3774

дислокационный17 механизм, при котором наблюдается взаимный сдвиг по линии (или плоскости) дислокаций дефектной кристаллической структуры. Сдвиг (скольжение) начинается от мест нарушения кристаллической решетки и распространяется последовательно по плоскости сдвига.

Твердость наиболее часто определяется методом вдавливания шарика или призмы в испытываемый образец или царапанием.

В методе Виккерса алмазная пирамида стандартных размеров вдавливается острием в тело со шлифованной поверхностью

(рис. 4.11).

Твердость по Виккерсу (HV) определяется как отношение стандартной силы Р к площади отпечатка (мм2):

HV 1,854	P	,
	d 2

где d – среднеарифметическое значение для двух диагоналей отпечатка.

Р

1360

d

Рис. 4.11. Схема определения твердости

по Виккерсу

Твердость по Бринеллю (HB) – отношение силы, вдавливающей стандартный стальной шарик, к площади отпечатка.

Твердость по Роквеллу (HR) – отношение силы вдавливания к глубине внедрения алмазного конуса (е) с углом при вершине 120(шка-

17 Дислокация – дефекты кристалла, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

81

лы А и С) или стального шарика диаметром 1,5875 мм (шкала В). Твердость по Роквеллу для шкал А и С (HRC) равна (100 – е), а по шкале В (HRB) равна (130 – е). Чем меньше величина е, выраженная в делениях шкалы циферблата, тем выше твердость, которую показывает шкала. При использовании алмазного конуса HRC не зависит от нагрузки, так как условия пластической деформации под вершиной конуса остаются постоянные, и действует закон подобия.

Твердость по Моосу (твердость царапанием) определяется с использованием эталонных минералов, каждому из которых присвоено число твердости: 1 – тальк, 2 – гипс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит, 6 – ортоклаз, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 – корунд, 10 – алмаз.

4.14. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Коррозией материала называются химические превращения материала (прежде всего окисление), происходящие при участии внешней среды. Коррозия характерна для материалов, состав и структура которых далеки от природных. При получении таких материалов из исходных природных минералов и руд затрачивается энергия, энергетически «приподнимающая» материал над окружающей средой. При эксплуатации в природных условиях материал стремится вернуться в исходное состояние, на более низкий уровень энергии. Кроме того, коррозионные процессы энергетически обеспечиваются и сторонними источниками. В природной среде коррозия носит, как правило, электрохимический характер. Это означает, что электрическим процессам движения заряженных частиц (электронов и ионов) сопутствуют химические реакции окисления и восстановления.

По характеру источника энергии, обеспечивающего протекание этих процессов, электрохимическую коррозию можно подразделить на три вида:

коррозия в неоднородной и влажной грунтовой среде; контактная коррозия; электрокоррозия.

Коррозия во влажной среде (в грунте, при увлажнении туманом, дождем и т. п.) происходит при разделении поверхности металла на участки с разными электрохимическими характеристиками (анодные и катодные зоны).

82

Катодная зона

4e-+O2+2H2O=4OH-

2Fe(OH)2 (ржавчина)

Металл

2Fe++

Анодная зона

В анодной зоне идет выход ионов металла из кристаллической решетки в окружающую среду и соединение с присутствующими там ионами. В катодной зоне приэлектродная реакция сводится к восстановлению отрицательных гидроксильных ионов за счет электронов металла, кислорода и воды грунта:

4e–+ O2 + 2H2O = 4OH–.

Разделение на катодную и анодную области происходит вследствие разной концентрации кислорода в этих областях. Например, заземляющий проводник проходит из воздуха в грунт. Во влажной воздушной среде образуется катодная зона – здесь много кислорода. Под поверхностью грунта кислорода меньше, и здесь образуется анодная зона, где металл корродирует.

Контактная коррозия происходит при электрическом контакте между собой различных металлов во влажной среде. Более «благородные» из этих металлов имеют более положительный электродный потенциал и «перетягивают» в себя электроны из металла, имеющего менее положительный электродный потенциал. «Благородные» металлы являются катодом в паре с менее «благородным», корродирующим анодом. Электрохимический ряд металлов, применяемых в электроэнергетике, имеет следующий вид (расположенные выше металлы более «благородны» по сравнению с расположенными ниже):

медь

свинец сталь в бетоне

сталь в грунте алюминий цинк.

83

Тот или иной электрохимический потенциал металла по отношению к грунту обусловлен особенностями взаимодействия металла с грунтовой средой. Электрохимические потенциалы измеряются по отношению к стандартным электродам сравнения, электрохимический потенциал которых не изменен.

При контактной коррозии имеет значение соотношение площадей поверхности металлов коррозионной пары. Поскольку значение тока анода и катода одно и то же, соотношение площадей определяет соотношение плотностей тока с анода и катода. Интенсивнее электродные реакции идут при более высоких плотностях тока. Так, например, широко известен способ защиты стали от коррозии посредством оцинковки, т. е. покрытия поверхности стали тонким слоем цинка. Цинк по отношению к стали является анодом и будет растворяться, защищая сталь. Но поскольку поверхность стали, соприкасающаяся с влажной средой, минимальна (трещины в поверхности цинка, отверстия для болтов и т. п.), для защиты стали требуется малый ток, который в расчете на большую поверхность цинка создает мизерные плотности тока, и цинк растворяется весьма медленно. Оцинковки хватает на десятки лет. Иное дело, когда поверхность анода сравнима с поверхностью катода или превышает ее. Например, если применить оцинкованные заземлители, то на подстанции они будут работать в паре с арматурой железобетона, поверхность которой больше, чем оцинкованная поверхность заземлителей. Большой ток такой пары вызовет быстрое растворение цинка. Опыт показывает, что полное растворение цинка с поверхности оцинкованных стальных заземлителей происходит в течение 1–2 лет. Поэтому здесь оцинковка неэффективна.

Медные заземлители вызывают коррозию стальных труб, свинцовых и алюминиевых оболочек кабелей.

Электрокоррозия (коррозия под действием блуждающих токов) происходит в водной и грунтовой средах в зонах, прилегающих к электрифицированному на постоянном токе транспорту (железная дорога, трамвай, метро). Электрокоррозии подвержены обычно протяженные металлические коммуникации, например трубопроводы. Схема коррозионных токов показана на рис. 4.12.

На рисунке рассмотрен пример, когда вблизи железной дороги, электрифицированной на постоянном токе, проходит воздушная линия электропередачи (ВЛ). Грозозащитный трос этой ВЛ соединен с заземленными опорами.

84

	Тяговая	Тяговая
		подстанция
	подстанция
	+	+
	-	-

Электрокоррозия

арматуры

фундаментов

Рис. 4.12. Пример распределения блуждающих токов при наличии ВЛ, проходящей вблизи электрифицированной железной дороги

Электрокоррозия происходит в тех зонах, где потенциал металла по отношению к грунту положительный. Такие зоны называются анодными. Здесь с металла ток стекает, вынося с собой ионы металла, т. е. вызывая электрокоррозию (рис. 4.12).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Ожегов С.И. и Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 72 500 слов и 7500 фразеологических выражений / Российская Академия Наук. Институт русского языка; российский фонд культуры. – М.: АЗЪ, 1993. – 960 с.

2.Справочник по электротехническим материалам. В 3 т. Т.1 / под ред. Ю.В. Корицкого и др. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1986. –

368 с.: ил.

3.Справочник по электротехническим материалам. В 3 т. Т. 2 / под ред. Ю.В. Корицкого и др. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1987. –

464 с.: ил.

4. Справочник по электротехническим материалам / под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. – Т.3. – 3-е изд., перераб. – Л.: Энергоатомиздат., 1988. – 728 с.: ил.

85

5.Богородицкий Н.П., Пасынков В.В, Тареев Б.М. Электротехнические материалы: учебник для вузов. – 7-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиз-

дат, 1985. – 304 с.: ил.

6.Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. для вузов. В 2 т. / А.В. Шишкин, В.С. Чередниченко, А.Н. Черепанов, В.В. Марусин; под ред. В.С. Чередниченко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – Т. 1. Элементы теоретических основ материаловедения и технологии получения материалов. – 448 с.

7.Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. для вузов. В 2 т. / А.В. Шишкин, В.С. Чередниченко, А.Н. Черепанов, В.В. Марусин; под ред. В.С. Чередниченко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – Т. 2. Технология получения и обработки материалов. Материалы как компоненты оборудования. – 508 с.

8.Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнология» / под ред. В.С. Чередниченко. – 4-е

изд. стер. – М.: Омега-Л, 2008. – 752 с.

9.Материаловедение. Технология конструкционных материалов: сб. практ. заданий / С.М. Коробейников, С.В. Нестеров, Ю.В. Целебровский, Н.А. Черненко; под общ. ред. Ю.В. Целебровского. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. – 120 с.

86

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Учебно-научная лаборатория электротехнического материаловедения

Отчет по лабораторной работе

(название работы)

Выполнили студенты гр. ______________

( № группы)

______________

(Фамилия, И.О.)

______________

(Фамилия, И.О.)

Преподаватель ______________

(Фамилия, И.О.)

______________

(Дата)

87

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛАХ

П2.1. Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов

В любом теле при приложении напряжения должен протекать ток в соответствии с выражением, определяющим плотность тока

j

ni qiui E .

(П1)

Здесь ni – концентрация носителей заряда i-го сорта; qi – значение заряда; ui – подвижность носителей заряда. Определяющий параметр в этом выражении – ni. Значение ni велико для металлов, так как нет энергетического барьера для выхода электронов, ni – очень мало для диэлектриков, так как энергетический барьер (ширина запрещенной зоны) значителен и составляет примерно 10 эВ. Полупроводники и слабопроводящие материалы являются промежуточным звеном. Их ширина запрещенной зоны составляет обычно от доли электрон-вольт эВ до нескольких электрон-вольт.

Большой интерес к полупроводникам вызван возможностью управления их свойствами посредством добавления небольших количеств других веществ, так называемого легирования. Если добавлять легко ионизирующиеся вещества, т. е. вещества, легко отдающие электроны (их еще называют веществами-донорами электронов), то можно создать полупроводник с электронной проводимостью. В этом случае существует некоторое количество свободных электронов, за счет которых осуществляется проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником n-типа. Если добавлять вещества с большим сродством к электрону, т. е. вещества, легко захватывающие электроны, то создается полупроводник с называемой «дырочной» проводимостью. В этом случае существует некоторое количество свободных электронных вакансий, за счет которых осуществляется проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником р-типа. За счет комбинации полупроводников р- и n-типа созданы различные электронные приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и т. п.

88

Из полупроводниковых материалов отметим германий (он исторически был первым полупроводником наряду с окисью меди) и кремний. Последний в настоящее время является полупроводником № 1.

Рассмотрим некоторые характеристики кремния: плотность кГ/м3 2329; Т плавления С 1410;

теплоемкость кДж/(кг К) 0.8; теплопроводность Вт/(м К) 109;

собственное удельное сопротивление Ом∙м 2300; диэлектрическая проницаемость 12,5; магнитная восприимчивость 0,13∙10–4.

Электропроводность технических материалов также определяется аналогично выражению (П1). Отметим, что электропроводность полупроводящих материалов растет с повышением температуры. Это связано с тем, что с ростом температуры электроны имеют повышенную энергию, они легче могут стать свободными и участвовать в электропроводности.

В металлах, как указывалось ранее, электропроводность падает с ростом температуры. Это связано с тем, что в металлах количество носителей заряда велико и не зависит от температуры, но их движение может затрудниться при взаимодействии с тепловыми колебаниями молекул металла. Если снова обратиться к формуле (П1), то подвижность ui должна падать с ростом температуры из-за участившихся столкновений электронов с колебаниями решетки.

П2.2. Резистивные материалы

Нихром. Из металлических материалов для резисторов наибольшее распространение получили материалы на основе никеля, хрома и железа, так называемые нихромы, и родственные им материалы на основе железа, хрома и алюминия – фехрали. В обозначении марки буква Х означает хром, буква Н – никель, буква Ю – алюминий. Цифра после каждой буквы – процентное содержание этого элемента (массовые проценты). Железо обычно составляет основу, его не обозначают, а его содержание составляет остальное, т. е. сколько нужно, чтобы дополнить до 100 %. Температурный коэффициент удельного сопротивления нихромов положителен, т. е. с ростом температуры удельное сопротивление увеличивается.

89

Графит. Вторым по значению резистивным материалом является графит. Графит – одна из кристаллических модификаций углерода. Это непрозрачный, мягкий, электропроводный материал. Структура у него слоеная. В слое атомы углерода соединены в бесконечные шестичленные кольца. Каждое единичное кольцо представляет собой аналог бензольного кольца. Удельное сопротивление зависит от направления измерения. Если приложить электрическое поле поперек слоев, удельное сопротивление составит 100 мкОм м, если вектор напряженности поля параллелен плоскости слоев, удельное сопротивление снижается до 0.3…0.5 мкОм м.

Помимо чистого углерода известно много модификаций технического углерода, физические характеристики которых также сильно меняются в зависимости от структуры и от количества разнообразных примесей. В основе их лежит структура графита, поэтому технические углероды можно считать и техническими графитами. Из них отметим сажу, кокс, коллоидный графит, силицированный графит. Сажа характеризуется очень малым размером частиц, до десятков ангстрем. Используется как наполнитель для резин, полимеров, электропроводных композиций. Взвесь порошка графита в воде называется «аквадаг» и используется для создания электропроводящих покрытий.

Тот факт, что графит имеет повышенное удельное сопротивление по сравнению с металлами, позволяет применять его в промышленности для создания различных сопротивлений, начиная с пленочных сопротивлений в радиоэлектронике, графитовой бумаги и графитовой ткани и заканчивая композиционными материалами, где частицы графита выступают в роли проводящего наполнителя.

Бетэл. Бетэл (бетон электропроводный) – исторически один из первых российских электропроводящих композиционных материалов. Предложен в середине шестидесятых новосибирскими учеными (Ю.Н. Вершинин, М.А. Добжинский). Эта разработка в начале восьмидесятых была награждена государственной премией. Состоит из четырех компонентов: цемент, поликристаллический углерод (с добавкой сажи), вода, кварцевый песок. Главное достоинство – дешевизна исходных компонентов и простота технологии приготовления. Сделав смесь типа обычного бетона, куда добавлен поликристаллический графит с сажей, получаем материал с удельным сопротивлением примерно в диапазоне 0,01…10 Ом∙м.

Недостатки бетэла – способность к водопоглощению с последующим изменением многих параметров, малый коэффициент теплопроводности (~ 0,6 Вт/(м∙К).

90