Materjalide põhiomadused (0)

Materjalide põhiomadused
Sissejuhatus
Tehnikas kasutatakse tahkeid , vedelaid kui ka gaasilisi materjale. Tahkeid materjale liigitatakse oma siseehituse erinevuste alusel kristallilised - metallideks ja amorfsed - mittemetallideks. Metallid omakorda jaotatakse mustadeks ja värvilisteks. Metalle kasutatakse tehnikas põhiliselt sulamitena. Mittemetallid jagunevad looduslikeks ja sünteetilisteks ehk tehismaterjalideks.
 
Materjale rakendatakse olenevalt omadustele erinevatel kasutusaladel ja vastavalt liigitatakse neid konstruktsioon ja eriotstarbelisteks ehk spetsiaalseteks.
Konstruktsioonimaterjalidest valmistatakse masinate korpused , juhtmete kande- ja kinnituselemendid jms. Eriotstarbelisi materjale kasutatakse vastavalt erinevate tehnikavaldkondade nõuetele nagu elektritehniliste, masinaehituslike, hüdrotehniliste jne. seadmete tööorganite põhiosade valmistamisel. Elektrimasinate , -aparaatide ja elektritehniliste seadmestike valmistamisel kasutatakse eriotstarbelisi ehk spetsiaalseid elektrimaterjale, millistel peavad olema vastavad elektrilised  ja elektrimagnetilised omadused.
Elektrimaterjale liigitatakse elektriliste ja magnetiliste omaduste järgi:
o elektrijuhid (juhtmed, mähised, lülitite kontaktid);
o dielektrikud ehk elektrilised isolaator materjalid (isolaatorid, kondensaatorid );
o pooljuhid (võimendid, alaldid, mittelineaarsed takistid);
o pehmemagnetmaterjalid (raadiotehnilised ja elektrimootorite detailid ning trafode ja releede südamikud);
o kõvamagnetmaterjalid (püsimagnetid, alalisvoolu masinates, side-ja kõrgsagedusvoolu seadmetes ).
Samal ajal võivad magnetmaterjalid olla elektrijuhid, pooljuhid või ülijuhid. Kasutuskoht määrab valitava materjali vajalikud omadused.
Elektrijuhid on tavaliselt metallid või nende sulamid võimalikult väikese elektrilise eritakistuse, piisava mehaaniliste tugevuste, kõvaduste ja vajalike füüsikalis-keemiliste omadustega nagu korrosiooni-, kuumus- ning ilmastikukindlus. Neid kasutatakse kontakt-, juhtmematerjalina ja mähistraadina. Dielektrikud – tahked (mittemetallid), vedelad ja gaasilised isoleermaterjalid peavad olema suure elektrilise eritakistusega, elektrilise läbilöögi ja mehaaniliste tugevuste, pinna kõvaduse ning vajalike füüsikalis-keemiliste omadustega vastavalt töö tingimustele. Neid kasutatakse juhtmete isolaatoritena, mis peavad täitma ka kande- ja tugielementide ülesandeid. Vedelad ja gaasilised isolaatormaterjalid täidavad lülitites, alaldites ja transformaatorseadmetes üheaegselt jahutus ning leegisummutus aine ülesandeid.
Pooljuhtmaterjalide kasutamine võimendites, alaldites, mittelineaarsetes takistites sõltub materjali põhiomaduste – eritakistuse, dielektrilise läbitavuse, elektrimotoorse jõu muutumisest sõltuvalt töötingimustest nagu temperatuur, elektrivälja tugevus ning valguse ja kiirituse intensiivsus.
Magnetmaterjale kasutatakse side-, raadiotehnilistes arvutustehnika seadmetes, elektrimootorites, trafode ja releede südamikes olenevalt neid iseloomustavatest magnetilistest omadustest. Olenevalt magneetumise intensiivsusest, mida iseloomustab nende magnetiline läbitavus μ , võime jagadamaterjalid (ained)  ferro - ja ferrimagneetikuteks ning antiferromagneetikuteks. Ferro- ja ferrimagneetikutel on omadus magnetväljas magneetuda ja säilitada indutseeritud magnetväli püsivana sõltuvalt sulami koostisest ja aine siseehitusest. Antiferromagneetikutel magneetuvus on nõrk ja vähepüsiv. Kui indutseerimisel tekib vastupidise magneetumuse suunaga magnetväli nimetatakse materjali diamagneetikuks. Kui materjali magneetumuse suund ühtib rakendatud väljatugevuse suunaga siis paramagneetiliseks.
Konstruktsioonimaterjalide kasutusala elektrotehnikas määravad nende mehaanilised omadused: tugevus, kõvadus ja elastsus ; füüsikalis- keemilised omadused: kuumus-, kulumis-, korrosioonikindlus ja erinõuded magneetivuse osas.
Abimaterjalidena kasutatakse toodete viimistluseks, korrosioonitõrjeks, kattevärve ja lakke , viimaseid ka isolatsioonimaterjaliks. Remont- ja hooldustöödeks õlisid, määrdeid ja puhastusaineid.
Järelikult materjalide valikul peab täpselt tundma nende omadusi määravaid parameetreid, omaduste mõjutamise  meetodeid ning neid mõjutavaid kasutusala tingimusi.
Materjalide põhilised omadused on:
o füüsikalis-keemilised ,
o mehaanilised,
o elektrilised ,
o  tehnoloogilised ,
o ekspluatatsioonilised ja talitlusomadused
Nende tundmine võimaldab luua uusi nüüdisaegseid ökonoomseid seadmeid, luua vajalike omadustega uusi materjale, hooldada ja õigel ajal remontida seadmeid ja süsteeme.
Erinevate materjalide mehaanilised omadused ja sulamite keemilised koostised määratakse kindlaks igas riigis kehtestatud standardites, tähistades need vastavalt tähelise ja numbrilise markeeringuga. Eurostandardites on metallide ja nende sulamite tehnoloogilised omadused määratud tunnusnumbritega. Riiklikud standardid on juriidilised dokumendid , millede alusel vormistatakse tehniline dokumentatsioon, joonised, materjalide tellimise kirjad, sertifikaadid , ja ekspertiisi, analüüside protokollid .
Saksa standardid Deutsche Industrienorm tähistatakse lühendiga "DIN",
Eurostandardeid - "EN" - Europe Normative
rahvusvahelise Standardiseerimis Organisatsiooni norme - "ISO",
vene riiklikke standardeid - "GOST" - Gosutarstvennõe Standart
Soomes "SFS" - Soumen Finlandian Standard,
Rootsis "SS" - Svensca Standard jt.
Materjaliopetuse kursuse omandamise järel peab õpilane oskama määrata materjali liiki ning tundma materjali omadusi, nende kasutusala ja markeeringut vastavalt kasutusesolevatele standarditele.
Metallide ja sulamite siseehitus
Tahked ained liigitatakse siseehituse alusel: kristallilisteks ja amorfseteks.
Kristalliliste ainete – metallide – aatomid asetsevad ruumis kindla geomeetrilise korrapärasusega. (Tõestati pärast röntgenikiirte avastamist K. Röntgeni poolt 1895 .a.).
Kristallilised ained muutuvad tahkest olekust vedelasse olekusse kindlal sulamistemperatuuril. Vedelast tahkesse – kristalliseerumis temperatuuril, mille juures algab kristalliseerumise tsentrite tekkimine ja nende tsentrite ümber toimub üheaegselt kristallide kasvamine (suurenemine) kuni kogu aine mass on tardunud – kristalliseerunud.
Amorfsete ainete (klaas, liim, kampol , vaik, polümeerid ) – mittemetallide – aatomite paigutuses puudub kindel korrapärane süsteem. Kuumutades muutuvad need pehmeks suures temperatuuri vahemikus. Temperatuuri tõusmisel muutuvad nad algul sitkeks siis edasisel temperatuuri tõusul vedelduvad sujuvalt.
Amorfse -kristallilise siseehitusega ained nn. kristalloidid võivad tekkida materjali kristalliseerumisel suurte rõhkude juures kõrgematel temperatuuridel , nagu sitallid ehk keraamilised klaasid.
Metallid on kristallilised ained, milledel on tahkes olekus iseloomulik läige, hea elektri- ja soojusjuhtivus ning suur mehaaniline tugevus, kõvadus, plastsus , elastsus ja head tehnoloogilised omadused – töödeldavus. Metallide omadused on seletatavad aatomi tuumaga nõrgalt seotud vabade elektronide (valentselektronide) olemasoluga nende kristallivõre aatomite välimises elektronkihis. Metallid loovutavad kergesti väliskihi elektrone, mis on omakorda mõjutatavad välise elektriväljaga, andes korrapärase elektronide voolu ja hea elektrijuhtivuse. Metallide hulka kuulub keemilistest elementidest 80%, kusjuures kõik metallid välja arvatud elavhõbe on tavalisel temperatuuril tahked ained ( tahkised ).
Metallid ja sulamid liigitatakse koostise alusel kahte suurde gruppi:
- raud ja rauasulamid  (nn. mustad metallid) ning
- mitteraudmetallid ja mitterauasulamid (tuntud värviliste metallidena ja nende sulamitena) ehk kõik ülejäänud metallid ja nende sulamid.
Metalle liigitatakse ka tiheduse ( kerg - ja raskmetallid ning sulamid), sulamistemperatuuri (kerg- ja rasksulavad metallid ja sulamid), keemilise aktiivsuse (vääris- ja mitteväärismetallid) ja looduses leiduvuse ( haruldased ja hajusad) alusel. Tehakse vahet ka leelismetallide, leelismuldmetallide, radioaktiivsete jt. metalli liikide vahel.
Raud on metallidest tähtsaim tehnomaterjal , kuid tehniliselt puhtal kujul kasutatakse teda peamiselt elektritehnilistes seadmetes magnetiliste omaduste tõttu. Põhiliselt kasutatakse rauasulamitena. Nende kasutusala on umbes kümme korda laiem kui teistel metallidel ja sulamitel . Suurem osa rauasulamitest on süsinikku sisaldavad sulamid - rauasüsinikusulamid, mis jagunevad järgmiselt:
Elektritehniline raud, süsinikusisaldusega kuni 0,08%;
Terased – sulamid, mille süsinikusisaldus on kuni 2,14%;
Malmid – sulamid, mille süsinikusisaldus on üle 2,14% kasutusel kuni 4%-ni.
Peale süsiniku on terastes ja malmides alati teisi lisandeid, mis on jäänud sulameisse raua- maakidest nende saamise käigus - need on tavalisandid(looduslikud) , ja spetsiaalselt lisatud nn. legeerivad elemendid. Nii sisaldab süsinikteras tavalisandeina mangaani, räni, fosforit , väävlit. Nende mõju võib olla märkimisväärne, kuigi teraste omadused on sõltuvad eelkõige süsiniku sisaldusest.
Süsiniku sisalduse suurenedes muutub tõmbetugevus, kasvab terase kõvadus, vähenevad aga voolavus piir, vastupanu väsimuspurunemisele, plastsus- ja löögisitkuse tugevus. Samuti kasvab terase eritakistus , vähenevad soojusjuhtivus ja mõned magnetiliste omaduste näitajad.
Vajalike mehaaniliste, füüsikalis-keemiliste, elektriliste ja magnetiliste omaduste saamiseks sulatatakse terastesse mitmesuguseid spetsiaalseid lisandeid – legeerivaid elemente : Cr, Ni, W, V, Mo, Co jt. sealhulgas reguleeritakse tavalisandite Mn ja Si sisaldusega sulami tehnoloogilisi omadusi. Saadud sulamid kannavad üldnimetust legeerterased.
Elektritehnilise raua all mõistetakse tehniliselt puhast rauda, mille lisandite sisaldus on väga väike ja süsiniku sisaldus kuni 0,08%. Leiab kasutamist vahelduvavoolu seadmetes nagu transformaatorite, releede südamike, elektrimootorite valmistamisel kui selleks sobivate magnetiliste omadustega materjal.
Sulamite siseehitus
Puhtad metallid on head elektrijuhid kuid nende mehaaniline tugevus on väike, seepärast kasutatakse neid elektritehnikas kontakti ja elektroonikas ka juhtme materjalidena. Konstruktsioon ja  masinaehitus materjalina kasutatakse põhiliselt metallide sulameid. Metalli sulamiks nimetatakse ainet, mis on saadud kahe või enama metalli või metalli ja mittemetalli ühtesulatamise või paagutamise teel. Kui lisada näiteks vasele tina, siis saame sulami – pronksi, mis on puhtast vasest tunduvalt kõvem ja mehaaniliselt tugevam ning erinevate füüsikalis-keemiliste ja tehnoloogiliste omadustega. Olenevalt raua ja süsiniku sulamis süsiniku sisaldusest kuni 2,14% nimetatakse materjale teraseks ja üle 2,14% -- malmiks . Teraseid  kroomi , nikli, vanaadiumi , molüptemi jt. lisanditega nimetatakse legeeritud sulamiteks – roostevabad, kuumuskindlad, eriomadustega terased.
Sulamite siseehituse kirjeldamiseks kasutatakse mõisteid: komponent , faas ja süsteem.
Komponentideks nimetatakse keemilisi elemente ja ühendeid, mis moodustavad sulami. Järelikult on puhas metall ühekomponendiline süsteem. Kahe metalli sulam kahekomponendiline süsteem jne.
Faasiks nimetatakse materjali aine füüsikalist agregaatolekut (vedel, tahke, gaasiline), millel on ühesugune koostis ja ning mis on eraldatud teistest erineva omadusega osadest piirpinnaga. Üleminekul ühest faasist teise muutub aine keemiline koostis või struktuur hüppeliselt.
Süsteemiks aga nimetatakse muutumatute välistingimuste (rõhk, temperatuur) korral tasakaalus olevat faaside kogumit. Nii näiteks osutub ühtlane vedelik ( sulametall ) ühefaasiliseks süsteemiks. Puhta metalli primaarse kristalliseerumise etapil koosneb süsteem kahest faasist – vedelast (sulametall) ja tahkest (metalli kristallid ). Peale tardumist ainult tahkest faasist
Sulami struktuuriks nimetatakse metallimikroskoobis nähtavat faaside ja komponentide paigutust, nende kuju ning mõõtmeid.
Sulami komponendid võivad erinevatel temperatuuridel moodustada tahkeid lahuseid, keemilisi ühendeid ja mehaanilisi segusid.
Peaaegu kõik metallid lahustuvad sulas olekus üksteisest täielikult ja mis tahes vahekorras, ning moodustavad ühtlase faasi.
Keemilised ühendid tekivad metallide või metalli ja mittemetalli sulamites.
Keemiliseks ühendiks nimetatakse sulami komponentidest koosnevat ühtlast kristallilist ainet, mille aatomid on omavahel seotud keemilise sidemega. Tal on aatomite korrapärase paigutusega kristallivõre. Need ühendid on kõvad ja haprad nagu F3C tsemendiit teraste ja malmide koostises.
Mehaaniline segu tekib kahest komponendist A ja B siis, kui sulami kristalliseerumisel komponendid teineteises ei lahustu ega moodusta keemilisi ühendeid. Sulam koosneb siis komponentide A ja B kristallidest, mis mikrostruktuuris on üksteisest hästi eraldatavad.
Mehaaniline segu võib koosneda ka kahe tahke lahuse või tahke lahuse ja keemilise ühendi teradest. Temperatuure , mille juures metallide ja sulamite siseehitus muutub, nimetatakse kriitilisteks punktideks. Puhtad metallid sulavad ja kristalliseeruvad kindlal temperatuuril, s.t. neil on jääva suurusega kriitilised temperatuurid. Olenevalt komponentide arvust ja nende kogusest sulamis, muutuvad nende kriitilised temperatuurid. Neid muutusi kujutavad sulami olekudiagrammid.