ГОСТ предусматривает разделение электроизоляционных материалов для электрических машин, трансформаторов и аппаратов на классы нагревостойкости, для которых фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях.
При этих температурах обеспечиваются целесообразные сроки службы электрооборудования.
К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картоны, древесина и т. п.), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляционный слой.
16. Методы определения электрических свойств
Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используются в электромашиностроении, для устройства линий электропередачи, а сплавы с высоким электросопротивлением – для ламп накаливания электронагревательных приборов.
Тепловые свойства диэлектриков: нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность, тепловое расширение.
Нагревостойкость – способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них некоторое время выдерживать воздействие высоких температур. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяется по началу существенного изменения электрических свойств. А нагревостойкость органических диэлектриков – по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве, по электрическим характеристикам.
Тепловое старение изоляции – ухудшение качества изоляции, определяемое при длительном воздействии повышенной температуры.
На скорость старения влияет температура, при которой работает изоляция электрических машин и других электроизоляционных конструкций.
Влияние на скорость старения также оказывают изменение давления воздуха или концентрация кислорода, присутствие озона, химических реагентов, замедляющих или ускоряющих старение. Тепловое старение ускоряется от освещения ультрафиолетовыми лучами, от воздействия электрического поля, механических нагрузок.
ГОСТ предусматривает разделение электроизоляционных материалов для электрических машин, трансформаторов и аппаратов на классы нагревостойкости. При допустимых температурах обеспечиваются целесообразные сроки службы электрооборудования.
Класс Y: волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка, не пропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляционный слой.
Класс А: органические волокнистые материалы, работающие пропитанными лаками и погруженные в жидкий электроизоляционный материал, т. е. защищены от воздействия кислорода воздуха.
Класс Е: пластические массы с органическим наполнителем и термореактивным связующим типа фенолофор-мальдегидных и подобных им смол, изоляция эмалированных проводов на полиуретановых и эпоксидных лаках. К классам Y, А, Е относятся чисто органические электроизоляционные материалы.
Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к току диэлектрика в месте пробоя.
Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизационных тепловых процессов.
Главный фактор пробоя – наличие посторонних примесей.
Наличие примесей вызывает затруднения для создания теории пробоя этих веществ. Поэтому представления теории электрического пробоя применяют к жидкостям, максимально очищенным от примесей.
При высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металла электродов и разрушение молекул самой жидкости за счет ударов заряженными частицами. При этом большая электрическая прочность жидких диэлектриков по сравнению с газообразными объясняется значительно меньшей длиной свободного пробега электронов.
Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняется местным перегревом жидкости (за счет энергии, выделяющейся в сравнительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который приводит к образованию газового канала между электродами.
Наличие воды в жидком диэлектрике снижает его электрическую прочность. Вода при нормальной температуре содержится в диэлектрике в виде мельчайших капелек. Под влиянием электрического поля капельки поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым происходит электрический пробой.
Наблюдается своеобразная зависимость электрической прочности жидкого диэлектрика, содержащего воду от температуры. При повышении температуры вода переходит в состояние молекулярного раствора, в котором она слабо влияет на величину электрической прочности. Электрическая прочность жидкого диэлектрика возрастает до некоторого максимума. Дальнейшее снижение электрической прочности объясняется явлениями кипения жидкости.
Увеличение электрической прочности трансформаторного масла при низких температурах связывают с увеличением вязкости масла и меньшими значениями диэлектрической проницаемости льда по сравнению с водой.
Твердые вкрапления (сажа, волокна) искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности диэлектрических жидкостей.
Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает электрическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет электрическую прочность примерно 4 МВ/м; после тщательной очистки она повышается до 20–25 МВ/м.
На пробой жидких диэлектриков, как и газов, оказывает влияние форма электродов: с увеличением степени неоднородности электрического поля пробивное напряжение при одинаковых расстояниях снижается. В неоднородных электрических полях, так же как и в газах, может быть неполный пробой – корона. Длительная корона в жидких диэлектриках недопустима, т. к. она вызывает разложение жидкости.
Частота тока влияет на электрическую прочность.
17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов
Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины теплопроводности зависит возможность появления трещин в металле. Если теплопроводность низкая, то риск возникновения трещин увеличивается. Так, легированные стали имеют теплопроводность, которая в пять раз меньше, чем теплопроводность меди и алюминия. Размер теплоемкости влияет на уровень расходуемого топлива на нагрев заготовки до определенной температуры.
У металлических сплавов удельная теплоемкость находится в пределах 100-2000 Дж/(кг*К). У большинства металлов теплоемкость составляет 300–400 Дж/(кг*К). Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры. Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж/(кг·К) и более.
Электрические свойства материалов характеризуются наличием носителей зарядов электронов или ионов и свободой их передвижения под действием электрического поля.
Высокие энергии ковалентной и ионной связи сообщают материалам с этими типами связи свойства диэлектрика. Их слабая электрическая проводимость обусловлена влиянием примесей, причем под влиянием влаги, образующей с примесями проводящие растворы, электропроводность таких материалов возрастает.
Материалы с разными типами связи имеют различные температурные коэффициенты электросопротивления: у металлов он положителен, у материалов с ковалентным и ионным типом связи – отрицателен. При нагреве металлов концентрация носителей зарядов – электронов не увеличивается, а сопротивление их движению возрастает из-за увеличения амплитуд колебаний атомов. В материалах с ковалентной или ионной связью при нагреве концентрация носителей зарядов повышается настолько, что нейтрализуется влияние помех от увеличения колебаний атомов.
Теплопроводностью называется перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Перенос теплоты происходит от более горячих частиц к холодным и подчиняется закону Фурье.
Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала. Теплота в твердых телах переносится электронами и фононами.
Механизм передачи теплоты, в первую очередь, определяется типом связи: в металлах теплоту переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи – фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность17б осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и увеличивают электросопротивление. Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача теплоты электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием.
Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Чем больше размеры зерен, тем выше теплопроводность. Легирование вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом – основой сплава. Структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной структуры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.
Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты параллельно слоям атомов углерода базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза
Разветвленные пластины графита в сером чугуне имеют структуру монокристалла, и поэтому он имеет высокую теплопроводность. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом при той же объемной доле графита имеет теплопроводность 25…40 Вт/м*К, что почти вдвое меньше по сравнению с серым чугуном.
При нагреве теплопроводности сталей разных классов сближаются. Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(мОК).
Теплопроводность может меняться также, как и электропроводность в случае, если электронная теплопроводность металла составляет l e. Тогда любые изменения, происходящие в химическом и фазовом составе и структуре сплава влияют на теплопроводность также, как и на электропроводность (по правилу Видемана-Франца).
При отдалении состава сплава от чистых компонентов происходит понижение теплопроводности. Исключение составляют, например, медно-никелевые сплавы, в которых происходят обратные явления.
18. Дилатометрия. Магнитные свойства металлов и сплавов. Методы определения
Дилатометрия – раздел физики; основная задача: изучение влияния внешних условий (температуры, давления, электрического, магнитного полей, ионизирующих излучений) на размеры тел. Главный предмет изучения: тепловое расширение тел и возникающие при этом аномалии.
Дилатометрический метод. При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров тела – тепловое расширение. Если эти изменения обусловлены только увеличением энергии колебаний атомов вследствие повышения температуры, то при возвращении температуры к прежнему уровню восстанавливаются и исходные размеры тела. Если же в теле при нагреве (или охлаждении) происходят фазовые превращения, то изменения размеров могут быть необратимыми. Изменения размеров тел, связанные с нагревом и охлаждением, изучают на специальных приборах – дилатометрах.
Дилатометрический метод – это метод, при помощи которого определяются критические точки металлов и сплавов, изучаются процессы распада твердых растворов, а также устанавливаются температурные интервалы существования упрочняющих фаз. Достоинство этих приборов – высокая чувствительность и независимость показаний от скорости изменения температуры.
Высокую чувствительность электрических методов измерения широко используют при исследовании фазовых превращений, дефектов тонкой структуры и других явлений, происходящих в металлах и сплавах, которые невозможно изучать другими методами исследования. Электрическое сопротивление измеряют с помощью различных мостовых схем, а также компенсационными методами. Различные способы магнитного анализа используют при исследовании процессов, связанных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов. Магнитный анализ широко применяют при решении задач практического металловедения, например, таких, как исследование влияния на структуру режимов термической обработки, деформации, легирования. Возможно использование магнитного анализа и для решения некоторых более сложных задач физического металловедения.
Метод внутреннего трения основан на изучении необратимых потерь энергии механических колебаний внутри твердого тела. Используя этот метод, можно рассчитать коэффициенты диффузии с высокой точностью, в том числе и при низких температурах, где никакой другой метод неприменим; определять изменение концентрации твердых растворов; распределение примесей; получить информацию о фазовых и полиморфных превращениях и изменениях дислокационной структуры.
Магнитотвердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали с 1 % С, легированные хромом (3 %) ЕХ3, а также одновременно хромом и кобальтом, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2. Легирующие элементы повышают коэрцитивную и магнитную энергию.
В промышленности широкое применение получили сплавы типа алнико. Сплавы тверды, хрупки и не поддаются деформации, поэтому магниты из них изготовляют литьем, затем проводят шлифование.
Материалы делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики в зависимости от того, какова степень их магнитной восприимчивости и каков их знак.
Диамагнетики имеют отрицательную магнитную восприимчивость. Их намагничивание направлено противоположно приложенному магнитному полю. Это приводит к ослаблению данного поля. Диамагнетиками являются полупроводники (Si, Ge), диэлектрики (полимеры), некоторые непереходные металлы (Be, Cu, Ag, Pb).
Парамагнетики обладают низкой намагниченностью, которая возникает под воздействием внешнего поля. Парамагнетиками являются K, Na, Al и переходные металлы Mo, W, Ti.
Феромагнетики отличаются высокой магнитной восприимчивостью. К ним относятся: железо, кобальт, никель и гадолиний. Характеристики: остаточная индукция Вг, коэрцитивная сила Нс и магнитная проницаемость м = В/Н.
Остаточная индукция – магнитная индукция, которая остается в образце в результате его намагничивания и дальнейшего размагничивания.
Коэрцитивная сила – напряженность магнитного поля обратного знака, прилагаемая к образцу с целью его размагничивания.
Магнитная проницаемость является основной характеристикой интенсивности намагничивания. Определив тангенс угла наклона к первичной кривой намагничивания В = f(H), можно высчитать магнитную проницаемость. Сплав ЮНДК15 содержит 18–19 % Ni, 8.5–9.5 % Al, 14–15 % Co, 3–4% Cu.
Магнитомягкие стали (электротехническая сталь) (1212, 1311, 1511, 2011, 2013, 2211, 2312, 2412, 3415, 3416, 79НМ, 81НМА) применяютдля изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей и др.
Парамагнитные стали (17Х18Н9, 12Х18Н10Т, 55Г9Н9Х3, 40Г14Н9Ф2, 40Х14Н9Х3ЮФ2 и др.) требуются в электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники.
Недостаток этих сталей – низкий предел текучести (150-350МПа), что затрудняет их использование для высоко нагруженных деталей машин.
19. Значение механических и физических свойств при эксплуатации изделий
Свойства, как показатели качества материала
Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические. К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании.
К химическим – окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость. К механическим – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.
К технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.
Прочностью металла называется его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь. Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. Упругость – свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы (деформацию).
Вязкостью называется способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость – свойство обратное хрупкости.
Пластичностью называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность – свойство обратное упругости.
Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический анализ, спектральный анализ, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах, а также определить доброкачественность готовых изделий.
Механические испытания имеют важнейшее значение в промышленности.
Детали машин, механизмов и сооружений работают под нагрузками. Нагрузки на детали бывают различных видов: одни детали нагружены постоянно действующей в одном направлении силой, другие подвержены ударам, у третьих силы более или менее часто изменяются по своей величине и направлению.
Некоторые детали машин подвергаются нагрузкам при повышенных температурах, при действии коррозии; такие детали работают в сложных условиях.
В соответствии с этим разработаны различные методы испытаний металлов, с помощью которых определяют механические свойства. Наиболее распространенными испытаниями являются статическое растяжение, динамические испытания и испытания на твердость.
Статическими называются такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию постоянной силы или силы, возрастающей весьма медленно.
Динамическими называют такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию удара или силы, возрастающих весьма быстро.
Кроме того, в ряде случаев производятся испытания на усталость, ползучесть и износ, которые дают более полное представление о свойствах металлов.
Механические свойства – это достаточная прочность. Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов.
Для изготовления рессор и пружин применяются специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью.
Пластичность металлов дает возможность производить их обработку давлением (ковать, прокатывать).
Физические свойства. В авиа-, авто– и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и магния являются здесь особенно полезными.