Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Электротехническое и конструкционное материаловедение

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 778723.01.99
Учебное пособие в краткой форме поясняет основные понятия электротехнического и конструкционного материаловедения, дает определения основным тепловым, электрическим и механическим параметрам материалов, описывает основные классы материалов, применяемых в электроэнергетике и электротехнике. В пособии также приводятся числовые характеристики свойств различных материалов, рассматриваются вопросы их долговечности. Форма изложения позволяет продуктивно готовиться к зачету по курсу и вспомнить основные понятия, изученные ранее в курсах физики и химии.
Целебровский, Ю. В. Электротехническое и конструкционное материаловедение : учебное пособие / Ю. В. Целебровский. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2019. - 64 с. - ISBN 978-5-7782-3981-4. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1869120 (дата обращения: 06.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
 
Ю.В. ЦЕЛЕБРОВСКИЙ 
 
 
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ  
И КОНСТРУКЦИОННОЕ  
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 621.315.5/.61(075.8) 
         Ц 341 
 
 
 
 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент А.М. Погорельский (НГТУ); 
д-р техн. наук, профессор А.Ф. Бернацкий (НГАСУ–Сибстрин) 
 
Работа подготовлена на кафедре техники и электрофизики  
высоких напряжений для студентов II курса направления 13.03.02  
«Электроэнергетика и электротехника» 
 
 
 
 
 
Целебровский Ю.В. 
Ц 341      Электротехническое и конструкционное материаловедение: учебное пособие / 
Ю.В. Целебровский. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 64 с. 

ISBN 978-5-7782-3981-4 

Учебное пособие в краткой форме поясняет основные понятия электротехнического 
и конструкционного материаловедения, дает определения основным тепловым, электрическим и механическим параметрам материалов, описывает основные классы материалов, применяемых в электроэнергетике и электротехнике. В пособии также приводятся числовые характеристики свойств различных материалов, рассматриваются вопросы их долговечности. Форма изложения позволяет продуктивно готовиться к зачету 
по курсу и вспомнить основные понятия, изученные ранее в курсах физики и химии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 621.315.5/.61(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3981-4 
 
© Целебровский Ю.В., 2019 
 
© Новосибирский государственный 
       технический  университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение .....................................................................................................................................  
4 
1. Строение и основные свойства материалов .........................................................................  
5 
1.1. Основные сведения о строении вещества ...................................................................  
5 
1.2. Тепловые свойства материалов ....................................................................................  
9 
1.3. Основные электромагнитные свойства материалов ...................................................  
10 
1.3.1. Удельное электрическое сопротивление .........................................................  
10 
1.3.2. Диэлектрическая проницаемость ......................................................................  
12 
1.3.3. Магнитная проницаемость ................................................................................  
16 
1.4. Основные механические свойства материалов ...........................................................  
20 
2. Характеристики различных классов материалов, применяемых в электроэнергетике  
   и электротехнике ....................................................................................................................  
24 
2.1. Материалы для механических конструкций ...............................................................  
24 
2.1.1. Сталь и чугун ......................................................................................................  
24 
2.1.2. Бетон....................................................................................................................  
26 
2.1.3. Титан ...................................................................................................................  
27 
2.2. Диэлектрики (электроизоляционные материалы) ......................................................  
28 
2.2.1. Общая характеристика диэлектриков ..............................................................  
28 
2.2.2. Диэлектрические потери ...................................................................................  
28 
2.2.3. Электрическая прочность диэлектриков ..........................................................  
30 
2.2.3.1. Общие положения ................................................................................  
30 
2.2.3.2. Механизм электрического пробоя газов ............................................  
31 
2.2.3.3. Механизм электрического пробоя жидкости ....................................  
32 
2.2.3.4. Механизм электрического пробоя твердых тел ................................  
33 
2.3. Полупроводники (слабопроводящие материалы) .......................................................  
35 
2.3.1. Общие свойства полупроводников ...................................................................  
35 
2.3.2. Полупроводящие материалы, применяемые в электроэнергетике ................  
36 
2.4. Магнитные материалы ..................................................................................................  
38 
2.4.1. Свойства магнитных материалов......................................................................  
38 
2.4.2. Виды магнитных материалов ............................................................................  
40 
2.5. Проводниковые материалы  .........................................................................................  
42 
2.6. Сверхпроводники ..........................................................................................................  
44 
3. Долговечность материалов ....................................................................................................  
46 
3.1. Понятие о старении материалов ...................................................................................  
46 
3.2. Коррозия материалов ....................................................................................................  
46 
Заключение .................................................................................................................................  
48 
Словарь основных терминов. ....................................................................................................  
49 
Библиографический список ......................................................................................................  
63 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Материаловедение – это обширнейшая наука,  без результатов которой невозможен технический прогресс. В кратком учебном пособии нельзя даже охватить все 
проблемы, понятия и методы материаловедения. Автор поставил перед собой весьма 
узкую задачу – дать студентам-электрикам основные понятия, касающиеся тех классов материалов, которые применяются в электроэнергетике и электротехнике. Это 
материалы для генераторов и двигателей, линий электропередачи и контактной сети, 
трансформаторов, выключателей, ограничителей перенапряжений и множества других электрических аппаратов и устройств. Особенность  применения материалов в 
названных областях состоит в том, что эти материалы одновременно испытывают 
воздействие сильных электромагнитных полей, тепла и существенных механических 
нагрузок. 
При таком комплексном воздействии поведение материалов определяется всей совокупностью их тепловых, электрических и механических свойств, что, в свою очередь, сказывается на надежности и долговечности устройств и конструкций. Все аварии в энергосистемах, все повреждения оборудования происходят главным образом 
из-за того, что материалы не выдерживают тех или иных воздействий. Кроме того, 
специалисты, проектирующие, сооружающие и эксплуатирующие эти устройства и 
конструкции, зачастую не владеют глубоко и комплексно необходимыми для этого 
знаниями. 
Опыт автора в преподавании материаловедения для электроэнергетиков и электротехников показывает, что иногда, приступая к изучению материаловедения, студент еще не усвоил в должной мере основные понятия и законы физики и химии. Материаловедение – это первый общеинженерный предмет, и его освоение невозможно 
без базы, которая закладывается при изучении общеобразовательных дисциплин. Поэтому в настоящем пособии предложены такие форма и содержание материала, которые позволяют вспомнить и основные понятия фундаментальных дисциплин.  
Пособие не претендует на глубину и полноту изложения электротехнического материаловедения. Дополнением к нему служат пособия по практическим заданиям [1] 
и лабораторным работам [2]. Основные знания можно получить из  учебников и справочников, представленных в списке литературы [3–9]. 
Учебное пособие содержит словарь основных терминов и понятий, которые в тексте выделены курсивом. При составлении словаря использовались справочники и энциклопедии [10–14], куда автор рекомендует заглядывать и студентам. 
 

1. СТРОЕНИЕ 
И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 

1.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА 

 

Все вещества в конечном итоге состоят из элементарных частиц,
среди которых в первую очередь следует упомянуть электроны, протоны, нейтроны и образованные ими ионы, атомы и молекулы. Студенты-электрики должны твердо знать, что и эти простейшие образования и вещество в целом своими свойствами обязаны закону Кулона, 
определяющему взаимодействие между заряженными частицами (частицами, обладающими таким свойством, как электрический заряд). 
Силы закона Кулона и образуют связи в веществе, определяющие все 
свойства материала. Виды связей могут быть самыми разнообразными, 
но наиболее типичными и распространенными являются четыре из 
них, представленные ниже. 
 

 

 Металлическая, обусловленная большой концентрацией свободных электронов, образующих «электронный газ», в котором на
определенных расстояниях друг от друга (в узлах кристаллической 
решетки) удерживаются положительные ионы. Примеры материалов: 
металлы, сплавы. 
 Ковалентная, обусловленная «обобществлением» электронов
двумя или несколькими атомами. Примеры материалов: водород¸ 
хлор, алмаз. 
 Ионная, обусловленная передачей валентных электронов одного атома другому и образованием вследствие этого положительного и отрицательного ионов, взаимоудерживаемых электростатическими силами. Примеры материалов: поваренная соль, щелочи, кислоты. 
Межмолекулярная (Ван-дер-Ваальса), определяемая взаимодействием поляризованных молекул или мгновенных молекулярных диполей. Примеры материалов: сжиженные газы, полимеры 
 

1. Назовите 
четыре основных вида химической связи
 

 

Кроме этого  существует большое число разновидностей и промежуточных видов связи, обладающих признаками двух или более из
указанных. Пример: водородная связь, объясняемая слабой связью
между протоном и электроном в атоме водорода, в результате чего
электрон смещается к близко расположенному электроотрицательному
(с большим сродством к электрону) атому. Следствием является связь
атомов и молекул между собой. Примеры материалов: вода. 
 
2. Ч т о  
т а к о е  
энергия 
связи? 
 

Наиболее общей характеристикой взаимодействия (связи) является
энергия связи. Энергия связи равна работе, необходимой для разрыва
этой связи и разнесения взаимодействующих частиц на такое расстояние, при котором их взаимодействием можно пренебречь. 

Ориентировочные значения энергии связи: 
для металлической связи …………(1…4)105  Дж/моль 
ковалентной связи …………………10 6 Дж/моль 
ионной связи ………………………. 10 6 Дж/моль 
межмолекулярной связи …………...10 3 Дж/моль. 
 
Вид химической связи оказывает определяющее влияние на различные свойства вещества. При металлической связи большое число и
«обобществленность» свободных электронов обусловливают высокую
электропроводность и теплопроводность металлов, отражение ими
электромагнитного поля (блеск и непрозрачность), пластичность. 
При ковалентной связи наблюдается, как правило, большая механическая прочность материалов  (алмаз). 
Материалы с ионной связью в большинстве случаев хорошо растворяются в воде, молекулы которой представляют собой диполи, и, 
взаимодействуя с ионами, разделяют их (сольватация); для таких материалов характерно проявление хрупкости. 
Межмолекулярные (Ван-дер-Ваальса) связи проявляются в 
слабой механической прочности, отсутствии определенной температуры плавления, сложности и многообразии строения материала. 
Наибольшее значение вид и характер химических связей имеют в
твердых телах. В первую очередь они обусловливают строение твердого тела. Можно выделить три типа характерного строения твердых тел.

3. Какие 
в и д ы  
строения 
твердых 
те л  в ы  
знаете? 

Аморфное – характеризуется наличием ближнего и отсутствием
дальнего порядка в строении, изотропией свойств и отсутствием точки
плавления. 
Кристаллическое – характеризуется периодической повторяемостью строения в трех измерениях (многомерный дальний порядок),
наличием точки плавления и (в большинстве случаев) анизотропией
свойств. 

Полимерное – характеризуется большой молекулярной массой,
одномерным дальним порядком (ориентированное состояние), способностью к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям, отсутствием точки плавления. 
Тела с кристаллическим строением, как правило, имеют нарушение 
в порядке строения. Эти нарушения называются дефектами. 
 

 

Дефектом называется отклонение от идеального периодического 
строения кристаллического тела. Дефекты подразделяются на 4 группы. 
Точечные: вакансии, замещенные атомы, междоузлия, центры 
окраски (комбинация вакансии с электроном проводимости или дыркой). 
Линейные – дислокации (линейный набор точечных дефектов), 
которые могут являться местом скопления примесей. 
Поверхностные – границы между разориентированными участками кристаллов, доменов. Зачастую это ряды и сетки дислокаций. 
Объемные – скопление вакансий, образующее поры и каналы, 
скопление выделений из пересыщенного расплава, скопление  посторонних включений. 
 

4. Назовите
основные
д е ф е к т ы
в строении 
кристаллических тел
 

Дефекты в кристаллах вызывают упругие искажения структуры и 
внутренние механические напряжения. Это снижает механические 
прочностные показатели материала. Дефекты изменяют в ту или
иную сторону электромагнитные свойства материала  и могут оказаться в одних случаях полезными, а в других – вредными. На тепловые характеристики материала дефекты в кристаллах оказывают 
меньшее влияние, чем на механические и электромагнитные характеристики.  
Материалы, применяемые в электротехнике и электроэнергетике,
могут состоять из одного вещества либо представлять соединение или
смесь нескольких веществ. Среди последних широко распространены 
сплавы и композиционные материалы. 
 

5. Определите роль 
дефектов 
кристаллической 
р е ш е т к и
в формир о в а н и и
с в о й с т в
материала

Сплав – макроскопически однородное вещество, получаемое
сплавлением двух либо более металлов, неметаллов, окислов, органических веществ и т. п. Особенно важную роль в технике играют металлические сплавы. Сплав не является механической смесью компонентов. При сплавлении компоненты могут образовывать: 
 твердые растворы; 
 химические соединения; 
 смеси фаз – эвтектики; 
 продукты различных превращений. 

6. Ч т о   
т а к о е  
сплав? 

 

7. Что такое 
композиционный материал и какие вы можете 
назвать 
примеры композиционных 
материалов? 

Композиционным материалом называется материал, состоящий из
двух или более компонентов, химически не связанных между собой, но
в итоге изменяющих параметры материала в целом по сравнению с
параметрами каждого из компонентов. 
Ниже будут рассмотрены (или их можно найти в рекомендуемой
литературе) такие композиционные материалы, как: бетон, текстолит,
гетинакс, эком, бетэл, вилит, резина, стеклопластик, не-которые материалы для электрических контактов, магнитодиэлектрики и др. 
Обычно свойства каждого из компонентов композиционного мате
риала бывают известны. При создании нового композиционного материала его новые свойства могут быть определены расчетным путем.
Для расчета таких параметров, как электропроводность, теплопроводность, диэлектрическая проницаемость (ниже они объединены
общим термином «обобщенная проводимость»), существует множество расчетных моделей, из которых мы выделим две. 
 
8. Назовите две модели проводимости композ и ц и о н ных материалов 
 

Матричная модель, содержащая два компонента: матрицу, кото
рая характеризуется непрерывностью в строении, и наполнитель, дискретно заполняющий объем материала, не занятый матрицей. 
Значение обобщенной проводимости для матричной смеси определяется выражением 

1

1
м
экв
м

1
м

ν
1+ 1–ν
σ
σ
= σ
,
+
3
σ – σ

Ê
ˆ
Á
˜
Á
˜
Ë
¯
 

в котором м и 1 – обобщенные проводимости матричной фазы и
наполнителя; 1 – объемная доля наполнителя (в долях единицы).  
Статистическая смесь – модель материала, два компонента кото
рого в отношении структуры проводимости равноправны. 
В статистической смеси значение обобщенной проводимости рассчитывается по выражению 

2
1
2
экв
2
А
А
 

=
+
+
,  

где 

1
1
2
2
(3
1)
(3
1)
4
А




+
=
, 

а σ1 и σ2 – обобщенные проводимости,  ν1 и ν2 – объемные доли первого и второго компонентов материала. 

Выбор той или иной модели для расчета зависит от структуры материала. 

 

1.2. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 
 

Тепловые свойства материалов определяют теплообмен и нагрев 
электротехнических изделий и конструкций. О нагреве мы судим по
температуре тела. 

 

Температура – это характеристика равновесного состояния вещества. В равновесных условиях температура технического диапазона 
пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела. Абсолютная температура – эта мера кинетической энергии поступательного 
движения молекул идеального газа. 

9. Определите понятие «температура» 
 

При определенных температурах могут скачком изменяться параметры или фазовое состояние вещества. Такие температуры можно 
назвать характерными температурными точками. 
 

 

Температуры: парообразования (кипения), 
плавления, 
текучести,  
каплепадания, 
вспышки паров,  
Дебая,  
Кюри, 
Неля,  
длительная рабочая и т. д. 

10. Назовите несколько характ е р н ы х
те м п е р а турных точек  материалов 

Повышение температуры связано с повышением кинетической
энергии колебательного движения частиц. Количество энергии, необходимое для этого, определяется теплоемкостью тела. 
 

 

Удельная теплоемкость – это количество энергии (теплоты), необходимое для повышения температуры единицы массы на 1 К. Размер
ность удельной теплоемкости – 
Дж
кг К

È
˘

Í
˙
◊
Î
˚
. 

11. Определите понятие «удельная теплоемкость» 

Другим важным для электротехнических и электроэнергетических 
устройств тепловым параметром материала является его способность
«проводить тепло» через  себя. Это свойство называется теплопроводностью. 

 

 

12. Определ
ите понятие «удель- 
ная тепло- 
п р о в о д -  
ность (коэффициент 
теплопроводности)» 

Удельная теплопроводность (коэффициент теплопроводности),
λ – это удельный тепловой поток через материал Р/S (мощность,
проходящая перпендикулярно изотермической поверхности площадью 1 м2) при градиенте  температуры (Т/l) один кельвин на
метр.  

.
Р
T
S
l


=
 

Размерность удельной теплопроводности – 

2
Вт/м
Вт
=
К/м
м К

È
˘
È
˘
Í
˙
Í
˙
◊
Î
˚
Í
˙
Î
˚
. 

 
При изменении температуры все параметры материала так или
иначе изменяются. Универсальной величиной, определяющей температурные изменения, является температурный коэффициент. 

 
13. Определ
ите понятие «темпе- 
ратурный 
к о э ф ф и -  
циент» 
 

Температурный коэффициент любого параметра а, ТКа – это значение относительного изменения этого параметра, определяемого при
увеличении (изменении) температуры на 1 К: 

1
ТК
.
а
а
а Т
∂
=
∂
 

Независимо от размерности параметра (удельное сопротивление,
длина и т. д.) размерность температурного  коэффициента всегда одинакова –  [К–1]. 
 
 

1.3. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ  
СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 

 
1.3.1. УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ 

14. Опреде- 
лите поня- 
тие «элек- 
тропровод- 
ность» и на- 
зовите вели- 
чины, опре- 
деляющие 
ее численно 
 

Электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток, обусловленная наличием свободных носителей электрических зарядов в веществе. Свободный носитель – это частица, не
связанная с конкретным атомом, молекулой или с поверхностью материала. Для численного определения электропроводности вводятся величины: «удельное электрическое сопротивление» ρ и «удельная электрическая проводимость» γ. 

1


=
. 

Значение удельной электрической проводимости вещества – γ
[См/м] определяется как произведение суммарного заряда свободных 
носителей электрического заряда в единице объема (n·q) [Кл/м3] и подвижности этих носителей – u [м2/(с·В)]: 

nq u
 =
◊
; 

n – концентрация носителей свободных зарядов, 1/м3, q – заряд носителя, Кл. 

15. Назовите 
два основных параметра, определяющих электропроводность
вещества 
 
Подвижностью носителей электрического заряда u называется ве
личина, численно равная средней скорости движения зарядов в веществе v [м/с], при напряженности поля E  = 1 В/м: 

v
u
E
=
 [м2/(В·с)]. 

16. Что такое подвижность 
носителей 
заряда? 
 
Названия типов электропроводности определяются названиями 
свободных носителей электрических зарядов: 
 электронная (дырочная, поляронная), 
 ионная, 
 молионная. 
Молионная электропроводность иногда (в специальной литературе) 
называется катафоретической или электроосмотической – по названию 
явлений (электрофорез, электроосмос), связанных с движением молионов в электрическом поле. 
 

17. Какие 
вам изве- 
стны типы 
электроп р о в о д ности? 
 

Молион – это электрически заряженная микроскопическая частица 
твердого вещества в жидкой среде. Электрический заряд молиона обусловлен избирательной адсорбцией на поверхность частицы ионов одного знака из раствора. В водной среде твердые частицы обычно адсорбируют отрицательные ионы из раствора и заряжаются в целом отрицательно. 
 

18. Что такое молион? 

Свободные носители электрического заряда в веществе имеют 

разные размеры.  По мере возрастания размера частицы располагаются 
следующим образом: 

электрон <ион<молион. 

Соответственно снижается их подвижность. 
Все указанные положения и рассмотренные параметры непосредственно определяют значение удельного электрического сопротивления материала. 

19. Сравните размеры 
носителей
заряда при
разных типах электропроводности