j
Название книги | Электротехническое и конструкционное материаловедение: учебник |
Автор | Черепахин |
Год публикации | 2017 |
Издательство | Феникс |
Раздел каталога | Энергетика. Машиностроение. Приборостроение (ID = 123) |
Серия книги | Высшее образование |
ISBN | 978-5-222-27669-3 |
EAN13 | 9785222276693 |
Артикул | O0080238 |
Количество страниц | 349 |
Тип переплета | матовая+лакировка |
Формат | 84*108/32 |
Вес, г | 374 |
Посмотрите, пожалуйста, возможно, уже вышло следующее издание этой книги и оно здесь представлено:
Учебник предназначен для студентов направления подготовки бакалавриата 13.03.02 "Электроэнергетика и электротехника" укрупненной группы направлений 13.00.00 "Электро- и теплоэнергетика". В книге подробно рассмотрены виды и свойства конструкционных и электротехнических материалов (диэлектрики, полупроводники, проводники и т.д.), технологические процессы их производства и их применение как компонентов электроэнергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования, теоретические и практические вопросы воздействия на их структуру и свойства различных факторов (температурных, силовых, физико-химических). Материал учебника подготовлен в соответствии с требованием Федерального государственного образовательного стандарта преподавания дисциплины "Электротехническое и конструкционное материаловедение". Издание может быть полезно студентам направлений 13.03.01 "Теплоэнергетика и теплотехника", 13.03.03 "Энергетическое машиностроение", а также студентам машиностроительных вузов конст
К сожалению, посмотреть онлайн и прочитать отрывки из этого издания на нашем сайте сейчас невозможно, а также недоступно скачивание и распечка PDF-файл.
А. А. Черепахин, Т. И. Балькова, А. А. СмолькинЭлектротехническое и конструкционное материаловедениеРекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ «ФИРО») в качестве учебника для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы высшего образования по направлениям подготовки бакалавров 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника, 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника, 13.03.03 Энергетическое машиностроение (Протокол заседания Экспертного совета по профессиональному образованию ФГАУ «ФИРО» от «23» июня 2016 г. № 6, рецензия № 223 от «27» июня 2016 г.)Ростов-на-Дону «Феникс» 2017УДК 620.20:621.3(075.8)ББК 31.23я73КТК 230Ч-46Черепахин А.А.к.т.н., доц. кафедры оборудования и технологии сварочного производства Московского политехнического ун-та, Почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации Ф А.А. Черепахин;к.т.н., доц. кафедры материаловедения Московского политехнического ун-та Т.И. Балькова; к.т.н., проф. кафедры оборудования и технологии сварочного производства Московского политехнического ун-та А.А. СмолькинПРЕДИСЛОВИЕВ учебнике рассмотрены строение, основные свойства различных видов электро- и радиоконструкционных материалов. Подробно описано кристаллическое строение металла, процессы кристаллизации, пластической деформации и рекристаллизации. Описаны фазы, образующиеся в сплавах, диаграммы состояния и современные конструкционные материалы. Большое внимание уделено теории и технологии термической обработки. Даны практические рекомендации по выбору способа и режима термической и химико-термической обработок.Материалы, представленные в учебнике, подготовлены на основе рабочих программ дисциплины «Электротехническое и конструкционное материаловедение» в соответствии с требованиями ФГОС ВО по направлению подготовки бакалавриата 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».Настоящее пособие будет полезно студентам при овладении общими (ОК) и профессиональными (ПК) компетенциями:— способности к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);— готовности к самостоятельной, индивидуальной работе, принятию решений в рамках своей профессиональной компетенции (ОК-7);— способности демонстрировать базовые знания в области естественнонаучных дисциплин и готовности использовать основные законы в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-2);— способности использовать технические средства для измерения и контроля основных параметров технологического процесса;— готовности обосновывать технические решения при разработке технологических процессов и выбирать технические средства и технологии с учетом экологических последствий их применения (ПК-21);— способности выполнять экспериментальные исследования по заданной методике, обрабатывать результаты экспериментов (ПК-44).Учебник состоит из введения, семнадцати глав, к каждой из которых даны контрольные вопросы, а также глоссария и списка литературы.Издание может быть полезно студентам направлений подготовки бакалавриата 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 13.03.03 «Энергетическое машиностроение», а также студентам машиностроительных вузов конструкторских и технологических направлений.ВведениеМатериаловедение — комплексная наука, изучающая внутреннее строение и свойства материалов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, механических, химических, электромагнитных радиоактивных. Теоретической основой материаловедения являются физика и химия твердого тела.Многие современные изделия работают в неблагоприятных условиях (повышенные скорости взаимных перемещений; высокая влажность, агрессивная внешняя среда; повышенный температурный режим и т.п.). При этом к изделиям предъявляются высокие требования по безотказности работы. Все это требует увеличения эксплуатационных характеристик материалов, что во многом определяется крупными достижениями в теории и практике материаловедения. В настоящее время широкое применение нашли новые высокопрочные металлические материалы различного назначения, композиционные материалы, материалы с особыми свойствами (полупроводники и жидкие кристаллы, сверхпроводники, аморфные сплавы), одновременно совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработками.Машиностроительные материалы можно условно разделить на группы конструкционных, строительных, электротехнических и других материалов. Каждая группа, в свою очередь, подразделяется на подгруппы по следующим признакам: строение, химический состав, эксплуатационные и (или) технологические свойства.По строению конструкционные материалы можно разделить на 2 группы: однородные и неоднородные материалы. В группу однородных входят металлические и неметаллическиеВ зависимости от вида основного металла различают металлические черные (основа — железо), цветные (основа — медь, алюминий, цинк, магний, никель, титан, бериллий и т. д.) и биметаллические материалы. Среди неметаллических материалов различают полимеры (пластмассы) и резиновые материалы; клеи и герметики; лакокрасочные (пленочные), древесные и прокладочные материалы. В зависимости от вида основы (матрицы) различают композиционные материалы с металлической и неметаллической матрицей. Порошковые материалы подразделяются на пористые и компактные.Из всех описанных в Периодической системе Д.И. Менделеева химических элементов более 80 являются металлами и обладают такими характерными для металлов свойствами, как высокая пластичность, ковкость, высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент электрического сопротивления (многие металлы обладают сверхпроводимостью при температурах близких к -273°С), хорошая отражающая способность. Эти свойства обусловлены наличием свободно перемещающихся электронов в кристаллической решетке. Более высокими техническими свойствами обладают не чистые металлы, а их соединения с металлами и неметаллами — сплавы, которые по составу и строению бывают разными (механическая смесь, твердый раствор или интерметаллическое соединение), но сохраняют важнейшие свойства металлов и называются металлическими материалами.Примером широкого использования сплавов являются сталь — сплав железа с углеродом (добавки Mn, Cr, Ni, Si, P, S); бронза — сплав меди, обычно с оловом, алюминием, бериллием, кремнием, свинцом и другими элементами, за исключением цинка и никеля; латунь — сплав меди с цинком (добавки: Zn, Mn, Al, Pb, Si); мельхиор, нейзильбер — сплавы меди с никелем; дюралюминий — сплав алюминия с медью (3...5%), марганцем (около 1%), магнием (около 1%); амальгамы — сплавы металлов, содержащих ртуть.Электротехническими называют материалы (ЭТМ), используемые в технике с учетом свойств и характеристик в электромагнитном поле (как отдельно электрического или магнитного полей, так и их совокупности).ЭТМ классифицируют по характеру взаимодействия с электрическим или магнитным полем (рис. 2).В соответствии с ГОСТ Р 52002-2003 «Электротехника. Термины и определения основных понятий» электротехнические материалы по характеру взаимодействия с внешним электрическим полем подразделяются на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.Проводником называют вещества, основным электрическим свойством которых является высокая электропроводность.Электропроводность определяется как свойство вещества проводить под действием не изменяющегося во времени электрического поля не изменяющийся во времени электрический ток. Характеристиками электропроводности являются удельная электрическая проводимость у, измеряемая в см/м, и обратная ей величина — удельное электрическое сопротивление р, измеряемое в Ом·м или, чаще, в мкОм·м. Из всех проводниковых материалов минимальным удельным сопротивлением обладает серебро — 0,016 мкОм·м. По наиболее широко распространенной градации считается, что удельное сопротивление проводников при нормальной температуре лежит в пределах от 0,016 до 10 мкОм·м.Полупроводниковыми называются материалы, основным электрическим свойством которых является сильная зависимость электропроводности от воздействия внешних факторов (например, от температуры, давления или освещенности). Их удельное электрическое сопротивление лежит в пределах от 10-5 до 107 Ом^м.Диэлектрики — вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. Поляризация заключается в ограниченном смещении или в ориентации связанных зарядов, что приводит к возникновению в диэлектрике внутреннего электрического поля, направленного в сторону, противоположную внешнему полю. При поляризации электрический момент некоторого объема вещества становится отличным от нуля. Удельное электрическое сопротивление диэлектрических материалов более 107 Ом^м.По характеру взаимодействия с магнитным полем ЭТМ подразделяются на магнитные и немагнитные.Немагнитные материалы не взаимодействуют с магнитным полем, т. е. не приобретают магнитных свойств при воздействии на них магнитного поля.Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться и нашли особенно широкое применение в технике благодаря их магнитным свойствам. Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабомагнитным или практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие, что определяет частотный диапазон их применения.Глава 1Основные сведения о строении веществСтроение атома
Модель ТомсонаВ античные времена ученые и философы считали, что на Земле и в космосе не существует ничего меньшего по размеру, чем атом. В 1897 году английский физик Джон Томсон показал, что атом не является минимальной частицей, в его состав входят частицы, имеющие гораздо меньший размер. Ученый вычислил их массу и доказал, что частицы имеют отрицательный электрический заряд, являющийся их неотъемлемой частью. Позднее эти частицы назвали электронами. Томсон предложил первую в мире модель строения атома (так называемую модель пудинга): атом — это сгусток положительно заряженной материи, в которой равномерно распределены отрицательно заряженные электроны. Модель хорошо объясняла общую нейтральность атомов, так как противоположные заряды уравновешивают друг друга. Оставался открытым вопрос о том, что является положительно заряженной материей.Модель РезерфордаВ 1911 году Эрнест Резерфорд провел серию экспериментов по рассеиванию альфа-частиц на золотой фольге и обнаружил, что в атоме присутствуют положительно заряженные частицы. Экспериментальные данные позволили Резерфорду предположить следующее строение атома: в центре расположено положительно заряженное ядро, а вокруг ядра по определенным траекториям-орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. В модели атома Резерфорда прослеживается аналогия с движением планет Солнечной системы вокруг Солнца, поэтому модель была названа планетарной. Недостатком планетарной модели была ее несовместимость с законами классической физики. Если электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, то их движение ускоренное, и, следовательно, по законам классической электродинамики они должны были бы излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро. При этом атом должен давать излучение с непрерывным (сплошным) спектром частот. Но практика опровергает эти умозаключения: атомы являются устойчивыми системами, и спектр излучения атома является линейчатым (дискретным).Полуквантовая модель БораВ 1913 году датский физик Нильс Бор ввел идеи квантовой теории в ядерную модель атома Резерфорда и разработал теорию атома водорода, которая подтвердилась всеми известными тогда опытами. Бор сформулировал в виде постулатов основные положения новой теории, которые налагали лишь некоторые ограничения на допускаемые классической физикой движения. Однако последовательной теории атома Бор не дал. В основе теории Бора лежат два постулата.Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарном состоянии атом не излучает. Согласно первому постулату Бора атом характеризуется системой энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенному стационарному состоянию (рис. 1.1).ОглавлениеПредисловие 3Введение 5Строение ядра 21
Создание единой теории строения микромира 22
Глава 2. Типы химических связей25Химическая связь 25
Ионная химическая связь 26
Ковалентная химическая связь 27
Металлическая связь 29
Глава 3. Зонная теория твердых тел 31Глава 4. Строение твердых тел 37Атомно-кристаллическая структура металлов 37
Дефекты кристаллической решетки 42
Строение реального твердого
кристаллического тела 48Особенности строения некристаллических
материалов51Глава 5. Кристаллизация чистых металлови сплавов 60Кристаллизация чистых металлов 60
Гомогенная кристаллизация 60Гетерогенная кристаллизация 64Полиморфные превращения 65Кристаллизация сплавов 66
Глава 6. Общая характеристика сплавов 71Классификация сплавов 71
Структура сплавов 74
Диаграмма состояния сплавов75
Построение диаграммы состояния сплавов, образующих механическую смесь 78
Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях 80
Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику 83
Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением компонентов и эвтектоидным превращением86
Глава 7. Железоуглеродистые сплавы 88Фазы и структуры
в железоуглеродистых сплавах88Диаграмма состояния железо-углерод90
Углеродистые стали 96
Чугуны 99
Глава 8. Термическая обработка сталейи поверхностное упрочнение деталей 112Термическая обработка сталей 112
Превращение перлита в аустенит 113Распад переохлажденного аустенита 114Отжиг и нормализация стали 116Закалка и отпуск стали 120Поверхностное упрочнение стальных деталей 123
Упрочнение поверхности детали методом пластического деформирования 123Химико-термическая обработка 124Термомеханическая обработка стали (ТМО) 125Контрольные вопросы 127Глава 9. Легированные стали 128Влияние легирующих элементов
на свойства стали 128Классификация легированных сталей 130
Маркировка легированных сталей131
Легированные конструкционные стали 132
Легированные инструментальные стали 134
Стали с особыми свойствами 135
Литейные легированные стали 138
Контрольные вопросы 139Глава 10. Цветные металлы и сплавы на их основе 140Алюминий и алюминиевые сплавы 140
Деформируемые алюминиевые сплавы 142Литейные алюминиевые сплавы 144Спеченные алюминиевые сплавы146Магниевые сплавы 147
Деформируемые магниевые сплавы 147Литейные магниевые сплавы 149Медь и медные сплавы 150
Деформированные медные сплавы 151Литейные медные сплавы152Титан и титановые сплавы 155
Цинковые сплавы 155
Глава 11. Неметаллические конструкционные материалы 157Пластмассы 157
Резиновые материалы 160
Клеи и герметики 162
Лакокрасочные материалы165
Глава 12. Композиционныеи порошковые материалы 166Композиционные материалы с металлической матрицей167
Волокнистые композиционные материалы 167Дисперсно-упрочненные композиционные материалы 169Композиционные материалы
с неметаллической матрицей 170Конструкционные порошковые материалы171
Пористые порошковые материалы 171Компактные порошковые материалы 172Глава 13. Основы нанотехнологии174Основные понятия нанотехнологии 174
Аппаратные средства нанотехнологии 174Методы молекулярного дизайна 177Графен, углеродные нанотрубки и фуллерены 178
Графен 179Углеродные нанотрубки 180Фуллерены 182Глава 14. Проводниковые материалы 185Классификация проводниковых материалов 185
Природа электропроводности металлов 192
Классическая теория электропроводностиметаллов Друде-Лоренца19 2Квантовая теория электропроводности 195Зависимость электро сопротивления
металлов от температуры199Температурный коэффициент удельногосопротивления металлов 199Температурная зависимость удельного сопротивления 20 1Основные свойства металлических
проводников материалов 206Теплоемкость, теплопроводность и теплота плавления проводников 207Температура и теплота плавления 210Температурный коэффициент линейного расширения проводников (ТКЛР) 212Работа выхода электрона из металла 214Термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) 215Проводниковые материалы
на основе металлов 217Металлы с высокой удельной проводимостью 217Сверхпроводники 223Благородные металлы 233Тугоплавкие металлы 236Проводниковые материалы на основе
сплавов металлов 244Сплавы металлов с высокой удельной проводимостью 244Припои 251Неметаллические проводниковые материалы 252
Углеродистые материалы 252Композиционные проводящие материалы 256Проводящие материалы на основе оксидов 258Глава 15. Полупроводниковые материалы261Классификация полупроводниковых
материалов 261Электропроводность полупроводников 265
Собственные полупроводники 265Примесная проводимость полупроводников 269Элементарные полупроводники 274
Кремний 274Германий279Реализация структур на основе кремния
и германия 282Глава 16. Диэлектрические материалы 286Классификация диэлектрических
материалов 286Поляризация диэлектриков 287
Электропроводность диэлектрических
материалов 291Пробой диэлектриков 293
Пассивные диэлектрики294
Полимерные материалы 294Пластические массы (пластмассы) 298Кремнийорганические смолы(полиорганосилоксаны, силоксаны) 300Слоистые пластики 300Резины 302Стекла 304Ситаллы 305Керамические материалы 306Активные диэлектрики 309
Сегнетоэлектрики 309Пьезоэлектрики 312Пироэлектрики 314Глава 17. Электротехнические наноматериалы 317Проводниковые наноматериалы 319Полупроводниковые наноматериалы 322Диэлектрические наноматериалы 324Глоссарий 327Список литературы333