Штофа Ян. Электротехнические материалы в вопросах и ответах. – М.: Энергоиздат, 1984.
ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра электротехники и электропривода
«УТВЕРЖДАЮ»
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРЫ ЭТ и ЭП
А. Нохрин
“____”__________________2010 г.
ВВОДНАЯ Л Е К Ц И Я
по дисциплине
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Череповец 2010г.
ВОПРОСЫ ЛЕКЦИИ
ВВЕДЕНИЕ
1. Предмет, цели и задачи дисциплины.
2. Содержание дисциплины, отчетность и рекомендации по самостоятельной работе.
3. Общие сведения о строении вещества.
Литература
Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. – Л.: Энергоатомиздат, 1985.
Тареев Б.М. Электрорадиоматериалы. – М.: Высшая школа, 1978.
Никулин Н.В., Назаров А.С. Радиоматериалы и радиодетали. – М.: Высшая школа, 1976.
Горбачев В.В., Спицына Л.Г. Физика полупроводников и металлов. – М.: Металлургия, 1982.
Пасынков В.В. Материалы электронной техники. – М.: Высшая школа, 1980.
Палатник Л.С., Сорокин В.К. Материаловедение в микроэлектронике. – М.: Энергия, 1988.
Штофа Ян. Электротехнические материалы в вопросах и ответах. – М.: Энергоиздат, 1984.
Материаловедение – область науки, посвященная изучению свойств веществ, используемых в материальном производстве, быту и т.п. Поэтому материалами являются не все вещества, а только прошедшие определенную обработку. Первичным этапом такой обработки является добыча полезных ископаемых, заготовка древесины и т.д. Материалы различают по области применения, физическим, химическим и др. свойствам: строительные материалы, ГСМ, электротехнические, конструкционные и др; твердые, жидкие, газообразные и т.д.
Предметом данной дисциплины являются конструкционные и электротехнические материалы. К конструкционным относятся материалы, используемые для создания различных конструкций – в большинстве случаев это сплавы на основе железа. В электротехнике наряду со сплавами на основе железа широко применяются цветные металлы (медь, алюминий, золото, олово и др), а также неметаллические материалы и их сплавы (резина, керамика, стекло, слюда, кремний, арсенид галлия и др.). В настоящее время наряду с материалами естественного происхождения находят широкое применение синтетические материалы, которые не могут образоваться без воздействия человека. Внедрение таких материалов обусловлено наличием у них особых свойств, не встречающихся у природных.
Элементы любых конструкций могут быть охарактеризованы при помощи пяти категорий: свойства материала; форма, размеры, точность, свойства поверхности.
Свойства веществ (материалов) во многом определяются их структурой: составом и связями между частицами вещества. Все вещества состоят из молекул, а молекулы – из атомов. В свою очередь, атомы состоят из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, а электроны заполняют оболочки атома, компенсируя положительный заряд ядра. Как правило, атомы имеют нейтральный электрический заряд. Атомы, заряд которых не равен нулю, называют ионами. Различают положительные и отрицательные ионы. Заряд ионов кратен элементарному заряду. Размеры атомов около 0,1 нм, размеры положительных ионов, получившихся из атомов, отдавших часть электронов, меньше, чем размеры атомов, а размеры отрицательных ионов, присоединивших дополнительные электроны, больше, чем размеры атомов. Строение ядра атома, периодичность заполнения оболочек электронами можно находить с помощью таблицы Д.И.Менделеева.
Форма элементов конструкции определяет эффективность использования материала, т.е. при заданной грузоподъемности, при правильном выборе формы элементов, можно повысить прочность конструкции либо уменьшить расход материала, т.е. позволяет либо повысить качество, либо уменьшить стоимость конструкции. (эффективность – отношение качества к цене). Пример: Октябрьский мост, Останкинская башня.
Размеры напрямую определяют многие технические характеристики изделия. Например, размеры кузова автомобиля определяют производительность перевозок, размеры цилиндров автомобиля (емкость двигателя) определяют его мощность; размеры балки определяют несущую способность строительной конструкции (моста, фермы подъемного крана) и т.д. Бурильная морская платформа, стартовый ракетный комплекс – это примеры изделий, детали которых могут достигать в размерах десятков и сотен метров. Элементы интегральных схем радиоэлектроники и вычислительной техники достигают размера 0,13мкм (величины, которую невозможно увидеть в оптический микроскоп, так как она меньше длины волны видимого света). В этом случае уменьшение размеров отдельных элементов позволяет повысить плотность интеграции, сократить общее энергопотребление. (Ведь современный процессор для ЭВМ содержит несколько десятков миллионов транзисторов, каждый из которых имеет размеры менее 0,5мкм.)
Точность изготовления во многом определяет качество (технические характеристики) изделия. Так, точность деталей подшипника качения определяет его долговечность, КПД машины, ее ресурс, шум.
Элементы конструкции характеризуются номинальным размером. Номинальным размером называется размер, определяемый исходя из функционального назначения изделия. Номинальные размеры, с целью унификации оснастки и измерительных средств, должны выбираться из ряда нормальных линейных размеров, в соответствии со стандартом.
Однако изготовить и даже измерить размер можно только с определенной степенью точности, которая также определяется из функционального назначения детали.
Разность между максимальным и минимальным допустимыми размерами детали называется полем допуска. Расположение полей допусков относительно номинального размера должно выбираться в соответствии со стандартом и обозначается соответствующей латинской буквой.
Точность выполнения размеров сопрягаемых деталей во многом определяет технические характеристики устройств, однако ее повышение связано с большими затратами, так как требует применения более высокоточного, а следовательно, дорогого оборудования, применения многостадийных технологий, увеличивающих время обработки, а следовательно, и затраты (рис.1.5).
КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ
Конечно, поверхность может иметь множество физических характеристик, таких как цвет, химическая активность, шероховатость и т.д. Наибольшее же значение для функционирования деталей машин имеет шероховатость поверхности.
В зависимости от метода измерения шероховатость определяется средней высотой микронеровностей Ra, либо высотой неровностей по 10 точкам Rz. (рис.1.6). Параметры шероховатости поверхности измеряются и задаются на чертежах в микрометрах (мкм) и номинальные значения их для разных классов шероховатости стандартизованы.
Как возникают свойства деталей, веществ, какими действиями или какой совокупностью действий можно получить заданные свойства - это предмет науки "Технология" (специальность - технолог).
Какие категории затрат обеспечивают производство того или иного изделия, как можно минимизировать эти затраты - это предмет науки "Экономика" (специальность - экономист).
Естественно, все эти три науки неразрывно связаны между собой, категории и понятия их настолько переплетаются, что иногда трудно провести грань, где кончается предмет одной науки и начинается предмет другой. Надо отметить, что наибольшие прорывы в развитии производства последнего столетия сделали люди, являющиеся комплексными специалистами ( Генри Форд, Тейлор и т.д.). В настоящее время многие специалисты рассматривают вопрос об интеграции этих наук в комплексную науку, рассматривающую все аспекты появления изделия по цепочке от творческого замысла, проектирования, технологии, организации производства и оптимального управления потоками информации, веществ и энергий.
Технология, как наука, рассматривает способы воздействия на сырье, материалы и полуфабрикаты соответствующими орудиями производства. Производственный процесс - совокупность действий по превращению сырья, материалов в полезную для человека продукцию.
Технологический процесс - часть производственного процесса непосредственно связанная с изменением свойств сырья и материалов и их определением (контроль).
Технологическая операция - это часть технологического процесса, производимая непрерывно на одном рабочем месте. Операция обычно осуществляется при воздействии на обрабатываемое изделие тем или иным методом обработки, использующим известные физические, химические, биологические явления.
Методы обработки - это структурные элементы технологического процесса, объединение которых в определенную последовательность позволяет достичь требуемых параметров изделия при минимизации затрат на производство. Поэтому каждый метод нужно характеризовать его технологическими возможностями - получаемыми свойствами материалов, возможностями формообразования, достижимыми размерами, точностью и шероховатостью поверхностей изделий.
Для минимизации затрат при реализации метода необходимо знание об управляющих параметрах процесса, возможностях его регулирования, о материальных, энергетических и информационных потоках при его реализации.
Технология важнейших отраслей промышленности рассматривает основные методы обработки, используемые в производстве машин, аппаратов, приборов, т.е. той техники с помощью которой человек преобразует природу.
КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕЩЕСТВ
Классификация – совокупность признаков, позволяющая разделять объекты на отдельные множества, обладающие некоторыми общими свойствами. Эти множества называют классами.
Класс – множество объектов, обладающих общими признаками (свойствами).
Признак – свойство объекта.
Вещества могут находиться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Кроме того, существует особое состояние вещества – плазма. В нормальных условиях агрегатное состояние определяется типом связи между атомами (молекулами) вещества. Изменение внешних условий приводит к изменению агрегатного состояния. Процессы перехода: плавление/кристаллизация; испарение/конденсация и возгонка.
В зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов могут образовываться четыре вида связи внутри молекул и между молекулами веществ. (Признак классификации) Это ковалентная связь, ионная связь, металлическая связь и молекулярная связь. Наиболее часто встречаются молекулы, в которых существуют ковалентные и ионные химические связи. Каждый тип связи характеризуется определенной энергией взаимодействия. Изменение внешних условий: температуры, давления и т.д. изменяет количество внутренней энергии вещества и приводит к деформации, разрушению элементов конструкции либо даже агрегатного состояния вещества.
Ковалентная связь возникает при обобществлении электронов двумя соседними атомами. Ковалентная связь может быть как в молекулах (в трех агрегатных состояниях вещества), так и между атомами, образующими решетку кристалла, например алмаз, кремний, германий. Ковалентной связью могут удерживаться не только одинаковые атомы, но и различные.
Ионная связь определяется силами притяжения между положительными и отрицательными ионами вещества.
Твердые тела ионной структуры характеризуются повышенной механической прочностью и относительно высокой температурой плавления. Типичными примерами ионных кристаллов являются галогениды щелочных металлов.
Металлическая связь приводит к образованию твердых кристаллических тел – металлов. Металлы можно рассматривать как системы решетчатой структуры, в узлах которой расположены положительно заряженные ионы, между узлами решетки – свободные электроны.
Притяжение между положительными атомными остовами и электронами является причиной монолитности металла. Вследствие наличия свободных электронов металлы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью. Наличием свободных электронов объясняется и блеск металлов. Ковкость металла объясняется перемещением и скольжением отдельных слоев атомных остовов.
Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса) существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями.
Межмолекулярное притяжение в этом случае обуславливается согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах. В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам. При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказываются сильнее сил взаимного отталкивания электронов внешних орбит. Связь Ван-дер-Ваальса наблюдается между молекулами парафина и других веществ, имеющих низкую температуру плавления, свидетельствующую о непрочности их кристаллической решетки.