Лекции по материаловедению

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

И.З. ШАРИПОВ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рекомендовано редакционно-издательским советом УГАТУ

в качестве учебного пособия для студентов вечерней и заочной

формы обучения

Уфа 2008

УДК 669: 661.3 (07)

ББК 34.2 (я7)

Ш25

Ш25 Шарипов И.З. Материаловедение.. Часть II: Учебное пособие/ Уфимск.

гос. авиац. техн. ун-т.– Уфа, 2008.– 94 с.

ISBN5–86911–503–5

В учебном пособии изложены основы строения и физики электрических

явлений неметаллических материалов: диэлектриков и полупроводников,

рассмотрены механические свойства различных конструкционных материалов,

металлических и неметаллических. Пособие предназначено для студентов

электротехнических специальностей вечерней и заочной формы обучения.

Табл. 15. Ил. 59. Библиогр. 20 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Уфимского

государственного авиационного технического университета.

Рецензенты:

Д-р физ.-мат. наук,

ст. науч. сотр. ИПСМ РАН Пшеничнюк А.И.

Д-р. физ.-мат. наук,

проф. каф. общей физики БашГУ Балапанов М.Х.

ББК 34.2 (я7)

ISBN5–86911–503–5 ©LLИ.З. Шарипов,L2008

©LLУфимский государственный авиационный

технический университет, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ...........................................................6

1.1 ДИЭЛЕКТРИКИ..............................................................................................7

1.1.1. Основные процессы в диэлектриках в электрическом поле..................9

1.1.2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ....................................10

1.1.3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ......................................................12

1.1.3.1. Электронная поляризация.................................................................13

1.1.3.2. Ионная поляризации...........................................................................14

1.1.3.3. Дипольная поляризация.....................................................................15

1.1.3.4. Спонтанная поляризация..................................................................16

1.1.3.5. Активные диэлектрики.....................................................................17

1.1.4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ...........................................................18

1.1.4.1. Зависимость тангенса угла потерь от температуры.................20

1.1.4.2. Зависимость тангенса угла потерь от частоты.........................22

1.1.5. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ...................................................................23

1.1.5.1. Электрический пробой......................................................................23

1.1.5.2. Электротепловой пробой.................................................................25

1.1.5.3. Электрохимический пробой..............................................................26

 Контрольные вопросы..........................................................................27

1.2. ПОЛУПРОВОДНИКИ.................................................................................28

1.2.1. Собственные полупроводники................................................................29

1.2.2. Примесные полупроводники....................................................................30

1.2.3. Применение полупроводников.................................................................32

 Контрольные вопросы..........................................................................37

II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ......................................38

2.1. Диаграмма растяжения...............................................................................38

2.2. Твердость........................................................................................................41

2.3. Теоретическая и реальная прочности кристалла..................................42

 Контрольные вопросы..........................................................................44

III. ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ45

3.1. Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла. 45

3.2.1. Рекристаллизация....................................................................................46

3.2. Холодная и горячая деформации..............................................................48

3.3. Термическая обработка металлов.............................................................50

3.4. Химико-термическая обработка металлов..............................................52

3.3.1. Цементация.......................................................................................54

3.3.2. Азотирование....................................................................................55

3.3.3. Нитроцементация............................................................................55

3.3.4. Цианирование....................................................................................55

3.3.5. Борирование.......................................................................................56

3.3.6. Силицирование...................................................................................56

3.3.7. Диффузионная металлизация..........................................................56

3.5. Поверхностная пластическая деформация.............................................56

 Контрольные вопросы..........................................................................58

IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.....................................................59

4.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

.................................................................................................................................59

4.1.1.Критерии оценки конструкционной прочности материалов..............60

4.2. СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ......................................................62

4.2.1. СТАЛИ.......................................................................................................63

 Контрольные вопросы..........................................................................66

4.3. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ.......................................................67

4.3.1. Медные сплавы.........................................................................................67

4.3.2. Алюминиевые сплавы...............................................................................69

4.3.3. Магний и его сплавы................................................................................70

4.3.4. Титан и его сплавы..................................................................................71

 Контрольные вопросы..........................................................................71

4.4. ОРГАНИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.............72

4.4.1. Химический состав..................................................................................72

4.4.2. Строение полимеров................................................................................72

4.4.3. Свойства полимеров................................................................................76

4.4.4. Полимеры с наполнителями....................................................................78

4.4.5. Эффективность применения полимеров...............................................78

 Контрольные вопросы..........................................................................79

4.5. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ........80

4.5.1. Графит......................................................................................................80

4.5.2. Стекло.......................................................................................................81

4.5.3. Ситаллы....................................................................................................84

4.5.4. Керамика...................................................................................................85

 Контрольные вопросы..........................................................................87

4.6. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ...................................................88

4.6.1. Дисперсноупрочнённые композиционные материалы..........................88

4.6.2. Волокнистые композиционные материалы..........................................89

 Контрольные вопросы..........................................................................91

Список литературы..................................................................................................92

ВВЕДЕНИЕ

Умение находить и использовать материалы является важнейшим условием развития

человечества. Поэтому неслучайно разные периоды его развития носят названия по тому

материалу, который освоил человек. Первоначально это были природные материалы: дерево

и камень, из которых изготавливали орудия труда и оружие: палки, топоры, стрелы и пр..

Этот период получил название «каменный век». Его сменил «бронзовый век», когда люди

научились вплавлять медь. Затем пришёл «железный век», когда повсеместно

распространилось железо. Двадцатый век часто по праву называют «веком стали».

За многовековую историю своего развития человек научился создавать и использовать

огромное количество различных материалов и веществ. Их к настоящему времени уже

известно более 20 миллионов. Каждый материал обладает своими уникальными свойствами:

тепловыми, механическими, электрическими, магнитными и др. Часто возможность создания

того или иного технического устройства – самолета , подводной лодки, компьютера и др. –

определяется свойствами имеющихся в распоряжении конструкторов материалов. Поэтому

потребности науки, техники, производства в новых материалах всё более возрастают.

Ориентироваться во всём этом многообразии невозможно без знания закономерностей

формирования свойств материалов, их зависимости от химического состава, структуры,

термической обработки и т.д. Изучение и выявление таких закономерностей является задачей

обширной науки – материаловедения.

Данное учебное пособие является изложением курса материаловедения,

предназначенного для студентов электротехнических специальностей, поэтому в первую

очередь рассматриваются электрические свойства материалов. Первая часть курса,

посвященная свойствам металлов и сплавов, изложена в книге [1]. В этом учебном пособии

продолжено рассмотрение основных электрических свойств и процессов в неметаллических

материалах: диэлектриках и полупроводниках. Во второй главе уделено внимание

механическим свойствам материалов и способам их измерения. В третьей главе – процессам

происходящим при нагреве металлов, их термической и химико-термической обработке.

Четвёртая глава посвящена различным конструкционным материалам: металлическим –

неметаллическим , органическим – неорганическим, композиционным.

Для закрепления усвоения материала в конце тематических разделов приведены

контрольные вопросы.

I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

К неметаллическим материалам относятся разнообразные по природе и строению

материалы – органические и неорганические, полимерные и мономерные, кристаллические и

аморфные. Например, графит, стекло, бумага, дерево, слюда, керамика, пластмассы,

композиционные материалы, резины, клеи, герметики, лаки и т.д.

Их диэлектрические свойства, легкость, прочность, эластичность, химическая

стойкость делают эти материалы необходимыми составляющими во всех электрических

устройствах, машинах и летательных аппаратах.

С точки зрения электрических свойств, вещества делятся на проводники, диэлектрики

и полупроводники.

Проводники – это вещества, в которых имеется большое количество свободных

носителей заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться

внутри этого материала. Например, электроны в металле, ионы в жидкости или газе. Из-за

этого такие материалы имеют малое значение удельного электрического сопротивления. Так

у металлов оно составляет величину  = 10

–8

10

–6

Ом·м.

Диэлектрики – это вещества, в которых практически нет свободных носителей заряда,

то есть, нет заряженных частиц, которые могли бы перемещаться внутри диэлектрика.

Вследствие чего у таких материалов удельное электрическое сопротивление очень велико

L=L10

10

Ом·м

Полупроводники имеют значение удельного электрического сопротивления

промежуточное между проводниками и диэлектриками  = 10

–5

10

Ом·м. Их

проводимость обусловлена перемещением некоторого количества подвижных носителей

заряда (электронов, ионов и др.), возбужденных внешними энергетическими воздействиями

(нагревом, облучением, наложением сильного электрического поля и т.д.).

Столь значительные различия в электрических свойствах материалов обусловлены

различием в строении электронных энергетических зон (рис.1.). Нижние, заполненные

электронами, разрешенные уровни энергии в кристалле называют валентной зоной. Верхние

свободные энергетические уровни – зоной проводимости.

У диэлектриков зона проводимости отделена от валентной зоны зоной запрещенных

значений энергии. Ширина запрещенной зоны у диэлектриков E

> 3 э.в. (элекрон-вольт).

Электроны не могут преодолеть столь значительный потенциальный барьер и поэтому не

могут перемещаться в кристалле.

Диэлектрик Полупроводник Проводник

Рис.1. Строение энергетических зон кристаллических твердых тел.

У полупроводников ширина запрещенной зоны небольшая E

 1 э.в. . При

поглощении валентным электроном кванта энергии большего и равного ширине

запрещенной зоны, электрон переходит в свободную зону проводимости и получает

возможность перемещаться. После ухода электрона из валентной зоны в ней остается

незанятое место – дырка. Таким образом, при возбуждении атома (за счет нагрева или

облучения) в кристалле появляются два подвижных носителя заряда противоположных

знаков: электрон и дырка.

У проводников запрещенная зона отсутствует, т.е. валентная зона и зона

проводимости сливаются друг с другом. В этом случае при малейшем нагреве в зоне

проводимости всегда содержится огромное число электронов, что и объясняет хорошую

проводимость металлов.

Строение и свойства проводников металлов уже рассматривались ранее. Теперь изучим

диэлектрики.

1.1 ДИЭЛЕКТРИКИ

Диэлектрическими называют материалы, имеющие низкую плотность подвижных

носителей заряда (ионов и электронов), поэтому практически не проводящие электрический

ток. Удельное электрическое сопротивление таких материалов в 10

– 10

раз выше, чем у

проводников и характеризуется величинами L=L10

10

Ом·м. Энергия, необходимая для

возбуждения электронов на уровни проводимости, превосходит 3 электрон-вольта.

По химической природе и строению диэлектрические материалы весьма разнообразны

(рис.2.).

Рис.2. Классификация диэлектриков.

Тип химической связи зависит от природы взаимодействующих атомов, о чем

говорилось ранее. Агрегатное состояние вещества может меняться в зависимости от

температуры. Поясним некоторые новые термины.

Органическими называют вещества, содержащие в своей основе углерод и водород.

Кроме того, в них может входить некоторое количество кислорода, азота, серы и других

Диэлектрики

классификация

по типу химической связи

ковалентная ионная поляризационная

по агрегатному состоянию

твердые жидкие газообразные

по химическому составу

органические неорганические

по структуре

кристаллические аморфные

по молекулярному строению

мономеры полимеры

по происхождению

природные

(естественные)

синтетические

(искусственные)

по электронному строению молекул

полярные неполярные

элементов. Неорганические вещества разнообразны по химическому составу и могут состоять

из любых элементов периодической таблицы Менделеева.

Кристаллические тела характеризуются правильным периодическим расположением

атомов. У аморфных тел атомы или молекулы распределены неупорядоченно, хаотично.

По строению молекул различают мономеры и полимеры. Мономеры – вещества,

молекулы которых состоят из относительно небольшого числа атомов, обычно <100.

Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся

звеньев. Количество атомов входящих в такую макромолекулу очень велико от 1000 до

1L000L000.

По происхождению материал может быть природным, т.е содержаться в окружающей

среде, а может быть получен искусственным или синтетическим путем.

По электронному строению молекул различают полярные и неполярные вещества. У

неполярных диэлектриков электроны распределены симметрично и поэтому в отсутствии

внешнего электрического поля собственного дипольного момента у молекул нет. У полярных

диэлектриков напротив молекулы являются электрическими диполями. Дипольный момент у

молекул возникает из-за несимметричного распределения электронов в пространстве.

Причиной могут быть атомы галогенов или сильных окислителей, которые притягивают

электроны. Например, группы –Cl, –F, –OH и др..

Например, алмаз можно охарактеризовать как твердый по агрегатному состоянию

диэлектрик, с ковалентной связью, неорганический, кристаллический по структуре, по

происхождению может быть как природным, так и синтетическим, неполярный.

Поливинилхлорид – это твердый аморфный диэлектрик, органический, с ковалентной связью

в углеродной цепочке, с поляризационной связью между молекулами, синтетический по

происхождению, полярный из-за наличия атомов хлора.

Разнообразие диэлектриков приводит к большим различиям в их свойствах.

Рассмотрим основные электрические характеристики диэлектриков.

1.1.1. Основные процессы в диэлектриках в электрическом поле

При помещении диэлектрика в электрическое поле в нем происходят четыре

основных процесса:

1. электропроводность,

2. поляризация,

3. диэлектрические потери,

4. пробой диэлектрика.

Электропроводность – свойство диэлектриков проводить небольшой электрический

ток, который связан с перемещением под действием электрического поля небольшого

количества подвижных зарядов.

Поляризация – свойство диэлектриков изменять напряженность электрического

поля, что связано со смещением на небольшие расстояния связанных зарядов вещества.

Диэлектрические потери – выделение энергии в диэлектрике в виде тепла под

действием внешнего электрического поля.

Пробой – потеря диэлектрических свойств вещества в сильных электрических полях.

Рассмотрим каждое явление подробнее.

1.1.2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Абсолютно чистый диэлектрик с идеальной структурой был бы идеальным

изолятором, т.е. совсем не проводил бы электрический ток. В реальных же диэлектриках

всегда содержатся примеси, их структура имеет дефекты, они подвергаются внешним

воздействиям. Вследствие этого все диэлектрики содержат небольшое количество

подвижных зарядов, а значит в той или иной степени проводят электрический ток.

Свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле и обуславливают

электропроводность, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны,

структурные дефекты вакансии или дырки. Электропроводность определяется

концентрацией этих носителей в соответствии с соотношением:

ng 



, (1.1)

где



– проводимость, n – концентрация носителей , g – величина заряда носителей,



L– их подвижность.

На концентрацию подвижных зарядов оказывают влияние: состав материала,

температура среды, облучение материала светом или частицами высоких энергий и другие

внешние воздействия.

Концентрация подвижных носителей заряда в полярных материалах, как правило,

выше, чем в неполярных. Связано это с тем, что полярные материалы труднее поддаются

очистке, вследствие чего в них больше примесей. Наличие легко ионизируемых примесей, а

так же дефектов кристаллического строения, увеличивают число свободных зарядов в

материале и увеличивают его проводимость.