По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные, по применению – на конструкционные и инструментальные.

По качеству углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Маркировка сталей обыкновенного качества

А сп

Б Ст. 0…6 пс

В кп

А – сталь с регламентом по механическим свойствам (твердость, прочность и т.п.).

Б – сталь с регламентом по химическому составу.

В – сталь с регламентом, как по механическим свойствам, так и по химическому составу.

0...6 – порядковый номер стали (находится по справочнику сталей).

Для удаления неметаллических включений (окислов, газов и пр.) из стали при ее выплавке выполняют так называемое “раскисление”. Для этого в жидкую сталь добавляют шихту. При этом в жидкой стали образуются соединения, всплывающие на поверхность и создающие эффект “кипения”. Затем они удаляются механически, и сталь становится чище и качественнее.

В зависимости от степени раскисления стали, различают как:

сп – спокойная;

пс – полуспокойная;

кп – кипящая.

Например:

А Ст.3 кп. (Обычно буква А не пишется)

Б Ст. 3кп

Маркировка инструментальных сталей

У7………..У16

0,7% - 1,6% углерода

Маркировка конструкционных сталей

Сталь 10………..Сталь 70

0,1%……….0,7% углерода

Маркировка легированных сталей

В легированных сталях русская буква означает компонент: без указания цифры – до 1%, с указанием цифры – его среднее значение в сплаве.

А – азот Е – селен Р – бор

Б - ниобий К – кобальт С - кремний

В – вольфрам М – молибден Т - титан

Г – марганец Н – никель Ф – ванадий

Д – медь П – фосфор Х – хром

Ч – редкоземельные элементы Ю – алюминий

Примеры:

Конструкционная сталь 18Х2Н4ВА имеет химический состав: 0,18% C, ~2% Cr, ~4 % Ni, ~1% W. Буква А означает, что это – сталь более качественная по содержанию серы и фосфора (S_i, P- вредные для сталей элементы, выводимые при выплавке стали).

Инструментальная сталь 4ХВ2С имеет химический состав: 0,4% - С, ~1% Cr, ~2% W, ~1%Si.

11. Классификация, маркировка и практическое применение чугунов.

Чугуны

По отношению к перлиту (эвтектоиду) – стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Сплавы железа и углерода с содержанием последнего более 2,14% - называется чугунами.

Ледебурит – (эвтектика) – это механическая смесь перлита и цементита первичная до А₁, и смесь аустенита и цементита первичного выше А₁.

По отношению к эвтектике чугуны делятся на доэвтектические, заэвтектические и эвтектические.

По наличию графита (углерода в чистом виде) чугуны подразделяются на белые и серые по цвету излома.

По форме графита чугуны различают: с пластинчатым, хлопьевидным и шаровидным графитом.

Размеры в графитовых включениях в серых чугунах зависят от нескольких факторов:

1. количество углерода в самом чугуне;

2. скорость охлаждения при выплавке.

Наличие и количество дополнительных центров кристаллизации

Для сочетания конструктивной прочности детали работающей на износ с высокой износостойкостью поверхности используют операцию отбеливания, которая осуществляется нагревом поверхности выше температур фазовых превращений каким-либо источником нагрева (индукционным, лазерным или электронными лучами, пламенем газовой горелки).

Маркировка серых чугунов

По виду металлической основы чугуны подразделяются на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные.

Серый, а также высокопрочный чугун разделяются на марки в зависимости от значений механических свойств. Серый чугун маркируется буквами СЧ (серый чугун) и двумя цифрами, которые показывают минимальное значение предела прочности чугуна на растяжение.

Например: СЧ 25 – серый чугун с пределом прочности при растяжении σ_в.раст=25 МПа (кгс/мм²).

ВЧ – высокопрочный чугун.

Ковкий чугун – это чугун с хлопьевидным графитом, который получается из белого чугуна в результате специального графитизирующего отжига.

Ковкий чугун маркируется следующим образом:

КЧ означает ковкий чугун. Затем ставят число, показывающее σ_в, и число, показывающее .

Например: КЧ30-6, т.е. σ_в (не менее) 30 МПа (кгс/мм²),  (не менее) 6%.

12. Основные виды термической обработки материалов.

Закалка – это основной способ упрочнения металлических сплавов, заключающийся в нагреве сплава выше температур фазовых превращений (на 30 – 50⁰), выдержки при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью выше критической.

В результате закалки в структуре стали образуется или чистый мартенсит для доэвтектоидных сталей или мартенсит с цементитом для заэвтектоидных сталей.

М – мартенсит – это закалочная структура или твердый пересыщенный раствор углерода в  - железе. Твердость мартенсита по методике Бринелля НВ = 640.

Неполная закалка

Для неполной закалки осуществляют нагрев стали до температуры на 30⁰ – 50⁰С выше линии PS (720⁰), при этом структура феррит-аустенит. После закалки аустенит превращается в мартенсит с твердостью до 640 НВ, а феррит остается ферритом с твердостью (80 НВ).

Полная закалка

Для полной закалки сталь нагревают до аустенитного состояния. После закалки образуется структура чистого мартенсита с твердостью до 640 НВ (в зависимости от содержания в стали углерода).

Для заэвтектоидных сталей для получения твердости больше, чем у мартенсита, необходимо наличие цементита, имеющего твердость 800 НВ.

Поэтому под закалку нагревают эти стали до температуры 760⁰С.

Основные виды закалочных сред

Для снятия внутренних напряжений после закалки существует термическая операция отпуск:

1. низкий - с нагревом стали до 220⁰С, выдержанной при этой температуре и медленном охлаждении;

2. средний - с нагревом стали до 400⁰ – 450⁰ (происходит частичный распад мартенсита со снижением твердости);

3. высокий - с нагревом стали до 650⁰ - 680⁰С (при этом происходит полный распад мартенсита с возвращением исходной структуры и твердости).

13. Цветные металлы и их сплавы: медь, алюминий, никель. Маркировка, свойства, практическое применение.

Медь, как золото и серебро, встречается в самородном виде и поэтому в древности человек, который еще не знал металлургии, уже мог находить и применять медь. В настоящее время медь производят металлургическим способом, отделением ее от кислорода и серы.

Несмотря на то, что содержание меди в земной коре невелико (0,01 %), она не рассеянный металл и концентрируется в медных рудах, где содержание ее порядка 5 %.

Одно из основных свойств меди - электропроводность. Все примеси понижают электропроводность меди, как это следует из рис.7.1. Поэтому в качестве электротехнической меди применяют металл высших сортов с содержанием не менее 99,9 % Cu. Вреднейшими примесями меди является висмут и свинец. Эти элементы почти не растворимы в меди и образуют легкоплавкие эвтектики.

Кристаллизация сплавов меди с висмутом и свинцом фактически заканчивается при температурах плавления этих металлов (соответственно при 270 и 327^о С), а структура сплава состоит из ранее выделившихся кристаллов меди, вокруг которых расположены в виде оболочек висмут и свинец.Из-за этого нагрев сплава выше температуры плавления этих металлов сопровождается нарушением связи между первичными кристаллами меди (красноломкость). Прокатка такого сплава невозможна. Уже тысячные доли процента висмута вызывают красноломкость меди; свинец вызывает красноломкость при наличии его в сотых долях процента.

Сера и кислород тоже нерастворимы в меди, но она образует с кислородом и серой эвтектики, богатые медью, которые плавятся соответственно при 1065 и 1067^о С, т.е. выше температур горячей обработки меди. Поэтому ни кислород, ни сера не вызывают красноломкости.

Медь, содержащая кислород, подвержена при нагреве так называемой "водородной болезни". Если нагревать медь в среде, содержащей водород, то пары воды при этом, создавая высокое давление, образуют в несплошностях металла разрывы и трещины.

Свойства меди. Сравнительный анализ с золотом и серебром.

По свойствам медь близка к серебру и золоту. Последние на воздухе не окисляются и поэтому называются благородными металлами; медь окисляется слабо, поэтому ее называют полублагородным металлом.

Чистая медь имеет ряд ценных технических свойств. Высокая пластичность, высокая электро- и теплопроводность, малая окисляемость - все это обусловило широкое применение меди. Кроме того, медь является основой важнейших сплавов - латуней и бронз.

Физические свойства

Cu Ag Au

Плотность при 200⁰С, г/см³ 8,9 10,5 19,3

Температура плавления, ^oC 1083 961 1064

Температура кипения, ^oC 2595 2530 2212

Коэффициент линейного расширения ^.10 ⁶ 16,5 14,2 9,7

Удельное электросопротивление, Омсм 10^–4 1,7 1,5 2,1

Медь является важнейшим материалом из проводниковых, по электропроводности лишь незначительно уступая серебру. Поэтому примерно половину всей меди потребляет электротехническая промышленность для изготовления разнообразных проводников: монтажных и обмоточных проводов, токопроводящих деталей приборов и аппаратов и т.д. Широкое применение медь находит и в электровакуумной технике.

Вследствие недостаточной прочности технически чистую медь в качестве конструкционного материала применяют редко. Поэтому в качестве проводникового материала используют электролитическую медь марок М1 (99,9%), M0 (99,95%) и особо чистую медь M00 (99,99%).

Как уже говорилось, все примеси уменьшают электропроводность меди. Наклеп тоже понижает электропроводность. Поэтому, если провода не должны быть особо прочными, то применяют отожженную медь (маркировка ММ). Для подвесных проводов, где требуется прочность, применяют нагартованную медь (маркировка МГ).

Медь и многие ее сплавы стойки против атмосферной коррозии. Широкое распространение в промышленности имеют сплавы меди с другими элементами - латуни и бронзы.

Свойства алюминия

Из всех легких металлов алюминий имеет наибольшее значение из-за высокого объема производства и невысокой стоимости.

Алюминий относят к легким металлам, т.к. его плотность менее 3 г/см³.

Основные его физические свойства следующие:

1) коэффициент линейного расширения при 25^о С 24,4^.10^-6

2) удельная теплопроводность при 20^о С (Вт/(м^.К)) 225

3) Удельное электросопротивление при 20^о С, Омсм 2,8^.10⁶

4) Температура плавления, ^оС 660

5) Температура кипения, ^оС 2327

6) Твердость HB 150

Впервые об этом металле, который входит в состав глины, высказался английский ученый Дэви в 1808 г. Он и дал ему название алюминий. В России в XIX в. он назывался глинием.

Наиболее характерные свойства чистого алюминия:

1) наименьшая по сравнению с железом, плотность g = 2,7 г/см³, в связи, с чем алюминий и его сплавы широко применяют там, где важное значение имеют малая плотность и большая удельная прочность (σ_в/g).

2) низкая температура плавления (660^оС), благодаря чему технология обработки Al резко отличается от технологии обработки стали.

3) высокая пластичность;

4) малая прочность.

Al кристаллизуется в гранецентрированной решетке. Он не имеет аллотропических модификаций, обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью и очень высокой скрытой теплотой плавления.

Al имеет большое сродство с кислородом. Но, не смотря на это, он подвергается коррозии на воздухе и в некоторых других средах весьма слабо из-за образования плотной пленки Al₂О₃, которая защищает металл от коррозии. Чем чище Al и чем больше он свободен от различных примесей, тем выше его коррозионная устойчивость.

Применять Al как конструкционный материал из-за низкой прочности нецелесообразно. Однако, такие его свойства как высокая пластичность, коррозионная стойкость и электропроводность позволяют эффективно его использовать для других целей. Таким образом имеются три направления применения технического Al:

1) высокая пластичность позволяет производить из Al грубую штамповку и прокатку до тонкой толщины (алюминиевая фольга и др.)

2) высокая электропроводность (65% от Cu) позволяет применять Al для электротехнических цепей (проводниковый металл). Провод из Al равной электропроводности легче, чем из меди.

3) высокая коррозионная стойкость позволяет применять Al как устойчивый металл в органических кислотах (отсюда и широкое применение Al в быту, для транспортировки и хранения продуктов питания). В неорганических кислотах Al устойчив только при их низкой концентрации.

Наиболее чистый алюминий – 99,999%

Маркировка: A999, A995, A99, A95, A85, A8, A7, A5, A0

Никель и его сплавы

Никель кристаллизуется в кубической системе, имеет гранецентрированную решетку, плавится при 1455°C, а при 360°C испытывает магнитное превращение.

Плотность – 8,93 г/см³

HV – 200–400

Основными характерными свойствами никеля являются его большая химическая стойкость, ферромагнитность, тугоплавкость и высокая прочность, сочетающаяся с большой пластичностью.

Эти ценные свойства никеля проявляются и в его важнейших сплавах. С очень многими элементами никель дает двойные и тройные твердые растворы на всем протяжении или в значительной части концентраций. Эти твердые растворы обладают ценными механическими и физическими свойствами. Среди кислотостойких и жаростойких сплавов никелю принадлежит основное место.

Основные свойства Ni–сплавов:

1. Высокая химическая стойкость в агрессивных средах, высокая жаростойкость.

2. Немагнитность.

3. Высокая пластичность от минусовых температур до 1200^oC.

4. значения _в, HВ и электрического сопротивления в 1,5–2 раза выше, чем у стали 12Х18Н10Т.

5. коэффициент линейного растяжения и l в 1,5 - 2 раза выше, чем у коррозионных сплавов на основе железа.

6. Высокая обрабатываемость механическими способами.

7. Хорошая свариваемость.

Большинство электротехнических сплавов для нагревательных и измерительных приборов содержит никель в качестве одной из важнейших составляющих. Целый ряд сплавов со специфическими свойствами, как, например, сплавы, не изменяющие объема при нагревании, приобретают эти свойства благодаря никелю. Значительное количество высококачественных черных и цветные сплавов содержит никель. Сюда относятся: специальные никелевые и хромоникелевые стали, аустенитные чугуны, специаль­ные латуни и бронзы.

Ниже рассматриваются строение и свойства самого никеля и тех его сплавов, в которых никель является основой (монель-металл, нихромы), а также строение и свойства электротехнических сплавов для нагревательных приборов, реостатов и измерительных аппаратов, во многих из которых никель является одним из основных ком­понентов.

Наиболее чистый сорт никеля - электролитический никель. Однако в процессе приготовления высококачественных сплавов электролитический никель зарекомендовал себя хуже, чем никель (дробь), полученный через карбонит никеля. Вероятно, это объясняется тем, что в электролитическом никеле имеется значи­тельное количество водорода, не удаляющегося полностью даже при переплавке. Из других сортов никеля надо отметить как наиболее чистый сорт карбонильный никель.

Свойства никеля существенно зависят от содержания в нем C, S, P, O₂ и др.

Постоянные примеси:

1. C=0–0,3%; 2. Fe=0–0,7%; 3. Co=0,1–1,0%;

4. S=0–0,01%; 5. Si=0–0,2%; 6. Cu=0,06%.

Обычными примесями в никеле являются углерод (от 0 до 0,3%), железо (от 0 до 0,7%), кобальт (от десятых долей процента до 1,0%), сера (от 0 до сотых долей процента), кремний (от 0 до 0,2%.) и медь (от 0 до 0,6%). Следует иметь в виду, что при переплавках количество углерода, а иногда и железа, кремния и серы может повыситься.

Те количества кобальта, железа, меди и кремния, которые могут присутствовать в никеле, всегда находятся в твердом растворе и потому не могут оказать вредного влияния на свойства никеля.

Углерод до 0,3% также находится в растворе, но при боль­ших количествах может выделиться в форме графита. Графит в никеле, так же как и в железных сплавах, делает прокатку за­труднительной, а при большом содержании и невозможной. К сожалению, диаграмма состояния никель — углерод до сих пор известна недостаточно хорошо (рис. 9.1).

Сплавы никеля

Классификация Ni – сплавов:

1) конструкционные (высоко –, средне –, и низколегированные);

2) электротехнические (термо-э.д.с., электрическое сопротивление);

3) жаростойкие (алюмель, хромель Х23Ю5, фехраль, NiAl, Ni₃Al. Нихром-Х20Н80 имеет максимальную температуру 1125⁰С при толщине 1 мм. Для удешевления нихромов используют ферронихром. Применение: термопары, резисторы, терморезисторы, нагреватели).

4) жаропрочные - нимоники работают при 550–1100^oC. Основа - Ni (более 30-50%).

Структура - Ni₃(Ti,Al), Ni₃Al;

5) с особыми физическими и химическими свойствами:

- магнитно-мягкие (Ni-Fe) - для изготовления якорей и полюсов электрических машин, магнитопроводов, для силовых трансформаторов. Основное требование – высокая магнитная проницаемость.

- пермаллои - сплавы с высоким значением индукции в слабых магнитных полях (Ni-Fe, где до 80% Ni). Для повышения удельного электросопротивления и магнитной проницаемости часто легируют Ni, Cr, Cu. Изготавливают из чистейшего железа и никеля вакуумным переплавом.

- монель–металл – сплав никеля с медью.

Ni=67–69%, Cu=28%, Fe=1,5–2,5%, Mn=1–2%.

Высокая прочность в сочетании с высокой пластичностью, высокой коррозионной стойкостью – химическое аппаратостроение.

Мельхиор и нейзильбер - китайское серебро (Ni-Zn-Cu) – электрические контакты и ювелирные изделия.

Ni до 35%, Zn до 45% – однородный твердый раствор – высокая пластичность. Чаще всего Ni=15%, Zn=20%.

- Сплавы Fe-Ni с заданным коэффициентом линейного расширения (приборостроение: метрология, геодезия) в диапазоне температур +100…-100 ⁰С Инвар (36Н). Для впайки в молибденовые стекла – Ковар 29НК (29%Ni и 18 % Сo).

Монель-металл Монель-металл, содержащий 67—69% Ni, 28% Си, 1,5— 2,5% Fe и 1—2% Мп, представляет собой очень прочный и в то же время пластичный сплав, прекрасно сопротивляющийся действию атмосферы, водных растворов солей и щелочей, пара, орга­нических соединений и т.п.

Монель-металл хорошо сопротив­ляется также действию газов при высоких температурах и до 400° почти не изменяет своих высоких механических свойств. По своему строению — это типичный твердый раствор (диаграмма состояния Сu—Ni на рис. 9.4). В литом виде монель-металл, как и все остальные технические сплавы никеля, имеет характерную дендритную структуру, которая после горячей и холодной механической обработки и отжига заменяется полиэдрической структурой с большим количеством двойников. Монель-металл широко применяется в химическом аппарате-строении как некорродирующий металл. При этом необходимо помнить, что высокая химическая стойкость монель-металла сполна используется только тогда, когда монель-металл работает без контакта с другими металлами. Достаточно применить железные заклепки для листов из монель-металла, чтобы конструкция вышла из строя быстрее, чем простая железная конструкция, склепанная железом же. При приготовлении монель-металла следует избегать углерода, так как при содержании его свыше 0,15% появляется свободный графит и увеличивается хрупкость.

Механические свойства монель-металла можно значительно повысить путем введения таких добавок, которые сделали бы монель сплавом, зака­ливающимся и подвергающимся упрочняющему отпуску. Такой добавкой оказался алюминий (около 3%).

14. Общая характеристика и свойства диэлектрических материалов (электроизоляционные лаки и компаунды, волокнистые материалы, пластические массы, стекла, стеклоэмали, стекловолокна. Электропроводность диэлектриков. Пробой диэлектриков.

Диэлектрические материалы

К диэлектрическим материалам относятся:

1) электроизоляционные материалы;

2) активные диэлектрики.

Электроизоляционные материалы используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Назначение электрической изоляции – не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех, которые предусмотрены электрической схемой. Электроизоляционные материалы используются в качестве диэлектриков.

Активные диэлектрики – диэлектрики с управляемыми свойствами: сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты.

Электроизоляционные материалы подразделяют по их агрегатному состоянию на:

1) газообразные;

2) жидкие;

3) твердые;

4) твердеющие материалы (особая группа).

Подразделяют по химической природе на:

1) органические (C, H,О₂, N, галогены);

2) неорганические.

Электроизоляционные материалы обладают двумя практическими значениями механическими свойствами:

1) гибкостью;

2) эластичностью.

Таблица 11.1

Материалы	Достоинства	Недостатки
1. Органические вещества	Гибкость, эластичность, возможность выполнять их в любой форме	Имеют относительно низкую нагревостойкость (кроме фторолонов, полиамидов)
2. Неорганические вещества	Высокая нагревостойкость	Хрупкие, неэластичные, сложная технология изготовления
3.Элементоорганические материалы	Имеют более высокую нагревостойкость, чем органические

Для обеспечения нормальной работы оборудования при воздействии высокой рабочей температуры применяют неорганические электроизоляционные материалы.

К промежуточным электроизоляционным материалам относятся элементоорганические материалы, в молекулы которых входят атомы других элементов (Si, Al, P и др.)

Электропроводность диэлектриков

Абсорбционными токами называют токи смещения различных видов замедленной поляризации у технических диэлектриков.

При постоянном напряжении абсорбционные токи протекают только в момент включения или выключения, а при переменном все время нахождения в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов.

- плотность тока утечки.

Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора электрического смещения D:

После завершения процесса поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток.

Истинное сопротивление диэлектрика R_из, определяющее величину сквозного тока:Н а рис. 12.1 показан характер зависимости тока через диэлектрик от времени.

Рис. 12.1. Зависимость тока через диэлектрик от времени

i_аб – ток абсорбции (поляризации), i_ск – сквозной ток

,

где U – приложенное напряжение.

Для твердых диэлектриков различают объемную и поверхностную проводимости. Они связаны с удельным объемным сопротивлением и удельным поверхностным сопротивлением.

В случае плоского образца материала при однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывается по формуле:

где  - удельное объемное сопротивление, Омм;

R - Объемное сопротивление образца, Ом;

S – Площадь электрода, м²;

h – Толщина образца, м,

Удельная объемная проводимость измеряется в Смм^-1.

Удельное поверхностное сопротивление:

,

где R_s - поверхностное сопротивление, Ом; между параллельно поставленными электродами шириной d, отстоящими друг от друга на расстоянии l.

Удельная поверхностная проводимость измеряется в сименсах (См).

Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению R_из, складывается из объемной и поверхностной проводимостей:

- постоянная времени саморазряда конденсатора,

где R_из – сопротивление изоляции диэлектрика конденсатора;

С - емкость конденсатора.

,

где U – напряжение на электродах конденсатора спустя время  после отключения его от источника напряжения; U₀ – напряжение, до которого был заряжен конденсатор (=0); R_из - сопротивление изоляции (сопротивление сквозному току).

Пробой диэлектриков

Пробой диэлектрика - это явление когда диэлектрик находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала.

Пробивное напряжение - это напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, а соответственно значение напряженности поля - электрической прочностью диэлектрика. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

- электрическая прочность,

где h - толщина диэлектрика

Пробой газа является ударной и фотонной ионизацией.

Пробой жидкостей в результате ионизационных тепловых процессов, одним из важных факторов способствующих пробою является наличие примесей.

Пробой твердых тел может быть вызван электрическим или тепловым полем.