Л1. Введение в дисциплину ЭТМ

Электроэнергетический факультет
Кафедра
электроснабжения и эксплуатации
электрооборудования
Учебная дисциплина
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ
ТЕМА № 1
Электротехнические материалы на
основе металлов
ЛЕКЦИЯ № 1 СТРОЕНИЕ И
СВОЙСТВА ЭТМ
Учебные цели
1. Знать цель, задачи и требования к
дисциплине.
2. Знать механические свойства ЭТМ
и методы их определения
Учебные вопросы
Введение в дисциплину.
1. Электротехнические материалы на
основе металлов.
2. Строение твердых тел.
3. Механические свойства металлов.
Заключение.
Введение в дисциплину
Цель - приобретение знаний и умений в работе с
электротехническими материалами (ЭТМ)
применяемыми в электроустановках (ЭУ).
Задачи дисциплины состоят в изучении:
1.Электрических и физических свойств.
2.Физического смысла характеристик ЭТМ .
3.Требований государственных стандартов и
справочников для выбора ЭТМ для ЭУ.
Требования.
В результате изучения дисциплины ЭТМ
студент должен:
1. Знать электрические и физико-химические
характеристики материалов.
2. Уметь пользоваться нормативной и
справочной литературой, выполнять и читать
схемы и электроустановок.
3. Уметь пользоваться приборами и
устройствами при выполнении лабораторных
работ.
Дисциплина состоит из 1 раздела и 5 тем.
Отчётность – зачёт.
Учебные занятия:
- 13 лекций (26 часов);
- 7 лабораторных работ (28 часа).
Общеобразовательная дисциплина «ЭТМ»
основывается на дисциплинах «Физика»,
«Химия», «Материаловедение» и является
базовой для изучения ряда специальных
дисциплин.
Список рекомендуемой литературы
1. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с.
2. Привалов Е.Е., Гальвас А.В.
Электротехнические материалы: Пособие.
СтГАУ, АГРУС, 2011. – 192с.
3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ,
АГРУС, 2012. – 196с.
4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред.
Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат
Т.1,1986 – 308с.;Т.2,1987. – 296с.; Т.3,1988 –
728с.
1. Электротехнические материалы на
основе металлов
Материалы делят на электротехнические,
конструкционные и специальные.
Электротехнические - материалы с
особыми свойствами в электрическом и
магнитном поле. Применяют в ЭУ с учетом
этих свойств.
Конструкционные - металлы и их сплавы
применяемые в ЭУ.
Специальные - материалы для особых
условий эксплуатации.
ЭТМ условно делят на сильномагнитные и
слабомагнитные, а по поведению в
электрическом поле - проводниковые,
диэлектрические и полупроводниковые.
Проводниковые – материалы с сильно
выраженной электрической проводимостью
при нормальной температуре.
Диэлектрические - материалы
обладающие способностью к поляризации с
образованием электростатического поля.
Полупроводниковые – промежуточные по
электрическим свойствам между двумя
группами материалов.
Отличительное свойство полупроводников
- зависимость удельной электрической
проводимости от концентрации примесей и
внешних энергетических воздействий
(температуры или освещенности).
Электроизоляционные материалы –
пассивные диэлектрики, которые не допускают
больших токов утечки.
Известно, что из 105 основных химических
элементов лишь 25 являются неметаллами, а
12 элементов могут проявлять свойства
полупроводников.
2. Особенности строения твердых тел
Большинство ЭТМ твердые тела (порядок
атомов обеспечивает кристаллическая решетка
с периодическим электростатическим полем).
Периодичность структуры - характерное
свойство кристаллов.
Русский ученый Е.С.Федоров рассчитал
возможные расположения частиц в решетках
твердых тел. Геометрически возможны 14
пространственных решеток.
Основные 6 кристаллических систем даны
в таблице 1.
Дефекты в строении кристаллических тел
Дефекты тел делят на динамические
(временные) и статические (постоянные).
1. Динамические дефекты возникают при
механических, тепловых, электромагнитных
воздействиях на кристалл.
К ним относятся фононы – временные
искажения регулярности решетки, вызванные
тепловым движением атомов.
2. Статические дефекты
Различают точечные и протяженные
несовершенства структуры тел.
Точечные дефекты: незанятые узлы
решетки (вакансии); смещения атома из узла в
междоузлие; внедрения в решетку чужеродного
атома или иона.
Протяженные дефекты: дислокации
(краевая и винтовая), поры, трещины,
границы зерен, микровключения другой фазы.
Часть дефектов показана на рисунке 2.
Полиморфизм – свойство твердых тел
образовывать структуры, устойчивые при
различных температурах и давлениях.
Аморфные - твердые тела со случайным
хаотичным расположением частиц.
Стекла и пластики изотропны по свойствам,
не имеют определенной температуры
плавления (широкий интервал размягчения).
В стеклах (отсутствует периодичность в
строении) наблюдается ближний порядок.
Стеклообразное состояние - состояние
сильно переохлажденной жидкости (жидкость с
высокой вязкостью).
3. Механические свойства материалов
Механические свойства (МС) определяют
типовыми испытаниями в лабораториях при
воздействии внешних нагрузок.
МС материалов - упругость; пластичность;
прочность; твердость; вязкость; усталость;
трещиностойкость; хладостойкость;
жаропрочность и т. д.
При испытаниях создают условия, которые
возможны при эксплуатации ЭУ.
Для проводов испытания на растяжение
проводят на стальном (медном, алюминиевом)
образце.
Провод закрепляют в испытательной
машине и регистрируют диаграмму
растяжения в координатах «Нагрузка  абсолютное удлинение L».
На рисунке 3 выделены участки:
ОА – упругой деформации;
АВ – упруго-пластической деформации;
ВС - упруго-пластической деформация
после разрыва.
Рисунок 3 - Первичные диаграммы растяжения
пластичных материалов: а – с площадкой (АА)
текучести; б – без площадки текучести
Площадка текучести - участок АА’.
При максимальной нагрузке в слабом
месте происходит разрыв образца (точка С).
Прочность – свойство ЭТМ сопротивляться
деформации или разрушению.
Показатели прочности определяют
удельными величинами, с учетом площади
поперечного сечения образца (F) при его
растяжении под нагрузкой (Р).
Предел текучести – наименьшее напряжение
пластической деформации без изменения
нагрузки :
GT = PT ∕ FO
(1)
где РТ – нагрузка, соответствующая площадке
текучести;
FO – площадь начального поперечного сечения
образца.
Пластичность - свойство ЭТМ необратимо
изменять свою форму и размеры под действием
внешней нагрузки.
Относительное удлинение после разрыва отношение приращения расчетной длины
образца после разрыва LК к начальной L0:
 = (LК / L0)∙100 = (LК - L0) / L0∙100
(2)
Относительное сужение после разрыва отношение уменьшения площади поперечного
сечения образца FК в месте разрыва к
начальной площади поперечного сечения FO:
 = (FК / F0 )∙100 = (F0 - FК) / F0∙100
(3)
Испытания на твердость ЭТМ проводят
вдавливанием индентора (шарика, пирамиды)
в образец металла (меди, алюминия, стали)
методами Бринелля, Виккерса и Роквелла.
Применяют и метод микротвердости –
измерение твердости слоев композитных
материалов под малыми нагрузками (0,049;
0,098; 0,196; 0,49; 0,98; 1,962; 4,9 Н).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Условием совершенствования ЭУ является
применение ЭТМ с заданными свойствами на
основе современных микро(нано) технологий.
Знание механических свойств (упругость,
прочность, вязкость) необходимо для выбора ЭТМ
и режимов их работы в составе ЭУ.
Расчеты материалов на прочность особо
важны для оценки надежности ЭУ.