Конспект лекций по материаловедению (стр. 2 из 4)

Медленние развитие трещины под нагрузкой L может продолжаться часы, дни и доже годы в зависимости от отношения L/L₀ . Это развитие завершиться катастрофическим разрушение те разделением объекта магистральной трещиной. Условие этого разрушения определено Гриффитсом-Ирвиным, как

, где s - напряжение

a – длина трещины

Y – коэфициент, учитывающий форму дефекта, а так же соотношение его разрмеров и размеров тела.

K – коэфициент интенсивности напряжений. K_c критическое значение K для данного материала (характеризует сопротивление материала, трещиностойкость, часто называется вязкостью разрушения)

Как ясно из условия Гриффитса предел прочности

те тем меньше, чем больше размер имеющегося в теле дефекта. С уменьшением размера тела уменьшается и максимальный рамер опасного жефекта, а значение s_пр возрастает. Этот эффект получил название масштабного фактора и широко используется для создания высокопрочных материалов. Если из массы, используемой для пиготовления оконного стекла вытянуть нити d=1мм и соткать из них стекло – ткань, а затем склеить ее слои, то предел прочности такого материала увеличивается в 20 раз.

Для быстрой оценки предела прочности без разрушения часто используют пробу на твердость.

Твердость – это способность материала противостоять проникновению в него другого тела. Твердость определяется методом царапания или методом вдавливаия каменного шарика (твердость которого повышена термообработкой). В инжинерной практике используют пробу Бренеля, вдавливая в поверхность каменный шарик. Твердость по Бринелю HB=F/S F – максимальное значение приложенной нагрузки, S – площадь сферической поверхности отпечатка.

Термостойкость – стойкость термических удатов те срапроивление разрушению при быстрой смене температур.

Ее оценивают по числу термоциклов, необходимых ля разрушения образца.

Химическая стойкость – стойкость против коррозии (разьедание, разрушение под действием среды). Характеризуют либо массой вещества, притерпевающей химическое изменение за какое – либо время, либо измением других свойств. Иногда выделяют стойкость против биологического воздействия те сопротивление разрушению микроорганизмами.

Глава 2

Конструкционные материалы

§1 Характеристика основных классов.

Отличительной особенностьюновых направлений техники является интенсификация рабочих процессов, что связано с ростом рабочих t и давления, ускорением электрических превращений. В связи с эим конструкционные материалыдолжны обладать механической прочностью, огнеупорностью, хим и терм стойкостью.

Материалы, обладающие при высокой t сверхпроводниковыми, диэлектрическими и оптическимии свойствами называются конструкционными.

В настоящее время выделяют 4 осноных класса кострукционных материалов:

· Металлы и их сплавы

· Материалы на основе полимеров

· Камни(природные), искуственные в тч керамика, стекло

· Композиты этих материалов

Для материалов и сплавов характерны пластичность и электропроводность, хорошая механическая прочность, но низкая химическая стойкость (легко окисляются при нагревании и плавяться или испаряются)

Основным достоинством полимеров и материалов является химическая стойкость, легкость, сравнительная дешевизна, электроизоляционные свойства. Пласмассы могут быть получены в виде тонких нитей и пленок, однако легко разрушаются при нагревании и имеют относительно низкую прчность.

В электрической технике используют как природные камни(мрамор для электрощитов), так и искуственные: бетон(крупно и мелко зернистый), керамику, стекло.

Бетон используют для массивных элементов конструкций (опор ЛЭК), мелкозернистый бетон исползуют в частности для крепления электроизоляторов стержневых и подвесных.

Керамика - неорганический материал, полученный консолидацией неметаллических частиц. Их консолидацию можно достичь либо стеканием (обжигом), либо минеральными вяжущими веществами, например цементом(с учетом этого определения бетон можно рассматривать, как безобжиговую керамику).

Неорганическое стекло – это гомогенная масса, полученная при столь быстром охлаждении расплава минералов, что не успевают образоваться центры кристаллизации. Промежуточное положение м/у стеклом и керамикой – стеклокерамика(ситаллы), в которой успевают образоваться отдельные центры кристаллизации. Стеклокераммические материалы отличаются от некоторых стекол более высокой ударопрочностью, твердостью, огнеупорностью.

§2 Сплавы, диаграммы состояния двухкомпонентного сплава.

Как конструкционный материал металлы в чистом виде почти не используют. Материалы и сплавы принято делить на черные и цветные.

Черные - железо, никель, хром, марганей и их сплавы: сталь, чугун.

Цветные – медь, свинец, цинк, алюминий олово и их сплавы: бронза, латунь, алюминиевые сплавы и тд

Сплав – вещество, полученное сплавление двух иди более элементов, которые называют компонентами.

Фаза – однородая по химическому составу и структуре часть сплава. А и В их химическое соединение, жидкий или твердый раствор А в В или В в А.

Твердый раствор образуется при проникновении атомов одного компонента в кристаллическую речетку другого, называемого растворителем.

Диаграмма состояния – график, отражающий зависимость фазового состава от температури и концентрации компонентов. Температуру указывают по оси ординат, концентраци по оси абцисс

При охлаждении чистого металла, как и при охлаждении воды на графике изменения T во времени (рис 2)

Горизонтальный участок, обусловленный кристаллизацией при T_{плавления} (1 и 6 кривые). При охлаждении сплава првые кристаллы появляются при температуре…

Здесь ACD - линия начала кристаллизации сплавов (линия ликвидус); AECF - линия окончания кристаллизации сплавов (линия солидус), PSK- линия перлитного или эвтектоидного превращения (соответствует температуре перестройки решетки при охлаждении А, содержащего 0,8 % С); GS - линия превращения А в Ф при охлаждении (зависимость температуры перестройки кристаллической решетки от концентрации С в А); SЕ - линия предельной растворимости С в А (зависимость растворимости С в Fe от температуры).

§3 Классификация электротехнических метериалов.

ЭТМ – материалы, исполуемые в электротехнике, в частности в электронной и радио технике.

Их классифицирут по поведению с электрическом иди магнитном поле.

3.1 Классификация ЭТМ по поведению в магнитном поле.

Клоссификация ЭТМ по поведеню магнитном поле ведут по значению относительной магнитной проницаемости

, где В – магнитная индукция

Н- напряженность магнитного поля

m₀ – магнитная постоянная

Слабомагнитные материалы (m»1):

1. Диамагнетики

2. Парамагенитки

3. Антиферромагнетики

Диамагнетики – вещества с m<1, которые не зависит от напряженности магнитного поля. Зависимомть m от T слабая. Внешним проявление диамагнетика является выталкивание его из неоднородного магнитного поля.К диамагеникам относяться медь, серебро, цинк, золото, водород и инертные газы. Для Сu m=0,999995

Парамагнетики – вещества с m³1, которое не зависит от напряженности магнитного поля. Зависимомть m от T сильная. К ним относяться платинум, алюминий, кислород, воздух(m=1,000003) , оксид азота и тд

Антиферромагнетики - вещества с m³1, и сильно зависящие от напряженности магнитного поля. Зависимомть m от T сильная. При нагревании антиферромагнетики фазовый переход в парамагнитные состояния. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца, оксидов редкоземельных элементов (элементы с номерами 57-71)

В диамагнетке внешнее магнитное поле ослабляется, а в парамагнетике и антиферромагнетике усиливается магнитными моментами атомов.

Магнитный момент атомов - образуется геометрически из магнитных моментов всех его электронов.

Магнитный момент электрона состоит из мангитных моментов, обусловленных вращением вокруг ядра и вокруг собственной оси. Первый из них называется орбитальным, а второй спиновым магнитным моментом.

Сильномагнитные материалы m>>1 или магеники – вещества m которых в большей степени зависит от напряженности магнитного поля и температуры. В кристаллах магнетика существуют области (домены) и в домене магнитные моменты атомов параллельныдруг другу и создают магнитный момент домена .

При отсутствии внешнего магнитного поля домены магнитных моментов отдельных атомов различны при наложении внешнего магнитного поля происходит постепенный рост числа доменов, намагниченность которых совпадает с внешним полем или близка к направлению внешнего поля. Когда все магнитные моменты доменов сорентированы по полю, то наступает магнитное насыщение .

По удельному сопротивлению магнетикиделят на

1. Ферромагнетики (железо, никель, кобальт и их сплавы)

2. Ферримагеники (ферриты r>r_Fe d 10⁶-10¹¹ раз)

Феррит – это соединение оксида железа с оксидом другого метеалла (ВаО*6Fe₂O₃ – барриевый феррит)

Достоинства ферритов : У них из-за высокого r потери на вихревые токи в высокочастотных электромагнитных полях(10⁸ Гц) малы.

Первые ферриты появились в конце 70-х. Зависимость магнитной индукции В от напряженности Н при цикличном намагничивании образует петлю.

Петля Гистерезиса: