Materjaliõpetuse konspekt (1)

Tallinna Polütehnikum
Materjaliõpetus
Õppematerjalide
mapp
Rühm:
Nimi:
2010/2011
Sissejuhatus
Tehnikas kasutatakse loetelu:
1. Tahkeid ehk õhumaterjale(metallid, tehnoplastid jne.)
2. Vedelaid (õhk, õli, mitmesugused lahustid )
3. Gaasilised (looduslikud: õhk, keemilised gaasid nagu vesinik - kasutatakse isolaatorina, jahutina).
Tahkeid materjalid liigitatakse siseehituse järgi:
1. metallid (kristallilise siseehitusena)
1.1 metallid- mustad metallid ehk raudsüsinik sulamid (terased, malmid , elektrotehniline raud)
1.2 värvilised metallid (vask, alumiinium , hõbe, kuld, plaatina )- kasutatakse elektroonikas puhtal kujul.
1.3 värviliste metallide sulamid(pronks, messing)- kasutatakse põhiliselt tehnikas.
Vase ja nikkli sulamid- suure eritakistusega, küttekehadeks
2. Mitte- metalsed materjalid (looduslikud või tehis ehk sünteetilised)
2.1 keraamilised materjalid (klaas, portselanid, kivimid jne)
2.2 polümerid võivad olla plastmassid ehk tehnopalstid, kummid, õlid.
2.3 metallide ja mittemetallide segud . NT: evoniit (kummi- väävlisegu)
2.4 keemilised puhtad elemendid.(vask, hõbe, wolfram )- kasutatakse elektroonikas.
Vastavalt kasutusalale liigitame materjale:
1. konstruktsioon materjalid- (kaante elemendid, korpused)
2. eriotstarbelised ehk spetsiifilised materjalid( elektriseadmed , laevaehitus, lennukiehitus jne)
3.abi ja viimistlus materjalid(värvid, määrded, jahutusvedelikud , õlid jne)
4. hooldusmaterjalid ehk pesuvahendid (lahustid)
Tehnikas kõiki nimetatud materjale iseloomustavad järgmised põhiomadused:
1. mehaanilised(tugevus, pinna kõvadus, deformeeritavus, sitkus)
2. Elektrilised omadused (juhitavus, eritakistus )
3.Füüsikalised omadused(sulamis temp, erikaal,korrosiooni kindlus )
4. Tehnoloogilised omadused(sepistatavus, valatavus)
Põhiomaduste tundmine võimaldab luua:
1.nüüdisaegseid, kaasaegsed seadmeid(töökindlaid)
2.Luua uusi sulameid , materjale
3.Seadmete õigeaegne remont ja hooldamine
Kõik need omadused on kinnitatud Riiklike standarditega- juuridilised dokumendid , nende alusel kontrollitakse marejali õigsust ja koostatakse tellimiskirjad.
EN- Euronormid
Materjalide mehaanilised omadused
Mehaanilised omadused sõltuvad materjali keemilisest koostisest ehk siseehitusest.
Mehaanilised omadused on:
1) tugevus- matejalide vastupidavus võime, purunemata st katsetamisel määratakse maksimaalne purustav jõud. Rm=Fmax/A (N/mm2)
2) kõvadu ehk pinna kõvadus- on materjali pinna deformeeritavus.
3) deformatsioon - matejalidel esinem elastne või plastne deformatsioon, tehnikas hinnatakse deformatsioone(sitkust ja rebedust), katkevenivus (A%)
Elastne deformatsioon on keha (detaili) kuju muutus, mis kaob täielikult pärast välisjõudude lakkamist.
Jääkdeformatsioon on deformatsioon, mis ei kao täielikult peale välisjõudude lakkamist.
Koormuse liigid
Olenevalt jõumõjumise kiirusest liigitatakse tugevused:
1) staatilised tugevused
2) dünaamilised tugevused
a) jõud kasvab aeglaselt, iseloomusab staatilist tugevust.
b) jõu momentaalne suurendamine maksimumini momentaalselt,
seda iseloomustab dünaaminiline tugevus.
c) Jõumuutumist nullist maksimumini nim pulseerivaks koormuseks
d) Kui jõud pulseerub positiivses sunnas(tõmbleb) siis on ta eba sümeetriline.
Nim sümeetrliliseks pulsaksiooniks
Vastavalt koormuse mõjudele liigitatakse tugevused: 1) staatiliseks 2) dünaamiliseks(löögiline, pulseeriv ja vibreerib)
Staatilised tugevused ja nende määramine
Vastavalt jõumõjuvuse suunale liigitatakse tugevused:
  Surve tugevus Rsm
  Rm
Väände tugevus Rvm
Lõike tugevus T
Painde tugevus Rpm
Tõmbetugevus
Määratakse silindriliste katsekehadega- metallid
Määratakse ristkülikuliste ristlõikega katsekehadega- plastmassid
Sitked materjalid enne purunemist omavad voolamis piiri ja katse kehas tekib kaev , koormise edasisel suurenemisel katsekeha puruneb(kaelakohast). Purunemisel maksimaalne jõud määrab pinge mida loetakse pinge Rm materjali tugevuseks. Rm=Fmax/S (N/mm2)
Katsekeha pikenemist määratakse suhtelise katkepikenemisega.
Mõõtes alg- ja lõpppikkuse võime kirjutada katkevenivuse valemi A=-L-L0/L0*100%
Väände tugevus – määratakse analoogselt painde tugevusele, väände momendi kaudu ja vastupidavus momendi kaudu.
Dünaamilised tugevused
määratakse materjalidele, mis peavad vastupidama löögilisele ja pulseerivale koormisele
Löögisitkuse tugevus- määratakse löögipendli abil.
Pinnakõvaduse määramine
-kuulub mitte purustavate katete liiki.
-määratakse materjali pinna deformeeritavuse põhimõttel, sell eesmärgil kasutatakse erinevaid otsmikke:1) Brinelli kõvadus 2) Rockwelli kõvadus 3) Vickersi kõvadus
Kõvaduse määramisel Brinelli meetodil surutakse katsetavasse materjali karastatud teraskuul läbimõõduga (D) kuni 10 mm ja jõuga (F) kuni 29400 N (e. 3000 jõukilogrammi – kgf). Brinelli kõvadusarv määratakse kuulile toimiva jõu ja sfäärilise jälje pindala suhtena. Brinelli kõvadust tähistatakse tähtedega HB.
Kõvadus Rockwelli meetodil määratakse sissesurumise jälje sügavuse järgi: teraskuul läbimõõduga 1,6 mm ja jõud 980 N (100 kgf) – skaala B; teemantkoonus tipunurgaga 120° ja jõuga 580 N (60 kgf) või kõvasulamkoonus jõuga 1470 N (150 kgf) – vastavalt skaalad A ja C. Kõvadust iseloomustab kuuli või koonuse materjalisse sissetungimise sügavus.
Vickersi meetod põhineb teemantpüramiidi sissesurumisel materjali. See meetod võimaldab määrata igasuguse kõvadusega metallide ja sulamite kõvadust ning sobib õhukese metalli kõvaduse määramiseks. Materjali sisse surutakse neljatahuline püramiid tahkudevahelise nurgaga 136°, jõuga 9,8…980 N (1…100 kgf). Vickersi kõvadusarv määratakse püramiidile toimiva jõu ja jälje pindala suhtena.
Brinelli Rockwelli
Vickersi
Materjalide Füüsikalis- keemilised omadused
1.Füüsikalised eristatakse: tihedus, värvus, sulamistemperatuur , ( soojusjuhtivus , soojusmahtuvus)- jahutus vedelikus , soojuspaisumine ja kahanemin, kulumise kindlus, hõõrdumine ehk fiktsioon -, elektrilis magneetilised omadused
2. Keemilised : matejali ja sulami koostis, niiskusesisaldus , korrosiooni kindlus, oksüdeerumine klimaatilistes tingimustes, korrosioon happelises keskkonnas, elektrolüütiline korrosioon, korrosiooni kindlust määratakse (1gramm cm3kohta sekundis).
3. Tehnoloogilised omadused: määratakse töökohal, töö instrumentide abil. Valatavus, keevitavus, sepistamiseks( survega töötlemisel), keemiliselt töödeldav.
4. Detailide valmistamiseks vajalikud tehnoloogilised omadused: 1) Puurimine, teritamine , freesimine, hööveldamine ja lihvimine. Lõike töötlemiseks vajalikud materjalid. Operatsioonid on vaja tunda tehnoloogilisi omadusi. 1) lukksepa tööd
Materjalide siseehitus ehk struktuur
Materjalid liigitatakse:
1) kristallilised ained, mis on tahked metallid ja mille aatomid paiknevad ruumis korrapäraselt kindla süsteemiga ja omavad kindlat sulamis temperatuuri sulamis tempi .
2) Amorfsed ainde, mille aatomite paigutus on korrapäratu ja nad ei oma kindlat sulamis temp-i. ( Tinglik märksõna plastmassid)
Metallide kristalliline siseehitus
Metallide korrapärane aatomite paigutus moodustab kuubilise ruumvõre või mõne muu ruumilise geomeetrilise kujundi (6 tahuga prisma ).
Põhilised kristall võred oleksid järgmised:1) mahuliselt tsentreeritud ehk ruumtsentreeritud.n=9 2) tahktsentreeritud n= 14 3) heksagonaalne n=17
Olenemata materjali aatomite arvust kujuneb välja materjali tugevus.
Puhta raua aeglasel jahutamisel tekivad kriitilised temperatuurid 1410C, 910C, 786C, millede vahemikus esinevad ruumvõrede struktuurid.
Termo töötlemine
Põhiprotsessid on järgmised: 1) karastamine 2) Lõõmutamine 3) Noolutamine
Protsessid koosnevad etappidest: 1) kuumutamine 2) hoidmine(peatamine) 3) jahutamine
Karastamise kiirel jahutamisel säiliatakse tahksentreeritud ruumvõre suure aatomite arvuga, mille tulemusena suureneb pinna kõvadus ja tugevus, puuduseks on jahutamisel tekivad sisepinged. Selleks et sisepingeid vähendada ja ühtlustada teostatakse noolutamise protsess.
Noolutamisel toimub kuumutamine umbes 700C piirideni ja aeglane jahutamine, mille tulemusena vähenevad metalli sisepinged. Materjali esialgseks omadusteühtlustamiseks kasutatakse lõõmutamise protsessi, mille tulemusena matejali siseehitus(ruumvõre) ühtlustatakse likvideeritakse sisepinged sealjuures vähenevad pinnakõvadus ja tõmbetugevus, metall muutub pehmeks ja hästi töödeltavaks. Lõõmutamisel toimub jahutamine aeglaselt – koos ahjuga.
Tsementiitimise protsessil rikastatakse terase pinda süsinikuga, millel järgneb pinna karastumine, protsessi rakendadakse pehmete teraste puhul pinnakõvaduse suurendamiseks st kulumise kindluse tagamiseks.
Mustad metallid ehk raud süsinik sulamid
Olenevalt süsinuku sisaldusest liigitatakse mustad metallid:
1) Elektrotehniline teras- süsinuku sisaldus kuni 0,008% C EEE1, EEE2
2) Terased kuni 2,14%C (1,6%C)- malmid
Legeerivad elemendid: Ni, Si, Cr,Ti,W- muudavad materjalide omadusi ja korrosiooni
kindlust.
Malmid
2,4%, Ülempiiriga 3,6% süsinikku, kõrgema süsiniku juures moodustub FeC3
Malme kasutatakse valatava materjalina-keerulise kujuliste asjadega.
Liigitatakse: 1.( Toormalm ) Valgemalm G HB- kõige suurema süsiniku sisaldusega.
2.Hollmalm GG
3. Tempermalm GGG
4. Kõrgkvaliteetnemalm GGA
5. Legeeritud GGL
Värvilised metallid ja nende sulamid
Värvilisi metalle liigitatakse: 1. Tiheduse järgi (kerged(), keskmised(Tina) ja rasked(w,Ti))
2. Sulamis temp järgi: kergesti sulavad – 300C Sn,Mg, keskmiselt sulavad 300-1500C, raskelt sulavad üle 1500C (W, Ti)
3. Vääringu ehk hinna järgi- väärismetallid -hõde, kuld, plaatina.
Värvilisi metalle tehniliselt puhtal kujul kasutatakse elektroonikas, elektrotehnikas kasutatakse sulamitena.
Al- sulamid jagunevad: teformeeritavateks- ja vajatavateks sulamiteks. Teformeeritavateks sulamiteks on Al Mn, Al Mg, Duur Alumiinium- Al, Cu, Mg sulam .- kõrgema kõvadusega alumiinium sulam .
Pronks-Sn, Cu- põhikomponendid, tähtsamad omadused- korrosiooni kindlus, väike hõõrde tegr, valatav matejal,- kasutatakse elektrotehnikas kontakt materjalina.
Messing- koostis- Cu, Zn
Cu, Ni sulamid- omavad suurt eritakistust, kasutatakse- kütteseadmetes reostaatides, omaduste muutmiseks kasutatakse lisandeid- Cr, Mn, Co- manganiin töö temp -200C kasutatakse täppis takististe valmistamiseks, konstantaan- Co lisand , talub -500C, küttekehade ja reostaatide valmistamise materjal. Nikroom-NI Cr- talub -200C
Värvilisi metalle kasutatakse:Pulbermetallurgias(kõvasulamite valmistamisel- kasutatakse jahvatatud kujul WC TiC Co- paagutades) temp+ serve +vorm Saadud toode on suure kõvadusega, kõrge sulamis tempiga üle 3000C, kasutatakse kõrgepinge kontaktidena ja liugkontaktidena.
Joote sulamid ja räbustid
Kasutatakse juhtmete ühendamiseks ja kontaktide kinnitamiseks, liigitatakse jootesulamid: 1.madalatemp.sulamis temp60-95C- kasutatakse trükk plaatide koostamisel.
2.Kergsulavad ehk pehm joodised - kasutatakse elertri seadmete, juhtmete ühendamisel kaasaarvatud aparaadid ja mõõteriistad. Sulamis temp 180-250C
3.Raskelt sulavad, kõvad joodised- alates 300-1000C, kasutatakse elektriliste toodete
Räbusteid kasutatakse puhastusvahenditena, liigitatakse: tahked(kolvi puhastamisel) ja vedelad jagunevd: neutraalseteks ja agressiivseteks- ei kasutada trükkplaadi koostamisel, tänu happlelisusele.
Elektrimaterjalid
Liigitatakse:
1. juhtmematerjalid(jutmed, kaablid, kontaktid).
2. Elektrilised isolaator materjalid ehk dielektrikud(juhtme pinna isolaatormaterjalid, tahked).
3. pooljuhid ehk muutuva eritakistusega materjalid(kasutatakse elektrotehnikas)
4.eriomadustega(küttekehade sulamid, milkroobid, romaanid jne) termopaarid, juhtivad polümerid, pieeso elektrikud , ülijuhid
Nende liikide määramisel kasutatakse järgmiseid põhilisi elektrilisiparameetred.
Elektrimaterjalide Põhiomadused, parameetrid
1)Eritakistus roo- =R*s/l(2/cm)ehk
v- mahu eritakistus
s- pinna eritakistus
2) Erijuhtivus
=1/ (*cm-1) 1/ *cm v- mahu erijuhtuvus s – pinna erijuhtivus
Nede parameetrite abil saame määrata vahemiku kus on materjal kõlbulik juhina :
1. juhid 2.pooljuhid 3.isolaatorid
3) Eritakistuse temperatuuri tegur α
100c=0+(1+ α0( t100c -t20c)
4)Dielektriline läbitavus - võimaldab määrata kondensaatori mahtuvust ehk valida selle materjali.
5)Dielektriline tugevus Elä=Umax/h (kV/cm)
6)Voolukadu tan
6.1 Alalisvoolu ahelas
Ini- nihkevool Iab – absorbsioonvool Ijuh- juhtvool
6.2 Vahelduva voolu ahelas: näidatud vektoritena
Dielektriline polarisatsioon
Polarisatsiooni protsessis tekivad dipolid.
Sõltuvalt nende asendist vooluväljas nim protsessi elektripolarisatsiooniks ehk elastseks polarisatsiooni skeemiks.
1.elastne polarisatsioon- iseloomustab juhtivust
2.jäik polarisatsioon- iseloomustab takistuste kasvu
3.Mahuline polarisatsioon- iseloomustab kondensaator materjali
4. Spontaane polarisatsioon, tekivad domeenid
Kõiki neid skeeme mõjutavad ümbruskonna tempi muutumine, deformatsioon
Olenevalt polarisatsiooni protsessit ja temperatuuris, muutub materjali läbitavus.
Curie temperatuuri juures omab matejal maksimaalse läbitavuse.
Mustad metallid 800-100c
Värvilised metallid 300-600c
Elektrilised materjalid
Elektrilised isolaator materjalid liigitatakse: 1) tahked- kasutatakse konstruksioon elementidena, nende ülesandeks on anda juhtmeid toestada seadmeid.
2) vedelad 3) gaasilised
Vedelad ja gaasilised isolaaator materjalid peavad täitma seadmete jahutamis ülesandeid.
Kontaks seadmetes sädemete summutamis ülesandeil
Kõik elektrilised matejralid peavad olema vastavuses füüsikalis-keemiliste omaduste nõuetega.
1. Kuumuskindlus
2. Viskoosus
3. Happe arv
4. märgavus
5. niiskus sisaldus ehk niiskus konfitsent
Gaasilised dielektrikud
Gaasiliste dielektrikute hulka kuuluvad nii gaasid kui ka gaasi segud, tundtud segudest- õhk.
Levinumad gaasid on lämmastik, vesinik, nioon, argoon jne. Tehniliselt enamkasutatud gaas on Elegaas SF6- väävel heksafloriid, kõige paremate omadustega gaas, keemiliselt püsiv kuni 800C.
Vesinik- soojuskindlus ulatub orienteeruvalt 400C-ni, kuid omab segunedes õhu või hapnikuga plahvatuse ohu, tekib paukgaas, selline olukord võib tekkida lülititest tekkiva sädemete korral, seetõttu vesinikku kasutatakse hermeetilises süsteemis. Vesinik omab suure soojusmahtuvuse ja hea soojusjuhtivuse .
Gaasilisi nii ka vedeldielektrikuid kasutatakse jahutusvahendina elektrilistes seadmetes, generaatorites, lülitites, samuti kasutatakse gaasilisi koostisi valgustites ioniseeritud olukorras.
Gaasilisi dielektrikuid iseloomustavad järgmised elektrilised parameetrid:
1. suur eritakistus
2. dielektriline tugevus Elä (kV/h)
3. dielektriline läbitavus =% ( valgustite juures tähtis)
4. voolukadu (tan)
5. soojusjuhtivus
6. mahtuvus
7.soojuspüsivus
Vedel dielektrikud
Elektrilistes seadmetes kasutatakse vedelikke, isolaatoritena ja jahutus vahenditena.
Vedelike liigid on: 1. Naftaproduktid, looduslikult saadavad
2. sünteetilised vedelikud, keemilisel teel saadavad
3. räniorgaanilised supensioonid(taluvad kõrgeid temperatuure , lülitises tekib sädelus)
Neid kasutatakse: 1. Trahvo õlidena 2. Kondensaator õlidena 3. Kaabli õlidena(horisontaal asendis kaablid)
Õlide kasutamine sõltub olenevalt viskoosusest(sitkus ehk voolavusest).
Õlid peavad olema järgmiste elektriliste omadustega: 1. suur eritakistus
2. dielektriline tugevus Elä (kV/h)
3. dielektriline läbitavus =% (valgustite juures tähtis)
4. voolukadu (tan)
5. soojusjuhtivus
6. mahtuvus
7.soojuspüsivus
Füüsikalis keemilised.
Leektäpp, happekindlus
Õlide lagunemis produktiks happelised komponendid, samuti tekib õlide juures kondenseerub niiskus, mis mõjutab elektrilisi parameetreid, muudavad õli kasutamiskõlbmatuks.
Tahked isoleermaterjalid
Ehk tahked materjalid. Liigitatakse orgaanilised ja annorgaanilisd, võivad olla nii looduslikud või tehismaterjalid(sünteetilised) Enamkasutatud on polümerid, mis koosnevad süsivesinikest CH-CH2 jne radikalidest, olenevalt nende radikalide paigutusest materjalis liigitatakse neid lineaarseteks ja ruumilisteks.
Termoplastid on tooted mida on võimalik ümber sulatada, ümber vormida, on lahustuvad.
Termoreaktiivsed söestuvad, ei saa ümber sulatada, kasutatakse mõõteriistade korpusena, valgustiste korpus.
Vaigud kuuluvad ruumiliste termoreaktiivsete polümeride hulka, neid ei töödelda polümerisatsiooni protsessiga.-> 1. Lahustamine ehk vedeltamine-> lakid, värvid; 2.plastifikaatorid ehk kõvendajad.-> liimid, komposiit materjal ehk armatuur ->grafiit pulber ; 3. Kompaundid- mikroelemendid vaiku valatud.
Defloor 25-30 kV kuumuskindlus 250-300C
Kuumuskindlamaid polümere on räni sisaldusega
Anorgaanilised materjalid
Need on mineroloogilise päritoluga, tahked ained kasutatakse isoleermaterjalidena nii looduslikke - kui tehismaterjale isolaatorite valmistamiseks.
1. Vilk ehk vilgukivi on kihiline klaasjas lõhestuv kivi, millel on suur eritakistus ja kõrgekuumuskindus, puuduseks on rabedus, kasutatakse plaatidena tuguelementideks valgustite kolbides.
Vilgu töötlemisel tekkiv puru jahvatakse ja valatakse vaikudes vajaliku kujuga detailideks isolaatoriteks ja saadakse erinevate isolatsoon materjalid.
2. Muskoviit- suur mahueritakistus ja läbilöögitugevus ja kõrgesulamis temp kuni1200C
3. Flogopiit - temp tugevus 800C happekindel.
Neid tooteid võime nimetada komposiit materjalideks, vaiku armeeritakse vilgu pulbriga
4. Klaas-loetakse tehismaterjaliks, saadakse kvartsliivast, värviliste metallide oksiididest, sulatades 2000C kvatsitakse plaatideks või vajaliku kujuga isolaatoriteks, olenevalt koostisest saadakse kondensaator klaasid , kasutatakse elektroonilistes seadmetes ,kõrgepinge isolaatoriteks, klaaskiududeks ( mikro skeemi plaatide armeerimiseks), valgusjuhtmeteks.
Keraamilised materjalid
Keraamilised materjalid saadakse savi, kvarts liiva, kipsi, kriidi , mitmesuguste metalli oksiidide segude vormimisel, vajaliku kujuga vormi vormimisel, vormitud toorik põletatakse ja peale põletamist klasuuritakse, saadakse kõva klaasjas pind, millel on suur eritakistus ja kõrge temperatuuri kindlus, valmistatakse ripp ja kande isolaatorerid kõrge pinge isolaatoritenam elektrooniliste elementide korpuseid, vastavalt vajadusele ja kasutusaladele liigitatakse: 1. Elektroportselaniks 2. Radioportselaniks 3. Ultraportselaniks jt.