает, и через диэлектрик устанавливается мало изменяющийся во времени сквозной ток утечки Iут, который определяется в основном электронной электропроводностью. Значение сопротивления при этом определяет сопротивление изоляции Rиз и может быть определено из закона Ома: Rиз=U/Iут, причем Iут измеряют через 1 минуту после подачи напряжения на образец, когда поляризационные токи Iaбс спадут. Сопротивление изоляции можно определить по формуле Rиз= Rv * Rs ( Rv + Rs ) . Любые факторы, влияющие на концентрацию свободных носителей и их подвижность, влияют и на электропроводность диэлектриков. Основными из влияющих факторов является температура, напряженность электрического поля, время нахождения изоляции под напряжением, влажность материала. При повышении температуры возрастает подвижность ионов и уменьшается вязкость материала. Носители заряда приобретают дополнительную энергию (энергию активации). Поэтому в слабых электрических полях удельная электрическая проводимость большинства твердых диэлектриков сильно зависит от температуры и описывается экспоненциальной зависимостью σv = A⋅exp(–W/kT), где: А – постоянная для данного материала, зависящая от температуры; W – энергия активации носителей заряда (собственных и примесных ионов); k – постоянная Больцмана; Т – термодинамическая температура. Экспоненциальное повышение удельной проводимости с увеличением температуры вызывается, прежде всего, повышением концентрации свободных 109 носителей заряда, которая также описывается экспоненциальной зависимостью. Влияние возрастания концентрации носителей заряда в твердых диэлектриках при повышении температуры может подавляться уменьшением подвижности при повышении температуры, как это наблюдается при преобладающем рассеянии на тепловых колебаниях решетки. Можно сказать, что возрастание удельной электропроводности диэлектрика с повышением температуры происходит за счет повышения концентрации свободных носителей, при некотором уменьшении σ от возможного за счет теплового рассеяния на решетке. В сильных электрических полях проводимость диэлектрика перестает следовать закону Ома (рис. 39). Зависимость а) характерна для загрязненных диэлектриков, в которых с увеличением напряженности поля Е возрастает количество носителей заряда, а также для чистых ионных кристаллов, у которых в полях высокой напряженности появляется электронная проводимость. Зависимость б) характерна для не ионных диэлектриков высокой чистоты, у которых число носителей заряда ограничено. Рис. 39. Влияние напряженности электрического поля на электропроводность диэлектриков: а) диэлектрики с ионными кристаллами и загрязненные примесями; б) не ионные диэлектрики высокой чистоты На электропроводность диэлектриков сильное влияние оказывает влага. Вода сама диссоциирует на ионы, в ней растворяются частицы примесей, имеющиеся в диэлектрике: соли, остатки катализаторов, кислот, щелочей. Влага с растворенными ионогенными примесями проникает в поры, микротрещины диэлектрика, впитывается капиллярами, распределяется по границам раздела в слоистых диэлектриках. Поэтому увлажнение сильно уменьшает удельное объемное электрическое сопротивление диэлектрика. Например, в пористых диэлектриках (текстолит, мрамор и другие) с увеличением относительной влажности воздуха от нуля до 70% удельное объемное сопротивление ρv снижается от 1012 до 106 Ом*м. Для уменьшения влагопоглощения и влагопроницаемости пористые изоляционные материалы пропитывают лаками или компаундами, покрывают глазурью. Пропитка уменьшает вредное влияние влаги на эксплуатационные 110 параметры изоляции. Отметим, что процесс уменьшения ρ изоляции имеет обратимый характер: после сушки поглощенная влага удаляется, и удельное сопротивления возрастает до исходного значения. Присутствие влаги в виде адсорбированной пленки на поверхности диэлектриков, смачиваемых водой –гидрофильных (угол смачивания у них меньше 90о), частично растворимых в ней или имеющих пористую структуру, резко повышает поверхностную электрическую проводимость σs (рис. 40, кривые 2, 3). Поверхностный сквозной ток при этом может даже превысить объемный сквозной ток, и вызвать нагрев поверхности до температуры выше 100оС. Не смачиваемые водой диэлектрики –гидрофобные (полистирол, фторпласт-4, парафин) и полярные смачиваемые, но нерастворимые диэлектрики (церезин, слюда, некоторые виды керамик) изменяют свое поверхностное сопротивление незначительно. Загрязнение поверхности диэлектрика пылью, жировыми пленками облегчает конденсацию влаги на ней и уменьшает ρs, особенно у полярных материалов. Например, ρs у плавленого кварца в воздухе с относительной влажностью 70% после очистки поверхности имеет ρs = 1013Ом, а при неочищенной – ρs ~ 108Ом. Для защиты от действия поверхностной влаги диэлектрик покрывают специальными покровными лаками и герметиками. Рис. 40. Влияние влажности на поверхностную электропроводность диэлектриков: 1 – нерастворимые и несмачиваемые диэлектрики (парафин, слюда, полистирол, фторпласт-4); 2 – частично растворимые и пористые диэлектрики (стекла, фенопласты, мрамор); 3 – пористые и слоистые диэлектрики (текстолит, гетинакс, бумага) 10.4. Диэлектрические потери В диэлектрике под действием приложенного к нему напряжения протекает электрический ток, следовательно, в нем рассеивается энергия. Диэлектрическими потерями P называют активную составляющую 111 электрической мощности, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. Они состоят из: потерь от токов проводимости Pэл; поляризационных и ионизационных потерь Pпол и Pионз соответственно. Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при постоянном, так и при переменном напряжении. При постоянном напряжении, когда отсутствует периодическая поляризация (влияние поляризации проявляется только в моменты включения и выключения, то есть кратковременно, и потерями от поляризации можно пренебречь), сквозные токи утечки Iут определяются значением сопротивления изоляции Rиз, зависящим от ρs и ρv. Поэтому диэлектрические потери (активная мощность) в цепи постоянного тока могут быть определены из выражения P = U2/Rиз, где U – значение постоянного напряжения, приложенного к диэлектрику. Таким образом, качество диэлектрика на постоянном токе можно оценить ρs и ρv или сопротивлением изоляции Rиз, которые и определяют диэлектрические потери. При переменном напряжении к потерям от токов сквозной проводимости добавляются потери от поляризации, которые и составляют значительную долю общих потерь в диэлектрике, и являются собственно диэлектрическими. Для определения мощности потерь в переменных полях диэлектрик представляют в виде последовательной или параллельной электрической схемы, состоящей из идеального конденсатора и активного сопротивления. Активная мощность, выделяемая на активном сопротивлении схемы, определяет рассеиваемую в диэлектрике мощность (диэлектрические потери) Рпол, определяемую по формуле Pпол=U2 ⋅ ω ⋅ С ⋅ tgδ, (5) где: ω = 2 π f – круговая частота, рад/с; f – частота приложенного напряжения, в Гц; tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь. При релаксационных механизмах поляризации при изменении напряженности электрического поля по гармоническому закону E=Eo⋅ sinωt, вектор поляризуемости Р отстает от вектора напряженности поля Е, и определяется выражением Р = E ⋅ sin(ωt − δ). Угол δ и является углом диэлектрических потерь. На векторной диаграмме токов, протекающих через диэлектрик, угол δ дополняет угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи до 90о (рис. 41). При частотах свыше 20…30к Гц диэлектрические потери уже оказывают влияние на тепловой режим различных устройств. Поэтому tgδ, характеризующий диэлектрические потери, является важным параметром диэлектрика. Значение емкости С в выражении (3) для конденсатора с диэлектриком можно определить из выражения С=εr ⋅ Со, где Со – емкость конденсатора, определяемая его геометрическими размерами. С учетом этого, выражения (5) примет вид: Pп = U2 ⋅ ω ⋅Со ⋅ εr ⋅ tgδ. Произведение εr ⋅tgδ называют коэффициентом диэлектрических потерь. Диэлектрические потери, отнесенные к объему диэлектрика, называют удельными диэлектрическими потерями, и измеряют в Вт/кг. 112 В зависимости от значения tgδ диэлектрики подразделяют на низкочастотные (tgδ = 0,001…0,1) и высокочастотные (tgδ<0.001). Так как диэлектрические потери, характеризуемые εr и tgδ, зависят от частоты, в справочниках указывают, при какой частоте они определены. В пористых диэлектриках возможна ионизация газовых включений и неоднородность структуры из-за примесей и включений, что приводит к дополнительным ионизационным потерям Pионз в диэлектрике. а) б) Рисунок 41. Векторная диаграмма токов идеального – а), и реального – б), диэлектриков Таким образом, основными источниками потерь в диэлектрике на переменном токе являются поляризация и структурная неоднородность, совокупное действие которых и обуславливает диэлектрические потери в диэлектриках. Потери в диэлектриках зависят не только от рода тока, протекающего через них, но и от температуры, химической природы и структуры диэлектрика. Параметры εr, tgδ, влияющие на потери, зависят от названных факторов, поэтому для конкретного диэлектрика эти зависимости можно найти в специальной литературе. Ограничимся рассмотрением общих тенденций влияния температуры и частоты на потери в диэлектрике. На постоянном токе с увеличением температуры растет подвижность носителей, увеличивается электропроводность и, следовательно, ток сквозной проводимости Iск Поэтому возрастают и потери в диэлектрике. На переменном токе зависимость tgδ от температуры различна для полярных и неполярных диэлектриков, следовательно, и потери в них будут разные. В неполярных диэлектриках имеют место потери от электропроводности, и зависимость tgδ от температуры экспоненциально увеличивается с ростом температуры (рис. 42,а). tgδ tgδ 3 1 t,°C 2 а) 113 б) Рисунок 42. Зависимость tgδ от температуры неполярного – а), и полярного – б), диэлектрика t°C Такой же характер имеет и температурная зависимость диэлектрических потерь, так как εr неполярных диэлектриков практически не зависит от температуры (см. рис. 37). В полярных диэлектриках к потерям от электропроводности (рис. 42, б, кривая 1), которые больше, чем у неполярных диэлектриков, добавляются потери на поляризацию (кривая 2), которые увеличивают общее значения tgδ. Суммарная зависимость tgδ от температуры для полярных диэлектриков характеризуется кривой 3. Обычно диэлектрические потери возрастают с увеличением температуры, несмотря на то, что в некотором интервале температур tgδ может уменьшаться. Это связано с тем, что в областях, где tgδ уменьшается, резко увеличивается εr полярного диэлектрика (возникают резонансные явления). Кроме того, нередко потери на электропроводность выше, чем потери на поляризацию. Влияние частоты на tgδ и диэлектрические потери также различно для полярных и неполярных диэлектриков. В неполярных диэлектриках существует только потери электропроводности от токов Iут, которые не зависят от частоты электрического поля. Поэтому произведение ω ⋅tgδ в выражении (5) имеет постоянное значение. Следовательно, tgδ с ростом частоты уменьшается по при Р=f(Iут ) (рис. 43,а). гиперболической зависимости tgδ = P 2 (U ωC ) а) б) Рис. 43. Зависимость tgδ от частоты неполярного – а), и полярного – б) диэлектрика В полярных диэлектриках (см. рис. 42,б) к потерям от электропроводности (кривая 1) добавляются потери от поляризации (кривая 2). Изменение tgδ от частоты в целом характеризуется суммарной кривой 3. Зависимость диэлектрических потерь от частоты для полярных диэлектриков имеет вид, показанный на рис. 44. При низких частотах потери создаются только электропроводностью, поэтому они не завися от частоты. При возрастании частоты они резко увеличиваются, так как резко увеличивается tgδ, увеличение которого не может скомпенсировать уменьшение εr в этой области частот. Начиная от частоты, при которой tgδ имеет 114 максимум, потери вновь становятся почти постоянными, так как уменьшение tgδ компенсируется увеличением частоты. Диэлектрические потери возрастают также с увеличением влажности диэлектрика. Рис. 44. Зависимость диэлектрических потерь полярного диэлектрика от частоты 10.5. Электрическая прочность диэлектриков Если повышать приложенное к диэлектрику напряжение, то по достижении им определенного критического значения Uпр произойдет потеря диэлектриком изоляционных свойств. Сквозной ток через диэлектрик резко возрастет, а сопротивление диэлектрика уменьшится настолько, что произойдет короткое замыкание электродов, и образуется сквозной канал проводимости. Это явление называется пробоем диэлектрика. Значение напряжения в момент пробоя Uпр называется пробивным напряжением. Способность диэлектрика сохранять высокое удельное сопротивление в полях высокой напряженности называют электрической прочностью, обозначают Епр и оценивают как Епр = Uпр/h, где h – толщина диэлектрика. Измеряют Епр в вольтах на метр, на практике принято оценивать электрическую прочность в кВ/мм, причем1МВ/м=1кВ/мм. Если произошел пробой диэлектрика, то при повторной подаче напряжения повторный пробой произойдет при горазда меньшем напряжении, чем при первом пробое. Диэлектрик потерял свои изоляционные свойства. Электрическая прочность зависит от природы материала толщины диэлектрика, условий теплоотвода, влажности, температуры и других факторов. Работоспособность материала диэлектрика определяют различные виды (механизмы) пробоя. Электрический пробой. Под действием сильного электрического поля в диэлектрике электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, и происходит лавинообразный процесс ударной ионизации частиц диэлектрика с образованием большого количества носителей заряда, большого тока, и как следствие этого – разрушение диэлектрика. Электрический пробой протекает 115 практически мгновенно, в течение 10-8…10-5с. При нем электрическая прочность имеет большее значение, чем при других видах пробоя, и не зависит от толщины диэлектрика. У твердых диэлектриков при нормальных условиях Епр ~ 1000 МВ/м. Для сравнения: у воздуха Епр ~ 3 МВ/м; масел – Епр ~ 10 МВ/м; воды ~ 0,1МВ/м. Тепловой (электротепловой) пробой. Обусловлен экспоненциальным ростом электронной проводимости диэлектрика при возрастании температуры и нарастающим выделением теплоты под действием диэлектрических потерь и потерь от токов сквозной проводимости. Он возникает, когда нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, отводимой в окружающую среду. Если выделяется теплоты больше, чем отводится, то диэлектрик нагревается, и температура может достичь значения, при которой происходит пробой диэлектрика. При тепловом пробое электрическая прочность Епр тем ниже, чем толще диэлектрик, так как при этом ухудшаются условия отвода теплоты. Тепловой пробой развивается в течение времени t ~ 10-3…102 с, горазда медленнее электрического, Епр ~ 0,1…1МВ/м. Поверхностный пробой (перекрытие). Возникает из-за больших поверхностных токов диэлектрика, и переходит в дуговой разряд в среде, окружающей диэлектрик, чаще всего в воздухе. Сильно зависит от влажности, загрязнений поверхности, трещин, шероховатости поверхности диэлектрика. Поэтому электрическая прочность при этом виде пробоя мала, Епр ~ 0,1 МВ/м. Электрохимический пробой (электрическое старение). Обусловлен этот вид пробоя медленным изменением химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля и частичных разрядов в диэлектрике или окружающей среде. Изменения в диэлектрике связаны с процессами электролиза, электрической миграции, переноса ионов, что приводит к изменению состава и старению диэлектрика. Электрохимический пробой по этой причине возникает после длительной эксплуатации диэлектрика, находящего в электрических полях с напряженностью, значительно меньшей, чем электрическая прочность диэлектрика. Время развития электрохимического пробоя (его называют еще временем жизни τж диэлектрика) может достигать ~ 103…108с. Существует и другие виды пробоя: ионизационный, электромеханический, электротермомеханический [5]. 10.6. Нагревостойкость диэлектриков Нагревостойкость диэлектриков – их способность выдерживать в течение длительного времени нагрев до определенной температуры, сохраняя свои важнейшие свойства. Нагревостойкось является важным свойством диэлектрика и учитывается при его выборе. По стандарту (ГОСТ8865-93) диэлектрики разделяют по нагревостойкости на классы (табл. 7). Для диэлектрика каждого класса по нагревостойкости определена предельная рабочая температура. Некоторые электроизоляционные материалы не включены ни в один из классов, 116 так как могут использоваться только при температурах ниже 90оС (полистирол, парафин, церезин и другие). Материалы соответствующего класса могут использоваться и при более высокой температуре, но при этом срок службы их существенно уменьшается. По рекомендации Международной электротехнической комиссии, МЭК, нагревостойкость диэлектриков оценивают температурным индексом, ТИ. Температурный индекс указывает значение температуры, при которой диэлектрик может длительно, не менее 20000часов, работать, сохраняя свои свойства. Пример обозначения нагревостойкости диэлектрика по температурному индексу – ТИ105. Таблица 7 Классы нагревостойкости изоляционных материалов Класс Предельная нагрево- температура, о стойкости С Y Материал 90 Непропитанные природные органические материалы (бумага, хлопок, шелк), поливинилхлорид, полиэтилен высокого давления A 105 Пропитанные природные органические материалы, полиэтилен, полиамиды, изоляция эмалированных проводов E 120 Гетинакс, текстолит, эпоксидная смола B 130 Слюда, стекловолокно с обычным органическим связующим, полиформальдегид, фторопласт-3 F 155 Слюда, стекловолокно с эпоксидными или кремний органическими связующими, капрон H 180 Материалы класса F, изготовленные с применением кремнийорганических смол особо высокой нагревостойкости C свыше 180 Слюда без связующего, стекло, стеклоткани, фторопласт4, полиимиды, кварц, керамика Прочность диэлектриков и особенности их механических свойств являются дополнительными критериями при выборе материалов (см. табл. темы № 8) и литературу [1,3,4,7,9]. 117 Вопросы для самоконтроля 1. Что такое диэлектрик и их классификация? 2. Назвать основные свойства диэлектриков. 3. Поляризация, ее основные виды и влияющие на нее факторы. Чем отличаются упругие и неупругие виды поляризации? 4. Электропроводность диэлектриков ее виды, влияющие факторы. На что влияет электропроводность диэлектрика? 5. Потери в диэлектрике, в чем они проявляются? Виды потерь, их зависимость от температуры, частоты, влажности. 6. Электрическая прочность диэлектриков, ее виды. Чем отличаются различные виды пробоя и как это учитывают при выборе материала? 7. Как учитывается нагревостойкость изоляционных материалов при их выборе? 8. Чем отличаются диэлектрики органической и неорганической природы, и в чем это различие проявляется? 9. Какие материалы и с какой целью применяют в виде компаундов, лаков, эмалей, клеев в приборостроении? 10. Какие свойства керамик позволяют отнести их к активным диэлектрикам? Тема 11. Магнитные материалы Методические указания. Необходимо иметь понятие о природе магнетизма, обменной энергии между электронами недостроенных подуровней соседних атомов, доменной структуре магнитных материалов. Изучаются только ферро – и ферримагнитные материалы. Обратить внимание на основные магнитные характеристики (параметры) магнитных материалов. Понять процесс намагничивания. Знать классификацию магнитных материалов по природе, назначению, строению, основные свойства и применение МММ и МТМ. К ключевым моментам следует отнести понимание основных свойств магнитных материалов и их связи с физическими явлениями, знание свойств и параметров различных групп и МММ, и МТМ, обуславливающих их применение. Теоретические материалы 11.1. Общие положения Магнитными называются материалы, которые применяются в технике с учетом их магнитных свойств и характеризуются способностью накапливать, хранить и 118 трансформировать магнитную энергию, т.е. намагничиваться. Магнитные свойства вещества определяются его атомной структурой и наличием постоянного магнитного момента атомов, связанного с микротоками в нем. Магнитный момент атома является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) магнитных моментов электронов. Полностью заполненные орбитали атома или четное число электронов на орбитали не дают результирующего спинового момента, так как в этом случае каждому спину одного направления в атомной оболочке соответствует магнитный момент спина, направленный антипараллельно. В атомах, имеющих не полностью заполненные (недостроенные) внутренние электронные оболочки, магнитные моменты спинов существенны, т.е. имеется результирующий спиновый магнитный момент электрона. Орбитальный магнитный момент возникает в атомах за счет протекания микротока, обусловленного вращением электронов по орбиталям. Результирующий орбитальный магнитный момент, отличный от нуля, может наблюдаться лишь на некруговых орбиталях электронов. Орбитальные и спиновые магнитные моменты отдельных электронов складываются в результирующие орбитальные и спиновые моменты атомов, т.е. создается полный магнитный момент атома, который только у элементов с не полностью заполненными электронными оболочками может достигать больших значений. В твердых телах атомы сближены настолько, что происходит перекрытие энергетических зон электронов; атомы обмениваются электронами, в результате чего возможны различная ориентация магнитных моментов твердого тела относительно внешнего магнитного поля. Техническое применение находят ферро-и ферримагнетики − вещества, обладающие ферро- и ферримагнетизмом соответственно. Ферромагнетизм имеет место в результате обменного взаимодействия электронов недостроенных подуровней соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. При этом электрон атома может временно находиться вблизи ядра соседнего атома. Такое взаимодействие приводит к изменению энергетического состояния, и его оценивают обменной энергией (рис. 45). Рис. 45. Обменная энергия металлов в зависимости от отношения параметра решетки, а к диаметру внутренней недостроенной оболочки d: I − антиферромагнетики; II − ферромагнетики; III − парамагнетики 119 При положительном значении обменной энергии более выгодным с энергетической точки зрения у атомов кристалла становится параллельная ориентация магнитных моментов (рис. 46,а), что характерно для ферромагнетиков; при отрицательном − антипараллельная ориентация магнитных моментов, и такие металлы не обладают ферромагнитными свойствами (рис. 46,б). Их называют антиферромагнетиками. а) б) в) Рис. 46. Ориентация магнитных моментов атомов различных материалов: а) ферромагнитных; б) антиферромагнитных; в) ферримагнитных Положительное значение обменной энергии имеет место при отношении параметра решетки а к диаметру внутренней недостроенной оболочки d больше 1,5, то есть а/d>1,5. Поэтому некоторые сплавы из неферромагнитных компонентов при введении их в решетку Mn вызывают увеличение межатомных расстояний в решетке сплава до значений, обеспечивающих положительное значение обменной энергии, необходимое для возникновения самопроизвольной намагниченности (например, сплавы Mn+Bi; Mn+Sb). Таким образом, чтобы вещество обладало ферромагнетизмом, необходимо наличие у него внутренних незаполненных оболочек (d и f) в атомах, и положительное значение обменной энергии. При нагревании магнитных материалов из-за увеличения хаотического теплового движения атомов параллельная ориентация магнитных моментов нарушается, самопроизвольная намагниченность уменьшается. При достижении точки Кюри самопроизвольная намагниченность исчезает. Если магнитные моменты в атомах антиферромагнетика не равны (не скомпенсированы), то возникает результирующий магнитный момент, и такой материал называют ферромагнетиком нескомпенсированным или антиферромагнетиком. К ним относятся ферриты (рис. 46, в). Ферриты представляют собой соединение окислов железа Fe2O3 с окислами других металлов и имеют сложную структуру кристаллической решетки, состоящей из 120 двух или более подрешеток. Обменное взаимодействие между атомами металла в ферритах осуществляется не непосредственно, а через немагнитный ион кислорода − имеет место косвенное обменное взаимодействие. Ферро-и ферримагнетики обладают большим собственным магнитным моментом. При намагничивании таких материалов внешним магнитным полем они способны создавать большие магнитные поля, многократно превышающие значения внешнего намагничивающего поля. На этом принципе и основано их применение в различных магнитопроводах и сердечниках устройств. 11.2. Основные свойства и параметры магнитных материалов Согласно квантовой теории, все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов. Домен − макроскопическая область кристалла размером в единицы или десятки микрометров, где магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению. Магнитный момент домена примерно в 1015 раз больше магнитного момента отдельного атома, поэтому каждый домен находится в состоянии технического насыщения при отсутствии внешнего магнитного поля. Магнитные моменты отдельных доменов направлены различно и хаотично, внутри образца образуются замкнутые магнитные цепочки и полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю (ферромагнетик в целом не намагничен). На рис. 47 показана энергетическая выгодная доменная структура ферромагнетика с замкнутым магнитным полем. Деление образца на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами. Рис. 47. Энергетически выгодная доменная структура с замкнутым магнитным полем Между доменами имеются переходные слои (доменные стенки) шириной в десятые – сотые доли микрометра, внутри которых спиновые магнитные моменты постепенно поворачиваются (рис. 48). 121 Рис. 48. Изменение ориентации магнитных моментов атомов в доменной границе Намагниченность монокристалла ферромагнетика анизотропна. Направлением легко намагничивания в монокристалле железа являются кристаллографические направления ребер куба [100], [010], [001], по которым и ориентируются векторы намагниченности доменов (см. рис. 47). В поликристаллических материалах эффекты анизотропии усредняются, поэтому магнитная анизотропия в них не проявляется. Однако прокаткой можно создать кристаллографическую анизотропию, которая облегчит намагничивание в направлении проката. Это свойство используют в текстурованных магнитных материалах. Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле, он намагничивается. Его намагниченность J связанна с напряженностью поля H зависимостью J = æм⋅H, где æм − магнитная восприимчивость, величина, характеризующая связь намагниченности вещества с магнитными полем в этом веществе. Магнитная индукция B определяется как сумма внешнего H и внутреннего J магнитных полей: B = μ0⋅(H+J) = μ0⋅(H+ æм⋅H) = μ0⋅μ H, (6) -7 где: μ0 − магнитная постоянная, равная 4⋅π⋅10 , Гн/м; μ = 1 + æм − магнитная проницаемость (относительная магнитная проницаемость), характеризующая реакцию ферромагнетика на воздействие внешнего магнитного поля. Из выражения (6) относительную магнитную проницаемость можно определить формулой μ = B/μ0⋅H. Ее определяют также как тангенс угла наклона касательной к кривой намагничивания B = f(H) (рис. 49). При индукции B, выраженной в теслах (Тл), напряженности H и намагниченности J − в (А/м), относительная магнитная проницаемость μ и магнитная восприимчивость æм − безразмерные величины. При этом различают начальную магнитную проницаемость μнач при Н≈0, и максимальную µmax (см. рис. 49). Магнитная проницаемость µ зависит от температуры, и при температуре Кюри имеет максимум. Зависимость магнитной индукции В от напряженности внешнего магнитного поля Н характеризует кривая намагничивания (см. рис. 49). Ход этой 122 зависимости существенно зависит от внешних условий и предшествующего магнитного состояния, и поэтому эта зависимость трудно воспроизводима. Рис. 49. Основная кривая намагничивания (I) и кривая магнитной проницаемости (II) ферромагнитного материала На практике для определения параметров магнитных материалов используют основную кривую намагничивания − геометрическое место вершин симметричных петель перемагничивания, которая отвечает требованию хорошей воспроизводимости. Ферромагнитная доменная структура устойчива, когда полная свободная энергия минимальна. Минимум энергии соответствует случаю, когда магнитный поток замкнут внутри материала, то есть отсутствуют поля рассеивания (нет магнитных полюсов). Поэтому однодоменная состояние ферромагнетика с энергетической точки зрения является невыгодным, так как образуются магнитные полюса и, соответственно, внешнее поле рассеяния. Общая энергия будет минимальна, когда ферромагнетик состоит из нескольких доменов, магнитные потоки которых замыкаются внутри тела, а внешнее поле отсутствует. Деление образца на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами. Основную кривую намагничивания и зависимость µ = µ(Н) можно разделить на четыре области, отличающиеся процессами, происходящими при намагничивании, и связанными с изменением напряженности намагничивающего поля (см. рис. 49). В области слабых полей (область 1) магнитная проницаемость и восприимчивость не изменяются. Изменение магнитной индукции В происходит в этой области в основном за счет обратимых процессов, обусловленных смещением доменных границ (рис. 50) В области 2 происходят неупругие, необратимые смещения границ доменов, имеет место наибольшее приращение индукции и наибольшее значение проницаемости µmax. Таким образом, в областях 1, 2 имеют место при намагничивании процессы, связанные со смещением границ доменов и ростом 123 их объема в направлении осей легкого намагничивания кристалла (рис. 50,б). Векторы намагниченности внешнего поля Н и намагниченности домена J не совпадают. Смещение границ доменов и намагничивание затруднено наличием дефектов структуры ферромагнетика (атомы примесей, вакансии в узлах решетки, дислокаций и другие) и приводит к необратимости процесса намагничивания. Рис. 50. Схема процессов в ферромагнетике при намагничивании: а) исходное состояние; б) смещение границ; в) процессы вращения В области 3, характеризующей приближение индукции к насыщению, приращение индукции обуславливается в основном процессами вращения (поворота) вектора намагниченности J и техническому насыщению, при котором векторы самопроизвольной намагниченности доменов ориентируются параллельно намагничивающему полю Н, магнитная индукция приближается к максимальному значению Вs, а проницаемость µ приближается к единице. В области 4 значение индукции В практически не зависит от внешнего поля Н, наблюдается малое приращение ее за счет ориентации спиновых моментов отдельных электронов, направление которых не совпадают с направлением внешнего поля из-за дезориентирующего влияния теплового движения. Полную ориентацию всех моментов атомов можно было бы наблюдать только при абсолютном нуле градусов. В этой области имеет место парапроцесс. Процесс намагничивания считают практически законченным при достижении технического насыщения и индукции Вs, значения которой и указывают в справочной литературе. Магнитный гистерезис. При намагничивании ферромагнетика во внешнем, непрерывно увеличивающемся, магнитном поле индукция возрастает и достигает значения индукции насыщения Вs. Если после этого уменьшать напряженность внешнего магнитного поля Н, то намагниченность будет уменьшаться. Но новому, уменьшенному значению Н будет соответствовать другое, большее значение индукции, чем при начальном намагничивании. Поэтому зависимость В = f(Н) при последовательном циклическом увеличении, а затем уменьшении напряженности внешнего поля не совпадают вследствие магнитного гистерезиса. Магнитный гистерезис – отставание намагниченности ферромагнитного вещества от внешнего магнитного поля, что приводит к несовпадению кривых, отражающих зависимость В = f(Н) при увеличении и уменьшении внешнего магнитного поля (рис. 51) График зависимости В (Н) при циклическом намагничивании называют петлей гистерезиса, которая отражает не полную обратимость процесса 124 намагничивания. Если уменьшать магнитное поле от значений индукции технического насыщения Вs до нуля (см. рис. 51), то индукция при Н = 0 окажется равной Вr, и называется остаточной индукцией. При изменении направления поля на противоположное и его увеличении индукция уменьшается и при напряженности (−Нс) становится равной нулю. Напряженность магнитного поля, равная Нс, называется коэрцитивной силой, и наряду с Вs, Вr относится к основным характеристикам магнитных материалов, определяемым по петле гистерезиса. Значение Вs для ферромагнетиков принято определять при напряженности магнитного поля Н = 5⋅Нс. Таким образом, при перемагничивании от напряженности поля +Нs до − Нs и обратно от − Нs до +Нs кривые В (Н) не совпадают. Площадь, ограниченная этими кривыми, определяет потери на гистерезис (потери на перемагничивание – что одно и то же). Основная кривая намагничивания и форма петли гистерезиса также относятся к важнейшим характеристика магнитных материалов, так как по ним определяются его основные параметры. Рис. 51. Кривая намагничивания и петля гистерезиса Отметим, что параметры µ, Нс, Вr, Нs зависят от химического состава ферромагнетика и вида термической обработки его, индукция технического насыщения Вs и намагниченность Js – только от химического состава. Легко намагничиваются химически чистые ферромагнетики и однофазные сплавы на их основе. Дефекты кристаллического строения затрудняют намагничивание. Если размер кристаллов ферромагнетика близок к размеру доменов, то при намагничивании и размагничивании возможен только процесс вращения векторов намагничивания, а потому и небольшие изменения намагниченности Js и индукции Вs. Петля гистерезиса принимает при этом прямоугольную форму. Прямоугольную петлю гистерезиса получают при изготовлении и применении магнитных материалов на основе металлических порошков с определенными размерами частиц. Магнитная вязкость (процесс последействия) – отставание во времени изменения магнитных характеристик ферромагнетиков от изменения 125 напряженности внешнего магнитного поля. Из-за нее намагниченность образца устанавливается после изменения напряженности внешнего магнитного поля через время от десяти секунд до десятков минут и более. Причины магнитной вязкости – наличие в материале вихревых микротоков, диффузия атомов примесей, задерживающих смещение границ доменов, диффузия электронов в ферритах и другие. При намагничивании магнитных материалов они могут изменять свои размеры и форму. Это явление называется магнитострикция. Материалы, обладающие магнитострикцией, находят применение, например, при преобразовании электрических ультразвуковых колебаний в механические. Потери в магнитных материалах. Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с рассеянием энергии магнитного поля, что проявляется в нагревании материала. Потери в магнитном материале характеризуют удельными магнитными потерями Pуд (потерями, отнесенными к единице массы материала) или для материалов, работающих на высоких частотах – тангенсом угла магнитных потерь tgδМ. Удельные потери складываются из потерь на гистерезис (перемагничивание) Рг, вихревые токи Рf и на магнитное последствие Рмпд: Руд = Рг + Рf + Рмпд. Сумму двух последних слагаемых называют динамическими потерями. Потери на гистерезис зависят от индукции и частоты, и определяются эмпирическим выражением Р Г = К ⋅ В mn ⋅ f ⋅ V , где К – коэффициент, зависящий от материала; Вm – максимальная индукция, достигаемая в цикле, Тл; n = 1,6…2 – показатель степени, значение которого зависит от Вs; f – частота, Гц; V – объем или масса образца. Измеряют потери в (Вт/кг), они пропорциональны площади петли гистерезиса. Потери на вихревые токи определяются электрическими токами, которые индуцируются в магнитном материале внешним магнитным полем, и зависят от удельного электрического сопротивления материала ρ. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты магнитного поля, поэтому они очень быстро растут с повышением частоты. Из-за этого применение магнитных материалов с малыми ρ на повышенных и высоких частотах ограничено. Потери на вихревые 2 ⋅ f 2 ⋅ V , где К1 – коэффициент, токи определяют выражением Р f = К1 ⋅ Вmax зависящий от магнитного материала и формы сердечника магнитопровода. Потери на магнитное последствие Рмпд проявляются в очень слабых магнитных полях, и их при техническом использовании магнитных материалов обычно не выделяют в отдельную составляющую, а рассматривают в составе динамических потерь. Для работы в переменных магнитных полях используют материалы, имеющие узкую петлю гистерезиса, и малую коэрцитивную силу Нс. Для уменьшения потерь на вихревые токи в магнитных сердечниках увеличивают сопротивление протекающим вихревым токам. Делают это различными способами: легированием материала с целью повышения ρ; уменьшением толщины пластин и их изоляция друг от друга в магнитопроводах, работающих на промышленных и повышенных 126 частотах; размещение частиц порошкового магнитного материала в изолирующей связке (магнитодиэлектрики для работы на высоких частотах в радиотехнике). Необходимо отметить, что в справочниках приводятся магнитные характеристики и параметры материалов, полученные при испытаниях на стандартных образцах. Реальные образцы могут иметь отличающуюся от них форму, размеры, воздушные зазоры и другие отличия, поэтому у них будут другими некоторые магнитные параметры , в частности – потери. Поэтому в конкретных условиях необходимо определять важные магнитные параметры на реальных или приближенных к таковым образцах, изготовленных из конкретной партии магнитного материала. 11.3. Классификация магнитных материалов и их характеристика В зависимости от значений магнитных параметров, назначения и применения магнитные материалы можно классифицировать на следующие группы: магнитомягкие, магнитотвердые и специальные магнитные материалы (рисунок 52). Магнитомягкие материалы (МММ) намагничиваются в слабых полях (Н≤5·104 А/м), имеют большие значения магнитной проницаемости (µнач ~ 102…105; µmax ~ 103…106, малые потери на перемагничивание. Применяются для изготовления сердечников различных катушек, реле, дросселей, электромагнитов, трансформаторов, магнитных систем электрических машин постоянного и переменного тока. Магнитные материалы Магнитомягкие Магнитотвердые Специальные -материалы для постоянных магнитных полей; -материалы для полей низкой частоты; -материалы для работы в слабых полях; -материалы для полей высокой частоты; -ферриты магнитомягкие; -аморфные -сплавы системы Al – Ni – Co; -пластически деформируемые; -на основе благородных металлов; -на основе редкоземельных элементов; -сплавы из порошков; -ферриты МТ -с прямоугольной петлей гистерезиса; -магнитострикционные; -термомагнитные; -магнитные пленки Рис. 52. Классификация магнитных материалов 127 Магнитотвердые материалы (МТМ) намагничиваются в сильных магнитных полях (Н > 1000 кА/м), имеют большие потери при перемагничивании, большую коэрцитивную силу (Нс до 560 кА/м), магнитную индукцию Вr ~ 0,1…2 Тл, удельную магнитную энергию до 70 кДж/м3. Используют МТМ для изготовления постоянных магнитов различной конфигурации. Специальные магнитные материалы (СММ) имеют какие-то особые магнитные свойства, что предопределяет их относительно узкое применение в каких-то специальных областях техники. Например, материалы с прямоугольной петлей гистерезиса – в вычислительной технике, цифровых устройствах; термомагнитные, имеющие нелинейную зависимость индукции от температуры – в качестве магнитных шунтов. СММ нами не рассматриваются, подробнее в литературе [1,5,8,9]. Магнитомягкие материалы МММ можно подразделить на следующие группы: технически чистое железо (включая низкоуглеродистые нелегированные стали); электротехнические стали; сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью; сплавы с большой индукцией насыщения; ферриты. В таблице 9 приведены параметры некоторые из применяемых магнитных МММ различных групп. Анализ значений параметров позволяет понять и различие свойств, и возможность применение материала в конкретных условиях, при заданных требованиях. К материалам, предназначенным для работы в постоянных магнитных полях или в полях с частотой 5…15Гц относят карбонильное, электролитическое, технически чистое железо, малоуглеродистые (С < 0,04 %) нелегированные электротехнические стали. Они обладают большой магнитной индукцией, относят их к группе материалов с высокой индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой, достаточно высокой магнитной проницаемостью (см. таблицу 9), имеют хорошие технологические свойства, и находят применение в различных устройствах для создания полей напряженностью Н от 100 до 5·104 А/м. Увеличение содержания примесей или углерода приводит к снижению магнитных свойств. Остаточные напряжения, возникающие в процессе изготовления проката, дислокации – все это также ухудшает магнитные свойства, но может быть восстановлено отжигом в вакууме или среде водорода. Недостатком материалов этой группы является низкое удельное сопротивление ρ, что приводит к увеличенным потерям на гистерезис, а, следовательно, и ограничивает их применение устройствами с постоянным магнитным полем: полюса электродвигателей постоянного тока, электромагниты. Они находят также применение при получении из них магнитных порошков, используемых для изготовления магнитодиэлектриков. Легирование малоуглеродистых сталей кремнием увеличивает их удельное сопротивление ρ. Такие стали называют электротехническими (ГОСТ 21427-75). С увеличением содержания кремния в стали на 1% ρ увеличивается, примерно, на 0,12 мкОм·м, но снижается пластичность, повышается твердость и хрупкость, что 128 ухудшает технологические свойства. Поэтому содержание кремния в электротехнических сталях не превышает 5%. Электротехнические стали имеют цифровую маркировку. Первая цифра в марке определяет вид проката и структуру: 1 – горячекатаная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотропная с кристаллографической текстурой направления [100]; вторая цифра – условное процентное содержание кремния (чем больше цифра, тем больше Si); третья – условное обозначение потерь при определенном значении индукции В и частоты f (например, третья цифра 1 означает, что удельные потери нормируются при В = 1,5 Тл и f = 50 Гц, и равны 5 Вт/кг. Обозначают Р1,5/50=5); четвертая цифра – тип стали, и уровень основной нормируемой характеристики: 1- нормальный, 2 – повышенный. Выпускается электротехническая сталь в виде листового проката толщиной от 0,05…0,15 до 0,5 мм. Электротехнические стали находят широкое применение в электротехнических устройствах, рассчитанных на работу при промышленной (f = 50Гц) и повышенной (50 < f < 400)Гц частотах, при напряженности поля Н<5·104 А/м (стали марок 2011, 2211) или Н > 100А/м на частоте f = 400Гц (стали марок 2311, 2411, 1311, 1411). Применение анизотропной электротехнической стали позволяет при прочих равных условиях снизить массу и габариты сердечников трансформаторов, дросселей и других устройств. Особо тонкая анизотропная электротехническая сталь толщиной 0,05…0,15 мм может применяться при частоте до f < 1000 Гц, но потери на этих частотах будут в 5…10 раз больше, чем при частоте f = 50 Гц, и могут составить ~ 25…30 Вт/кг (табл. 8). Для вращающихся магнитопроводов электродвигателей, генераторов и других машин анизотропия сталей является причиной дополнительных потерь, поэтому в них применяют изотропные стали с повышенным содержанием Si. К высококоэрцитивным сплавам относятся и сплавы на основе кобальта марок 27КХ, 49К2ФА, 50КФ2 и другие, имеющие значение индукции насыщения Вs ≤ 2,3Тл в полях с напряженностью Нs~8 кА/м. К МММ с высокой магнитной проницаемостью относятся пермаллои (система Fe-Ni) и альсиферы (система Al-Si-Fe). Они обеспечивают большие значения магнитной индукции в очень слабых магнитных полях (Н<100 А/м), и имеют большое значение начальной проницаемости µнач (см. табл. 8). 129 Таблица 8 Магнитные свойства МММ µmax×103 Нс, А/м Вs, Тл Материал, марки µн×102 Технически чистое железо Низкоуглеродист ые электротехническ ие стали (ГОСТ 3836-83), 10895; 20848 2…4 3…15 6…60 2,18…2,2 <0,1 − 3…5 50…100 1,3…2,05 <0,1 ρ, мкОм·м Примечание * Н от (500…104) кА/м Электротехнические стали горячекатаные изотропные, 1411,1511 холоднокатаные изотропные, 2011,2311 2…6 15…60 10…65 холоднокатаные анизотропные, 3411, 3416 1,5…1,9 0,14…0,4 1,6…2,0 0,14…0,5 1,75..1,9 0,4…0,6 Нs~(2,5…30) кА/м; Ρ1,5/50~(3,5… …6) Вт/кг Нs~(2,5…30) кА/м; Ρ1,5/50~(4… …10) Вт/кг Нs~2,5 кА/м; Ρ1,5/50~(1… …2,5) Вт/кг МММ других групп Кобальтовые сплавы типа 50КФ2 Низконикелевый пермаллой, 45H, 47HK Высоколегирован ный пермаллой, 80НХС, 79НМ Альсиферы Аморфные сплавы, АМАГ225 Пермендюр (Fe – Co) Ni-Zn, 400НН, 1000НН Mn-Zn: 4000НМ,1000НМ <140 2,2…2,3 0,2…0,4 15…40 15…500 5…32 1…1,6 0,5…0,9 70… …2000 100… …1000 0,2…0,6 0,6…1,0 0,55…0,8 340 22…100 117 120…750 1,8 0,6…8,0 1,0…1,8 0,7…1,6 0,8 1,25..1,8 11 4 160 2,5 0,18 Ферриты ММ общего назначения 1…20 0,8…3,5 0,44…0,27 10…30 1,8…3,5 0,35…0,38 Нs ~ 8кА/м 109…1 fкр<100 МГц, 012 при tgδM = 0,1 5 5×10 fкр<1 МГц, при tgδM.=.0,1 Маркировка ММ пермаллоев аналогична маркировке сталей, но дополнительно введены обозначения железа – Ж; рения – И; бериллия – Л; редкоземельных элементов – Ч. Марка сплава содержит число, указывающее 130 среднее содержание в процентах основного элемента (кроме Fe), и букву, обозначающую этот элемент. Массовые доли других легирующих элементов обычно не указывают, а приводят лишь их буквенное обозначение. Буква П в конце марки означает прямоугольность петли гистерезиса. Обозначение сплава: пермаллой 79НМ – содержит 79% Ni, легирован молибденом. Отклонение от стехиометрического состава компонентов изменяет магнитные свойства пермаллоев, содержание углерода и других примесей в них ограничено. В зависимости от способа выплавки получают пермаллои различного качества по магнитным свойствам: в открытых печах – нормальное качество; плавка в вакууме – повышенное; в вакуумных индукционных печах с последующим переплавом – высокое. Пермаллои хорошо обрабатываются давлением, пластичны. Магнитные свойства пермаллоев меняются (ухудшаются) под воздействием даже слабых механических напряжений. Например, падение с высоты один метр ухудшает магнитные параметры их в два раза. Поэтому после изготовления деталей из пермаллоя их подвергают термической обработке, а при сборке необходимо избегать ударов, сильного сдавливания их обмоткой при затяжке. Термическая обработка пермаллоев специфична и состоит из многоступенчатых режимов с разными скоростями охлаждения [1, 9, 10]. Путем обработки пермаллоя в магнитном поле достигают у сплавов 65НП и 79НМП прямоугольной петли гистерезиса. Сердечники, изготовленные из анизотропных лент толщиной 3 мкм, могут работать при частотах до 700 кГц, а при толщине 1,5 мкм – до 1 МГц. Из-за сложности и дороговизны тонких ленточных сердечников в настоящее время применяют другие методы создания пленок толщиной 1…10 мкм, используя методы напыления материала в вакууме на подложку из немагнитного материала. Для замены дорогостоящего пермаллоя разработаны сплавы на основе Fe – Si – −Al, альсиферы. Их магнитные характеристики близки к характеристикам пермаллоев, но они более дешевы. Недостатки альсиферов – высокая твердость, хрупкость, что исключает возможность обработки резанием. Изделия получают литьем или методами порошковой металлургии. Материалы с высокой магнитной проницаемостью в слабых полях используют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторах, дросселей, деталей магнитных цепей, сердечников импульсных трансформаторов, в устройствах связи для звуковых и высоких частот (~100 кГц), в магнитных усилителях. Альсиферы применяют для изготовления магнитных экранов, корпусов приборов и электрических машин. Порошки из альсифера используют для изготовления прессованных сердечников и магнитодиэлектриков. Аморфные металлические магнитные сплавы (АММС) получают в результате быстрой закалки расплава. В АММС сохраняется ближний порядок и упорядоченное расположение магнитных моментов. Ленты являются основным видом полуфабриката, из которого изготавливают детали и изделия методами гибки, навивки, штамповки. Высокие магнитные свойства АММС получают после термической обработки во внешнем магнитном поле. Большие значения ρ 131 уменьшают магнитные потери. АММС могут работать при повышенных частотах (до 1МГц). Их применяют в качестве материала для изготовления сердечников магнитных головок записи и воспроизведения звука, высокочастотных трансформаторов, магнитных усилителей, в датчиках, магнитострикционных вибраторах, измерительных трансформаторах тока и напряжения, электродвигателях с высоким КПД. Недостаток АММС – низкая температура точки Кюри: уже при температуре ~ 150…160°С в них начинаются процессы кристаллизации. В качестве материалов для работы при высоких и сверхвысоких частотах (до десятков, сотен МГц и более) используют магнитомягкие ферриты и магнитодиэлектрики. Ферриты представляют собой магнитную керамику, получаемую спеканием оксидов железа с оксидами других металлов. Широко применяются марганцевоцинковые (для частот до единиц МГц), и никель-цинковые (для частот до 100МГц) ферриты. Значения удельного сопротивления у ферритов – высокое и достигает ρ ~ 1011…1013Ом·м (как у полупроводников), что приводит к малым потерям. Магнитные свойства ниже, чем у металлических ферромагнетиков. Поэтому применять ферриты на низких частотах нецелесообразно, так как они имеют малые значения Вs < 0,4Тл, и Нс < 180А/м, температуру точки Кюри ~ 300°С. Применяются ферриты, как и магнитодиэлектрики, в устройствах, работающих в диапазоне радиочастот, для изготовления сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, магнитных антенн, статоров и роторов высокочастотных электрических моторов небольшой мощности, деталей отклоняющих систем телеаппаратуры. Ферриты хрупки, тверды, плохо обрабатываются. Магнитотвердые материалы Магнитотвердые материалы (МТМ), в отличие от МММ, имеют большие коэрцитивную силу (от 5 до 600кА/м) и площадь петли гистерезиса, большие потери при перемагничивании, высокие значения остаточной индукции Вr до 1,1 Тл. Намагничиваются в сильных полях при напряженности намагничивающего поля до Нs > 1000 кА/м. МТМ применяются для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей, которые во многих случаях получить выгоднее, чем электромагнитные поля (дешевле, в меньших габаритах, конструктивно проще). Свойства постоянного магнита определяются характером размагничивающей ветви петли гистерезиса, лежащей во II квадрате (рисунок 51). Чем больше Нс и Br, тем больше материал подходит для постоянного магнита. Но индукция в постоянном магните равна остаточной Br только в том случае, если нет размагничивающего поля. Постоянные магниты имеют рабочий воздушный зазор, на разомкнутых концах магнита возникают полюсы, которые и создают размагничивающее поле Нd, снижающее индукцию внутри магнита до Вd < Br (рис. 53). 132 Рис. 53. Кривые размагничивания (1) и магнитной энергии (2) в воздушном зазоре постоянного магнита Важной характеристикой МТМ является удельная магнитная энергия Wmax = Bd·Hd/2, где Bd и Hd – значения индукции Bd и напряженности Hd соответственно, определенных на кривой размагничивания. Размагничивание связано с теми же процессами, что и намагничивание: смещение границ доменов и вращением векторов намагничивания. Сохранение намагниченности МТМ после процесса намагничивания связано с химическим составом и структурным состоянием МТМ. Для большинства МТМ основным процессом при размагничивании является процесс вращения векторов намагничивания, который и определяет значения Нс, Вr, Wmax. Наибольшие значения этих параметров получают в МТМ, имеющих однодоменную неравновесную форму кристаллов с неферромагнитными включениями больших размеров, а также в большом количестве различного рода искажения в кристаллической решетки (структура перенасыщенного твердого раствора внедрения) и большие остаточные напряжения. Перечисленные условия затрудняют поворот векторов намагничивания, затрудняют размагничивание. МТМ для постоянных магнитов по способу получения подразделяют на литые, порошковые и деформируемые. Магнитные характеристики МТМ некоторых систем промышленных сплавов приведены в таблице 10. Исторически первыми МТМ были стали, закаленные на мартенсит, что и дало название материалу– магнитотвердые. Сейчас до 80% от всех используемых МТМ составляют сплавы на основе Fe – Ni – Al (альни), Fe – Ni – Al – Co (альнико), легированные различными добавками. Высококоэрцитивное состояние этих сплавов обуславливается механизмом дисперсионного твердения: при высоких температурах, до 1300°С, при закалке образуется, при неограниченном растворении компонентов, однофазная структура α–фаза. При медленном охлаждении до определенной температуры происходит распад равновесной αфазы на две фазы, α1 и α2, причем α1-фаза по составу близка к чистому Fe и 133 является сильномагнитной, а α2-фаза состоит из Al – Ni и является слабомагнитной, которая препятствует повороту магнитных моментов. Материалы с такой структурой имеют большие значения Нс. Магнитные свойства литых сплавов марок ЮНД, ЮНДК зависят от химического состава, термической, термомагнитной обработки (охлаждении сплава от высоких температур ~ 1200°С с наложением на образец сильного магнитного поля, при этом возникает магнитная текстура и сплав становится магнитоанизотропным). Для улучшения магнитных свойств в таких сплавах создают кристаллические текстуры путем направленной кристаллизации сплава – так называемая ориентированная столбчатая структура, которая обозначается в марке сплава буквой А. Магнитная энергия Wmax повышается при этом на 60…70% и достигает 40 кДж/м3. Кобальт улучшает магнитные свойства сплавов. Изделия получают из этих сплавов в основном методами литья. Сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому обработка резанием нецелесообразна, хотя возможна. Порошковые МТМ системы Fe – Ni – Al – Co позволяют изготавливать постоянные магниты, не требующие последующей обработки. Детали получают прессованием и последующим спеканием при t° ~ 1300°C в защитной атмосфере мелкодисперсных порошков компонентов сплава, дозированных в требуемом процентном соотношении. Магнитотвердые порошковые сплавы системы Al – Ni – Fe по магнитным свойствам несколько уступают литым той же системы. Магнитотвердые ферриты на основе оксидов бария и кобальта по магнитным свойствам уступают литым сплавам (таблица 10). Но они имеют большое удельное сопротивление ρ (относятся к диэлектрикам), поэтому могут использоваться в качестве постоянных магнитов в высокочастотных магнитных полях без потерь на вихревые токи. Обозначение магнитотвердых ферритов приведено в [1, 3,9]. Изготавливают постоянные магниты из феррита также методами порошковой металлургии: прессованием и спеканием. МТМ на основе редкоземельных металлов (самарий, неодим и другие) также получают из металлических порошков. Эти материалы имеют очень хорошие магнитные свойства. Для материалов на основе соединений неодим – железо – бор значение магнитной энергии достигает Wmax ~ 250…400 кДж/м3 за счет применения монокристаллических порошков с размерами, близкими к критическому размеру домена (~ 3…10мкм) [1,3,9]. Сплавы на основе железо – ниобий – бор имеют хорошие магнитные характеристики, в три раза дешевле самарий-кобальтовых сплавов. Их недостаток–малое значение рабочей точки Кюри, всего 80°C. Сплавы на основе пластичных металлов (Fe, Co, Cu) относятся к деформируемым МТМ, что позволяет изготавливать из них постоянные магниты методами штамповки, например, стрелки магнитных компасов. В качестве исходного материала используют тонкие ленты, проволоку. Магнитные свойства деформируемых МТМ приведены в таблице 10. Улучшение свойств достигают после термообработки, в результате которой получают мелкодисперсные ферромагнитные фазы в немагнитной основной фазе. При пластической 134 деформации в сплавах кунифе, викаллое, хромко возможно формирование кристаллографической текстуры, что дополнительно улучшает магнитные свойства. Сплавы на основе благородных металлов имеет высокие значения магнитных параметров (табл. 9), но применяются ограниченно из-за присутствия драгоценных металлов. Таблица 9 Магнитные характеристики МТМ промышленных сплавов Система сплава Wmax, кДж/м3 Нс, кА/м Вr, Тл Литейные сплавы системы Al – Ni – 3,8…30 40…110 0,5…1,02 Co (марок ЮНДЧ, ЮНДК18) Порошковые сплавы системы Al – 3…10 24…118 0,6…0,95 Ni – Co (марок ММК1, ММК7) Ферриты бариевые (6БИ240) 3…14 120…180 0,19…0,39 Ферриты кобальтовые (10КА165) 5…7 140…127 0,23…0,28 Самарий – кобальт (КС37) 55…65 540…560 0,77…0,82 Самарий – презиодим – кобальт 65…72 500…520 0,85…0,9 (КСП37) Деформируемые МТМ: -викаллой системы V – Co – Fe 8,8 28 0,6 (52К13Ф) -кунифе системы Cu – Ni – Fe 6,7 47 0,55 -платинакс системы Pt – Co (ПлК78) 40 320 0,80 Примечание: в скобках приведено обозначения сплава. В качестве МТМ с удовлетворительными магнитными свойствами используют низколегированные мартенситные стали после термообработки (закалки). Из них изготавливают постоянные магниты только в неответственных случаях. Вопросы для самоконтроля 1. 2. 3. 4. 5. Объясните причину магнетизма в ферро-и ферримагнетиках. Как классифицируются материалы по магнитным свойствам и назначению? Какие основные параметры характеризуют магнитные материалы? В чем проявляются потери, какие их основные виды в магнитных материалах? Что такое доменная структура и ее связь с намагничиванием магнитного материала? 6. Назовите основные группы МММ. Какие их свойства определяют применение в различных условиях? 7. В чем особенности свойств и применения магнитомягких ферритов? 8. Назовите, где применяются МММ различных групп и с чем это применение связано? 9. Какие важные характеристики, параметры и их значения имеют МТМ? 10. Какие материалы для постоянных магнитов используются в приборостроение? 135 Тема 12. Понятие о точности обработки и шероховатости поверхности Методические указания. При изучении темы необходимо получить общее представление о точности и шероховатости поверхности как о двух из многих показателях качества изготовления деталей, их обозначении на чертежах. К ключевым моментам следует отнести понимание понятий: квалитет, точность размера, допуск размера, параметры шероховатости Ra, Rz ,их обозначение на чертеже. Теоретические материалы Надежность работы машин и приборов зависит от качества их изготовления. В общем смысле под качеством понимают степень соответствия показателей изделия потребительским требованиям. Показателями качества деталей при изготовлении являются точность размеров, формы, взаимного расположения поверхностей, шероховатость обработанных (полученных) поверхностей, степень и глубина наклепа, наличие остаточных напряжений, твердость материала детали, физические параметры и другие. Наиболее применяемыми и существенными для характеристики качества обработки деталей являются точность размеров и шероховатость поверхности. Поэтому необходимо иметь представление о параметрах, определяющих эти понятия. 12.1. Точность размеров Под точностью обработки понимают степень соответствия размеров, формы, взаимного расположения, шероховатости поверхностей и других параметров изделий после их изготовления значениям, указанным в чертеже. Точность обработки при обеспечении размеров определяет разность действительного Адейст и номинального Аном размера, и называется погрешностью обработки ∆: ∆ = Адейст - Аном. За номинальный размер отверстия принят его наименьший размер, вала – наибольший его размер. Размеры, получаемые при обработке, должны лежать в заданном интервале размеров. Величина допустимого изменения размеров при обработке называется допуском размера, или допуск. Допуск обозначается буквой Т, и он равен разности наибольшего и наименьшего размеров годных деталей: Т = Аmax - Amin. Чем больше допуск размера Т, тем больше может быть разброс действительных размеров, и тем ниже точность обработки. С увеличением допуска размера обработка деталей становится проще и дешевле. Но увеличение допуска может 136 ухудшить эксплуатационные свойства детали и изделия, поэтому величина допуска должна быть оправдана как с экономической и технологической, так и с эксплуатационной стороны. При конструировании деталей, оценке качества их изготовления точность задают квалитетом точности, и обозначают IТ. (В некоторых случаях точность задают классом или степенью точности). Квалитетом точности называется ряд (совокупность) допусков, соответствующих одинаковой относительной точности обработки для всех номинальных размеров. Стандартами Единой системы допусков и посадок (ЕСДП) для размеров от 1 до 500 мм установлено 20 квалитетов точности, обозначаемых в порядке понижения точности 01, 0, 1, 2, 3, 4, 5,…16, 17, 18. Квалитеты с 5 до 12 (11) назначают на размеры сопрягаемых деталей, с 12 (11) до 17 – на неответственные размеры и размеры несопрягаемых поверхностей деталей. Значения допусков для разных квалитетов и различных размеров указаны в таблицах стандартов ЕСДП, ГОСТ 25346-89, ГОСТ 25347-82 и справочниках по допускам и посадкам. На рабочих чертежах точность размеров указывают обозначением номинального размера, допуска, номера квалитета и величины отклонения. Пример обозначения дан на рис. 54. Например, 25Js9/2 читается как половина допуска 9 квалитета точности. Для оценки точности методов обработки достаточно указать номер квалитета, например, JT8 – допуск размера по 8 квалитету. При оценке точности некоторых методов обработки, например, штамповки, иногда указывают абсолютную величину или диапазон значений, например, точность размеров контура детали ±(0,02…0,04) мм. Рис. 54. Фрагмент обозначения на чертеже допусков размеров и шероховатости поверхности 137 12.2. Шероховатость поверхности Шероховатость поверхности – совокупность микронеровностей обработанной поверхности с относительно малыми шагами. Она получается в результате взаимодействия инструмента с материалом детали, и в значительной мере определяется применяемым методом обработки. Шероховатость поверхности также характеризует качество поверхностного слоя детали, определяет скорость изменения посадок, коэффициенты трения в парах, износостойкость трущихся поверхностей и другие эксплуатационные показатели работы приборов. Шероховатость оценивают рядом параметров. Наиболее часто для оценки шероховатости используют параметры: среднего арифметического отклонения неровностей профиля Rа, и высота неровностей профиля по десяти точкам Rz. Числовое значение параметра определяет высоту микронеровностей отклонений профиля на определенной базовой длине. Значения параметров Ra и Rz задают и оценивают в микрометрах. Допустимые значения параметров шероховатости поверхностей деталей приборов указываются на чертежах условными обозначениями по ГОСТ 2789-73. Предпочтительным при обозначении шероховатости поверхностей является параметр Ra, причем обозначение его на чертеже не ставилось (см. рис. 54), а давалось только числовое значение. Параметр Rz обозначается с указанием символа и числового значения: например, Rz10. Соотношение параметров шероховатости Rz и Ra примерно равно четырем, то есть Rz10~Ra2,5. С 1 января 2005 г. вступили в действие изменения в ГОСТ 2789-73. Изменился знак изображения шероховатости – полка обязательна, место расположения параметров в знаке, стал обязателен символ параметра Ra. Пример обозначения шероховатости поверхности с учетом изменений дан на рисунке 1.54, слева от действовавшего обозначения. Для разных технологических методов обработки числовые значения параметра шероховатости Ra могут находиться в интервале размеров, мкм: черновая обработка резанием – 100…22,5; чистовая обработка – 6,3…0,4; отделочная и притирка – 0,2…0,012; холодная листовая штамповка – 320…0,32; различные способы литья – 1000…0,32; переработки пластмасс – 1,25…0,08. Вопросы для самоконтроля 1. 2. 3. 4. 5. 6. Что такое точность и чем она оценивается? Что такое квалитет точности? Как обозначается точность на чертежах? Шероховатость поверхности, параметры ее. Обозначение шероховатости на чертежах. На что влияют точность изготовления и шероховатость поверхности деталей? Привести примеры. 138 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основная учебная литература 1. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учебник для вузов. / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; под общей редакцией Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина – 4-е изд., стереотипн. – М.: Изд-тво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с. 2. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учебник для вузов. / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Изд-во Высшая школа, 2000. –637 с. 3. Колесов, С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для вузов. 1-ое или 2-ое издание. / С.Н. Колесов, И.С. Колесов– М.: Высшая школа, 2007. – 519 с. Дополнительная учебная литература 4. Соломахо, В.Л. Справочник конструктора-приборостроителя. Проектирование. Основные нормы / В.Л. Соломахо, Р.И. Томилин, Б.В. Цитович и др. – Минск: Высшая школа, 1988. – 272 с. 5. Электротехнические и конструкционные материалы. / gод общей редакцией В.А. Филикова. – М.: Изд-во Высшая школа, 2000. – 280 с. 6.Справочник конструктора и технолога. / cост. В.М. Михин, Б.Е. Кобызев и др. – Королев, ЦНИИ МАШ, 2000. – 582 с. 7. Алиев, И.И. Электротехнические материалы и изделия: cправочник. / И.И. Алиев – М.: Радиософт, 2005. – 352 с. 8. Арзамасов, Б.Н. Конструкционные материалы: cправочник. / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.: под общей редакцией Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990. – 688 с. 9. Справочник по электротехническим материалам. В 3-х томах. / под редакцией Ю.В. Корицкого и др. 3-е издание. – М.: Энергоатомиздат, 1988. 10. Соломахо, В.Л. Справочник конструктора-приборостроителя. Детали и механизмы приборов. / В.Л. Соломахо, Р.И. Томилин, Б.В. Цитович и др. – Минск: Высшая школа, 1990. – 440 с. 139 Список сокращений и условных обозначений ГП – гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка ГЦК – гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка КМ – композиционные материалы МММ – магнитомягкие материалы МТМ – магнитотвердые материалы ОЦК – объемно-центрированная кубическая кристаллическая решетка ТКЛР, ТКα – температурный коэффициент линейного расширения ТО – термообработка ТЭДС – термоэдс ХТО – химико-термическая обработка ЭРЭ – электрорадиоэлементы σв – временное сопротивление при растяжении σ0,2 – предел текучести условный σТ – предел текучести физический σпц – предел пропорциональности σ0,005 – условный предел упругости с допуском на остаточную деформацию 0,005% σв/ρq – удельная прочность σ – удельная электрическая проводимость ρq – плотность материала ρs – удельное поверхностное электрическое сопротивление δ – относительное удлинение при растяжении Ψ – относительное сужение при разрыве ε – относительная диэлектрическая проницаемость Есж, Е – модуль упругости при сжатии и продольной упругости соответственно Rz – высота микронеровностей профиля по десяти точкам Rа – среднее арифметическое отклонение профиля НRC – твердость по Роквеллу (шкала С) НВ – твердость по Бринеллю HV – твердость по Виккерсу λ – коэффициент теплопроводности RV – электрическое объемное сопротивление RS – электрическое поверхностное сопротивление ρV – удельное электрическое сопротивление объемное μ – относительная магнитная проницаемость В – магнитная индукция Вr – остаточная магнитная индукция НС – коэрцитивная сила tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь ТКρ, αρ – температурный коэффициент удельного электрического сопротивления W – удельная магнитная энергия Епр – электрическая прочность t – температура МС – микросхема ТКε – температурный коэффициент диэлектрической проницаемости 140 ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................................................... 3 Тема 1. Основные понятия .................................................................................................................... 5 3.1.Общие понятия и определения ....................................................................................................... 5 3.2. Классификация материалов.......................................................................................................... 6 3.3. Требования к материалам при их выборе ................................................................................... 7 Тема 2. Строение металлов ................................................................................................................. 10 3.1. Кристаллические и аморфные тела ........................................................................................... 10 3.2. Строение чистых металлов......................................................................................................... 11 3.3. Кристаллографические направления и индексы ...................................................................... 12 3.4. Влияние типа химической связи на структуру и свойства кристаллов. Типы кристаллов . 14 3.5. Дефекты кристаллического строения........................................................................................ 16 3.6. Дислокационный механизм пластической деформации ......................................................... 20 Тема 3. Строение сплавов. Диаграммы состояния............................................................................ 23 3.1. Строение сплавов ........................................................................................................................ 23 3.2. Диаграммы состояния двойных сплавов .................................................................................. 25 Тема 4. Строение неметаллических материалов ............................................................................... 30 4.1. Строение полимеров ................................................................................................................... 30 4.2. Строение стекол .......................................................................................................................... 34 4.3. Строение керамики ..................................................................................................................... 35 4.4. Композиционные материалы ..................................................................................................... 36 Тема 5. Свойства материалов и их определение ............................................................................... 38 5.1. Классификация свойств материалов, их общая характеристика ............................................ 39 5.2. Механические (прочностные) свойства материалов ............................................................... 41 5.3. Твердость материала................................................................................................................... 44 5.4. Теплофизические свойства......................................................................................................... 46 5.5. Изменение свойств материалов ................................................................................................. 48 Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка .................................................................. 51 6.1. Диффузия ..................................................................................................................................... 51 6.2. Термическая обработка............................................................................................................... 52 6.3. Химико-термическая обработка ................................................................................................ 56 Тема 7. Металлические конструкционные материалы ..................................................................... 58 7.1. Сплавы железа с углеродом ....................................................................................................... 58 7.2. Цветные металлы и сплавы ........................................................................................................ 68 Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы ................................................................. 81 8.1. Термопластичные и термореактивные пластмассы................................................................. 81 8.2. Керамика, стекла, ситаллы ......................................................................................................... 84 Тема 9. Электротехнические материалы............................................................................................ 86 9.1. Энергетические зоны твердого тела.......................................................................................... 87 9.2. Проводниковые материалы ........................................................................................................ 88 9.3. Полупроводниковые материалы................................................................................................ 97 Тема 10. Дизлектрические материалы ............................................................................................. 100 10.1. Классификация и основные свойства диэлектриков ............................................................. 100 10.2. Поляризация диэлектриков и ее виды..................................................................................... 101 10.3. Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности ......................................... 107 10.4. Диэлектрические потери .......................................................................................................... 111 10.5. Электрическая прочность диэлектриков................................................................................. 115 10.6. Нагревостойкость диэлектриков.............................................................................................. 116 Тема 11. Магнитные материалы ...................................................................................................... 118 11.1. Общие положения ..................................................................................................................... 118 141 11.2. Основные свойства и параметры магнитных материалов..................................................... 121 11.3. Классификация магнитных материалов и их характеристика .............................................. 127 Тема 12. Понятие о точности обработки и шероховатости поверхности..................................... 136 12.1. Точность размеров .................................................................................................................... 136 12.2. Шероховатость поверхности.................................................................................................... 138 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................................................................... 139 142
