- •Ю. А. Манаков материаловедение
- •Методические указания по выполнению семестрового задания
- •Теоретические материалы
- •Тема 1. Основные понятия
- •Теоретический материал
- •1.1. Общие понятия и определения
- •1.2. Классификация материалов
- •1.3. Требования к материалам при их выборе
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 2. Строение металлов
- •Теоретический материал
- •2.1. Кристаллические и аморфные тела
- •2.2. Строение чистых металлов
- •2.3. Кристаллографические направления и индексы
- •Анизотропия
- •2.4. Влияние типа химической связи на структуру и свойства кристаллов. Типы кристаллов
- •2.5. Дефекты кристаллического строения
- •2.6. Дислокационный механизм пластической деформации
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 3. Строение сплавов. Диаграммы состояния
- •Теоретический материал
- •3.1. Строение сплавов
- •3.2. Диаграммы состояния двойных сплавов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 4. Строение неметаллических материалов
- •Теоретические материалы
- •4.1. Строение полимеров
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.2. Строение стекол
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.3. Строение керамики
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.4. Композиционные материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 5. Свойства материалов и их определение
- •Теоретические материалы
- •5.1. Классификация свойств материалов, их общая характеристика
- •5.2. Механические (прочностные) свойства материалов
- •5.3. Твердость материала
- •5.4. Теплофизические свойства
- •5.5. Изменение свойств материалов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка
- •Теоретические материалы
- •6.1. Диффузия
- •6.2. Термическая обработка
- •Виды и операции то
- •6.3. Химико-термическая обработка
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 7. Металлические конструкционные материалы
- •Теоретические материалы
- •7.1. Сплавы железа с углеродом Общая характеристика железоуглеродистых сплавов
- •Классификация сталей
- •Углеродистые стали
- •Легированные стали
- •Стали и сплавы с особыми свойствами
- •Сортамент сталей
- •Вопросы для самопроверки
- •7.2. Цветные металлы и сплавы Медь и ее сплавы
- •Проволока дкрнм-0,6-кт-л80ам гост 1066-80 –
- •Алюминий и его сплавы
- •Сплавы магния
- •Сплав мл5 гост2856-79. Титан и его сплавы
- •Бериллий и сплавы на его основе
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы
- •Теоретические материалы
- •8.1. Термопластичные и термореактивные пластмассы
- •8.2. Керамика, стекло, ситаллы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Темы 9,10,11. Электротехнические материалы
- •Теоретические материалы
- •9.1. Энергетические зоны твердого тела
- •9.2. Проводниковые материалы Понятие об электропроводности
- •Электрические свойства и параметры проводниковых материалов
- •Классификация и характеристика проводниковых материалов
- •9.3. Полупроводниковые материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 10. Диэлектрические материалы
- •Теоретические материалы
- •10.1. Классификация и основные свойства диэлектриков
- •10.2. Поляризация диэлектриков и ее виды
- •.Влияние температуры и частоты на поляризацию
- •10.3. Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности
- •10.4. Диэлектрические потери
- •10.5. Электрическая прочность диэлектриков
- •10.6. Нагревостойкость диэлектриков
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 11. Магнитные материалы
- •Теоретические материалы
- •11.1. Общие положения
- •11.2. Основные свойства и параметры магнитных материалов
- •11.3. Классификация магнитных материалов и их характеристика
- •Магнитомягкие материалы
- •Магнитотвердые материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 12. Понятие о точности обработки и шероховатости поверхности
- •Теоретические материалы
- •12.1. Точность размеров
- •12.2. Шероховатость поверхности
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •Содержание
5.4. Теплофизические свойства
Наибольшее значение из теплофизических свойств имеют для материалов те, которые определяют способность отводить тепло, выделяющееся в процессе работы (теплопроводность), тепловое расширение, устойчивость к воздействию повышенных температур. Теплофизические свойства определяются типом межатомной связи, химическим составом материала и температурой. Рассмотрим некоторые из теплофизических свойств.
Теплопроводностью называется процесс передачи тепловой энергии от более горячих частей тела к холодным. Микрочастицы твердого тела участвуют в теплопроводности согласованно, при повышении температуры какого-то участка возрастает амплитуда колебаний узлов решетки (микрочастиц) относительно равновесных положений. За счет химических связей увеличивается также и амплитуда колебаний соседних микрочастиц, что эквивалентно передаче теплоты в менее нагретую область тела. Теплопередача имеет волновой характер. Микрочастицы, участвующие в передаче теплоты, называют фононами. Они являются квазичастицами. В теплопроводности металлов велика доля и свободных электронов. Поэтому общая теплопроводность - состоит: из - электронной составляющей теплопроводности, и - фононной, т. е. . Количественный показателем теплопроводности является экспериментально определяемый коэффициент теплопроводности, равный отношению количества теплоты Q, Дж, передаваемого за время t, с, через стенку площадью S=1 м2, при градиенте температур в ней , равном 10К/м, т. е., и имеет размерность Вт/м*0К.
В металлах механизм переноса тепла связан с электронами и фононами, в диэлектриках – только с фононами. Но механизм электропроводимости в металлах также связан со свободными электронами. Закон Видемана-Франца устанавливает, что для металлов отношение электронной теплопроводности к электронной проводимости есть величина постоянная : .
Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и электроны. Материалы в аморфном состоянии также хуже проводят теплоту.
Существенное влияние на теплопроводность оказывает тип химической связи. В таблице 2 приведены показатели физических свойств материалов с разными типами связей.
Таблица 2
Физические свойства материалов с различными типами химических связей
Материал |
ТКЛР, *10-6, σК-1 |
, Вт/(м*σК) |
Материал |
ТКЛР, *10-6, σК-1 |
, Вт/(м*σК) |
Металлическая связь |
Ионная связь |
||||
Cu Be Al Fe |
16,7 12,8 24 12,1 |
399 205 236 80 |
BeO Al2O3 SiO2 ZrO2 |
10,6 8,4 0,5 7,6 |
152,4 28,9 12,6 1,6 |
Ковалентная связь |
Молекулярная связь |
||||
Алмаз Графит SiC AlN |
1,2 8,1 4,3 4,03 |
1350 100 100 150 |
Поливинилхлорид Полистирол Поликарбонат Фторпласт - 4 |
230 60 60…70 – |
0,4 0,16 0,24 0,24 |
Тепловое расширение проявляется в изменении объема или линейных размеров тела при повышении температуры. Оно определяется характером изменения сил притяжения и отталкивания, действующих между атомами вещества при изменении расстояний между ними (рисунок 5,б). Кривая изменения энергии связи Есв.=f(d) имеет минимум при F=0. Это условие выполняется только при температуре абсолютного нуля. При повышении температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов, которая может изменяться в диапазоне d1-d`1 , (кривая изменения энергии сместиться вверх по рисунку 5,б), несимметрично относительно положения равновесия с межатомным расстоянием d0. Несимметричность амплитуд тепловых колебаний атомов при повышении температуры приводит к увеличению средних межатомных расстояний и лежит в основе теплового расширения.
Показателем теплового расширения является определяемый на практике температурный коэффициент теплового линейного расширения ТКЛР–, равный , где – изменение длины при повышении температуры на градусов; l– длина образца. Обычно ТКЛР определяется как среднее значение для диапазона температур от 20 до 2000С и имеет размерность 0К-1.
Чем сильнее сила связи между частицами твердого тела, тем меньше ТКЛР материала (таблица 2). Создание текстур в металлических сплавах, ориентация макромолекул в полимерах отражается на значениях ТКЛР: они существенно различаются в направлении преимущественной ориентации и в поперечном направлении, т. е. имеет место анизотропия.
Тепловое расширение полимеров уменьшается при усилении межмолекулярного притяжения благодаря взаимодействию диполей, наличия водородных и химических связей молекул.
Различие значений ТКЛР двух соединяемых материалов является причиной появления значительных термических напряжений в сопряжении. Согласование (обеспечение примерного равенства ТКЛР) значений при соединении неметаллов с металлами, необходимо, например, у материалов подложек с проводниковыми и резистивными пленками, гермовводов в герметичный объем и другие. Тепловое расширение учитывают при расчете прессовых посадок, сварке, пайке, склеивании разнородных материалов. Особенно важен этот учет для изделий, работающих в изменяющихся температурных полях. Наиболее стойки к перепадам температур и разрушению материалы, в которых малые ТКЛР сочетаются с высокой теплопроводностью.
Термоудар– способность материала выдерживать без разрушения резкие смены температур. Чем меньше ТКЛР материала и выше его теплопроводность , тем большей стойкостью к термоудару обладают материал. Хорошей стойкостью к термоударам обладает металлы, бериллиевая керамика, плавленый кварц и другие. Понятие термоудар относится не только к материалу, но и к изделию.
Под нагревостойкостью материала понимают его свойство сохранять без изменения химический состав и структуру молекул при повышенных температурах. Для различных по строению и условиям эксплуатации материалов в различных областях техники ограниченно используют и другие термины, отражающие влияние температуры на свойства материала: теплостойкость– для полимеров, пластмасс; жаростойкость, термостойкость –для металлов, и другие [1,2,3,4,6].