Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Электрические машины» Е. П. Никитина ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Практические задания Для студентов специальности 23.05.05 – «Системы обеспечения движения поездов» всех форм обучения Работа № 1 Изучение диаграммы состояний «железо-цементит» Цель работы Ознакомление с диаграммой состояния «железо-цементит» и ее практическим применением. Краткие теоретические сведения Характерной особенностью металлов является их способность образовывать сплавы с другими металлами или неметаллами. Сплав – твердый металлический материал, который состоит из нескольких химических элементов и обладает основными металлическими свойствами. Компоненты сплава – это элементы или химические соединения, образующие сплав. В зависимости от характера взаимодействия компонентов в сплавах выделяют твердые растворы, химические соединения и механические смеси. По структуре сплавов различают: гетерогенные – сплавы, структура которых состоит из двух или более фа, и гомогенные — сплавы, структура которых состоит из одной фазы (например, твердого раствора). Фаза – однородная обособленная часть металла или сплава, имеющая одинаковые состав, строение и свойства. Сплавы получают сплавлением или спеканием двух или , которая металлов или металлов с неметаллами. Основой для изучения сплавов в области их жидкого и твердого состояния является диаграмма состояния сплава, представляющая собой зависимость между строение сплава, его составом и температурой. 2 Диаграмма состояния – графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации его компонентов и температуры. Для практического применения сплавов очень важны фазовые превращения в их твердом состоянии – перекристаллизация сплава. Перекристаллизация обусловлена аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры. Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Геометрическое место всех точек, которые определяют температуру начала кристаллизации насплава зывают линией ликвидус, а конца кристаллизации – линией солидус. Для построения диаграммы состояния сплава, состоящего из двух компонентов, изготавливают серию сплавов с различным содержанием компонентов. Для каждого сплава экспериментально определяют критические точки. Полученные значения температуры откладывают на вертикальных линиях в соответствии с химическим составом сплавов. Соединив критические точки, получают линии диаграммы состояния. Критическая точка определяется при резком изменении какой-нибудь физической величины (электрические, магнитные и др. свойства), что обычно происходит при фазовых превращениях. Правило определения состава фаз (правило концентраций) Для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фаз. В двухфазных областях обычно применяется правило определения количественного соотношения фаз (правило отрезков); через данную точку проводят горизонтальную линию; отрезки этой линии (коноды) между искомой 3 точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз. При эвтектической кристаллизации (кристаллизация, при которой из жидкой фазы одновременно выделяются две твердые фазы) образуется эвтектика – смесь из двух или более фаз (твердые растворы или твердый раствор и химическое соединение). Эвтектика обычно имеет форму пластинок, равномерно чередующихся между собой, которые образуют колонии. Диаграмма состояний железоуглеродистых сплавов В технике, как известно, наиболее широко применяются сплавы железа с углеродом. Поэтому диаграмма состояний системы железо-углерод имеет значительное практическое значение. Различают два вида диаграммы состояний железоуглеродистых сплавов: 1) метастабильная: железо – карбид железа (цементит); 2) стабильная: железо – углерод (графит). Эти диаграммы приведены на рисунке и, как можно заметить, очень похожи. Рисунок – Диаграмма состояния железо-цементит (железо–углерод) 4 Процесс кристаллизации идет в соответствии с диаграммой графит только при очень медленном охлаждении железо – ипри наличии графитизирующих добавок (Si, Ni и др.). При этом из сплавов выпадает не цементит, а графит. Компоненты в сплавах железа с углеродом – это железо и углерод. 1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539o С . В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911 o С и 1392o С. При температуре ниже 911o С существует Feα с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392o С устойчивым является Feγ с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Feδ или высокотемпературное Feα. Высокотемпературная модификация Feα не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911o С превращения Feα ↔ Feγ обозначают точкой A3, а температуру 1392o С превращения Feα ↔ Feγ точкой А4. При температуре ниже 768o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768o С обозначается А2. Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – σв=250 МПа, предел текучести – σт= 120МПА ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ=50%, а относительное сужение – ψ=80%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов. 5 Железо со многими элементами образует твердые растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения. 2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0 С, плотность – 2,5 г/см3 ) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0 С). В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах). 3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов. Фазы в системе: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, свободный углерод в виде графита. 1.Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы. 6 2. Феррит (Ф) Feα (C) – твердый раствор внедрения углерода в α-железо. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727o С ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки. При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит (δ) (Feδ (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J) Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности – σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение – δ=30%,), магнитен до 768o С. 3. Аустенит (А) Feγ (С) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо. Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147o С (точка Е). Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40- 50%,), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. 4. Цементит – характеристику дсм. выше. В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен. 7 Линия АВСD – ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита, на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного. Линия AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита. На линии HJB при постоянной температуре 1499 о С происходит перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита, в результате чего образуется аустенит: L+Ф→А На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147oС идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного. Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода. При температуре ниже 727o С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП). По линии HN начинается превращение феррита в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита в аустенит заканчивается. По линии GS - превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается. По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры. По линии МО при постоянной температуре 768o С имеют место магнитные превращения. По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного. По 8 механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии. Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода. Название «перлит» было дано сплаву за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается его перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования. По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры. Особую группу составляют сплавы с содержанием углерода менее 0,02% (точка Р), их называют техническое железо. Структура таких сплавов после окончания кристаллизации состоит или из зерен, при содержании углерода менее 0,006 %, или из зерен феррита и кристаллов цементита третичного, расположенных по границам зерен феррита если содержание углерода от 0,006 до 0,02 %. Все железоуглеродистые сплавы, как известно, принято делить на стали и чугуны. Стали По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на следующие группы: доэвтектоидные (С: 0,02…0,8%), структура: феррит + перлит; эвтектоидные (С = 0,8%), структура перлит, при этом перлит может быть пластинчатый или зернистый; заэвтектоидные (С: 0,8…2.14%), структура: перлит + цементит вторичный, т.е. цементичная сетка располагается вокруг зерен перлита. Чугуны По количеству углерода и по структуре белые чугуны подразделяются на группы: 9 доэвтектические (С: 2,14% до 4,3%), структура: перлит + ледебурит + цементит вторичный; втектические (С – 4,3%), структура: ледебурит; заэвтектичесие (С: от 4,3% до 6,67%), структура: ледебурит + цементит первичный. Порядок выполнения работы 1. Изучить диаграмму «железо – цементит». 2. Описать фазовые превращения сплава с указанным преподавателем составом. Контрольные вопросы 1. Дайте определения понятиям «фаза» и «компонент». 2. Как строится диаграмма состояний сплавов? 3. Что такое критическая точка? 4. Что такое «эвтектика» и «эвтектоид»? 5. Чем отличаются стали от чугунов? Рекомендации по составлению и оформлению отчета Отчет работе должен содержать; 1. Краткие сведения о диаграмме железо – цементит: – описание основных компонентов и фаз системы; – сведения о делении железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны; – основные выводы о применении железоуглеродистых сплавов. 2. Описание фазовых превращений заданного состава сплава 3. Ответ на контрольные вопросы. 10 Работа №2 Изучение методов определения твердости материалов 1 Цель работы: ознакомление с основными методами испытания материалов на твердость, изучение методов Бриннеля и Роквелла. 2 Теоретическая часть Для измерения твёрдости существует несколько методов измерения: Метод Бринелля – твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому шариком из закаленной стали, вдавливаемым в поверхность. Диаметр отпечатка измеряют с помощью лупы со шкалой. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга) – на практике используются таблицы; размерность единиц твердости по Бринеллю кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H – hardness (твёрдость, англ.), B – Бринелль; Можно использовать для материалов твердостью до 4500. Толщина образца должна быть не менее 2 мм, иначе он будет продавлен шариком. Метод Роквелла – твёрдость определяется по глубине вдавливания металлического шарика (шкала В) или алмазного конуса (шкалы А и С) в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому 11 методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; Рис. 1 – Схема деформирования пробы материала при сжатии Определение твердости металла методами: Бринеллн (а), Роквелла (б) и Виккерса (в) Метод Шора – при определении твердости металлов и сплавов боек определенной массы с алмазным наконечником свободно и вертикально падает с определенной высоты на испытуемую поверхность. Высота отскока бойка принимается за характеристику твердости и измеряется в условных единицах. Твёрдость менее твердых материалов (резины, пластмассы и т.п.) определяется по глубине введения закаленной стальной иглы под действием пружины. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HSD; Шкала твердости разделена на 130 единиц (твердость закаленной эвтектоидной стали = 100 ед.). Величина твердости по методу Шора не имеет точного метода перевода ее на другие величины твердости или прочности при растяжении. Метод Кузнецова – Герберта – Ребиндера – твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл. Метод Польди (двойного отпечатка шарика) – твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон; 12 Шкала Мооса— твердость определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом. Минералогическая шкала твёрдости (Шкала́ Мо́оса) – набор эталонных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания, в которой в качестве эталонов приняты 10 достаточно распространённым минералов от талька до алмаза, расположенных в порядке возрастающей твёрдости. Шкала твердости, представленная в табл.1, была предложена в 1811 году немецким минералогом Фридрихом Моосом. Твёрдость минерала измеряется путём поиска самого твёрдого эталонного минерала, который он может поцарапать; и/или самого мягкого эталонного минерала, который царапает данный минерал. Например, если минерал царапается апатитом, но не флюоритом, то его твёрдость находится в диапазоне от 4 до 5. Таблица 1 – Минералогическая шкала твёрдости (Шкала́ Мо́оса) Твёрдость по Минерал Моосу Абсолютная Обрабатываемость твёрдость 1 Тальк 1 Царапается ногтем (Mg3Si4O10(OH)2) 2 Гипс (CaSO4·2H2O) 3 Царапается ногтем 3 Кальцит (CaCO3) 9 Царапается медной Известковый шпат монетой Медь 4 Флюорит (CaF2) 21 Царапается ножом, оконным стеклом 5 Апатит (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)) 48 Царапается ножом, оконным стеклом 13 Никель Ортоклаз 6 Царапается 72 напильником (KAlSi3O8) Полевой шпат Кварц (SiO2) 7 Кремний обработке алмазом, Фарфор царапает стекло Топаз (Al2SiO4(OH- 8 Поддаётся 100 Поддаётся 200 обработке алмазом, ,F-)2) Наждак Корунд (Al2O3) 9 царапает стекло Поддаётся 400 Хром обработке алмазом, царапает стекло Алмаз 10 Царапает 1600 все расположенные (C) выше материалы Шкала Мооса предназначена для грубой сравнительной оценки твёрдости материалов по системе: «мягче–твёрже». Испытываемый материал либо царапает эталон и его твёрдость по шкале Мооса выше, либо царапается эталоном и его твёрдость ниже эталона. Таким образом, шкала Мооса информирует только об относительной твёрдости минералов. Например, корунд (9) в 2 раза твёрже топаза (8), но при этом почти в 4 раза менее твёрдый, чем алмаз (10) В табл.1 приведено соответствие твёрдости по шкале Мооса с абсолютной твёрдостью, измеренной склерометром. Различные шкалы твёрдости трудно однозначно соотнести друг с другом, и хотя практикой приняты несколько более точных систем измерения твёрдости материалов, но ни одна из них не покрывает весь спектр шкалы Мооса. Определение твердости материалов методом Бринелля 14 Твердостью называется способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого материала. Способ Бринелля основан на вдавливании в плоскую поверхность образца стального закаленного шарика диаметром 10; 5 или 2,5 мм. Испытания проводят на твердомерах типа ТШ-2. Числом твердости по Бринеллю называется отношение нагрузки F, которая передается через шарик на образец к площади поверхности сферического отпечатка А: (1) где F – нагрузка на шарик, Н (или кг); A – поверхность отпечатка, мм; D – диаметр вдавливаемого шарика (D=2,5 мм, D=5 мм, D=10 мм); d – диаметр отпечатка, мм Нагрузку выбирают в зависимости от материала испытываемого образца из соотношения (2): ,H (2) где k – постоянная величина для данного материала (k для стали и чугуна равна 300). В расчетах часто принимается D=10 мм, k=300. 15 Рис. 2 – Схема испытаний твердости по методу Бринелля Схема определения твердости по методу Бринелля (а); отсчет по шкале (б) При диаметре шарика 10 мм и нагрузке 3000 кг твердость обозначается цифрами перед символом HB, например 250 HB, что означает твердость по Бринеллю 250 кг/мм2 . Во избежание сложных вычислений числа твердости для каждого отпечатка на практике используются готовыми таблицами и (см. табл. 2) Таблица 2 – Таблицы для определения числа твердости Материал Интервал Минимальная Выбор твердости толщина нагрузки шарика, F, Н а в мм из нагрузкой числах Бриннеля Черные 140-450 металлы Черные Менее металлы 140 Цветные Более металлы 130 образца, Диаметр Нагрузка мм Выдержк под условия От 6 до 3 F=300D2 10 3000 От 4 до 2 5 750 Менее 2 2,5 187,5 10 1000 От 6 до 3 5 250 Менее 3 2,5 62,5 10 3000 Более 6 От 6 до 3 От 4 до 2 F=1002 =300D2 5 10 10 30 750 16 Менее 2 Цветные 35-130 металлы Цветные 8-35 металлы 2,5 187,5 10 1000 От 6 до 3 5 250 Менее 3 2,5 62,5 10 250 5 62,5 От 9 до 5 Более 6 F=100D2 F=25D2 От 6 до 3 Менее 3 2,5 30 60 15,6 Между числами твердости по Бринеллю и пределом прочности металлов σв существует приближенная зависимость: σв ≈ k· HB кг /мм2, где k - коэффициент, который равен: 0,34 – для легированной стали; 0,36 – для углеродистой стали; 0,4 – для отожженного алюминия; 0,37 – для дуралюминия; 0,35 – для холоднокатаной меди; 0,48 – для отожженной меди. Наиболее распространенными стандартными условиями при испытаниях твердости являются: нагрузка 3000 кг, диаметр шарика 10 мм и длительность выдержки 10 сек. Для определения твердости по Бринеллю используются твердомером типа ТШ (рис. 3). 17 Рис. 3 – Прибор типа ТШ с механическим приводом: а – общий вид и кинематическая схема Прибор имеет станину 1, в нижней части которой помещен винт 2 со сменными столиками 4 для испытуемых образцов. Перемещения винта осуществляется вручную маховиком 3. В верхней части станины находится шпиндель 6 со сменными наконечниками, в которые вставляются шарики 5. Основная нагрузка прикладывается к образцу посредством рычажной системы. На длинном плече основного рычага 7 имеется подвеска 8 с грузами 9. Комбинацией грузов можно осуществить следующие нагрузки: 187,5; 250; 750; 1000 и 3000 кг. Нагрузка прилагается автоматически с помощью электродвигателя 11, находящегося внутри станины, при нажатии пусковой кнопки. Для установки продолжительности испытания служит передвижной упор переключателя 10, устанавливающийся до начала испытания в положение, соответствующее требуемой выдержке (10, 30 или 60 сек). Недостатки метода Бринелля: – невозможность испытания материалов, имеющих твердость более 450 НВ, так как шарик будет деформироваться и показания будут неточными; 18 – невозможность испытания твердости тонкого поверхностного слоя и пластин (менее 1-2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой материала; – после испытания остаются заметные следы на поверхности изделия. Более совершенным методом определения твердости считается метод Роквелла. Определение твердости методом Роквелла основано на вдавливании в поверхность образца материала алмазного конуса с углом при вершине 120° (при испытаниях твердых материалов) или стального шарика диаметром 1,588 мм (при испытаниях мягких материалов). Рис. 4 – Схема испытания по методу Роквелла Испытания проводятся на твердомерах типа марки ТК-2. Толщина образца должна быть не менее 1,5 мм. Значение твердости определяется по глубине отпечатка и отсчитывается по шкале прибора. Прибор Роквелла в зависимости от прилагаемой нагрузки 600, 1000 или 1500Н имеет соответственно шкалы А, В, С. Шкала А применяется для испытаний твердых материалов (сталей после ХТО, твердых сплавов), Шкала В – для мягких материалов (отожженной стали, чугуна), шкала С – для материалов средней твердости (закаленной стали). Твердость соответственно обозначается HRA, HRB, HRC. При испытании сначала прикладывают предварительную нагрузку Р0, Разность глубин проникновения шарика или алмаза под нагрузками Р0 и Р (h-h0) 19 характеризует твердость. Чем меньше эта разность, тем тверже испытуемый материал, и, наоборот, чем больше эта разность, тем мягче материал. Твердость материала по данному методу можно измерить: • алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кг (предварительная – 10 кг и основная 140 кг). Значение твердости определяют по черной шкале С и обозначают НRC. Эта шкала применяется для испытания закаленных сталей, обладающих твердостью до 67HRC , и для определения твердости тонких поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм; • алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кг (предварительная – 10 кг и основная 50 кг). Значение твердости определяют по черной шкале С и обозначают HRA. Эта шкала применяется для испытания сверхтвердых сплавов (например, карбидов вольфрама), тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3-0,5 мм) или тонких пластинок; • стальным шариком 1/16 дюйма с общей нагрузкой 100 кг (предварительная – 10 кг и основная 90 кг). Значение твердости определяют по красной шкале В и обозначают HRB. Шкала В служит для испытаний металлов средней твердости и для испытаний изделий толщиной от 0,8 до 2 мм. На основании опытных работ установлена связь между числами твердости по Роквеллу (при HRC>20) и по Бринеллю: НВ≈10·HRC К достоинствам метода Роквелла следует отнести: высокую производительность, простоту обслуживания, точность измерения и сохранение качественной поверхности после испытаний. Не рекомендуется применять метод Роквелла для определения твердости неоднородных по структуре сплавов (чугуна), для испытания криволинейных поверхностей с радиусом кривизны менее 5 мм и для испытания деталей которые под действием нагрузки могут деформироваться. Различные шкалы твёрдости трудно однозначно соотнести друг с другом. В РФ стандартизированы четыре первые названные выше шкалы твёрдости. Значения твёрдости, определённые по конкретному методу вдавливания, можно пересчитать из одной шкалы в другую. Конкретный 20 способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, имеющейся аппаратуры и др. Контрольные вопросы 1. Что такое твердость? 2. Какие существуют методы измерения твердости? 3. Как определяется твердость по методу Бринелля? 4. Каким образом производится выбор диаметра шарика при измерении твердости по методу Бринелля? 5. Какова зависимость между числами твердости НВ и пределом прочности металлов? 6. Недостатки метода Бринелля. 7. Достоинства метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля Рекомендации по содержанию отчета Отчет должен содержать: 1 Цель работы 2 Краткие теоретические сведения об основных методах измерения твердости. 4. Описание метода измерения твердости по Бринеллю. Его преимущества и недостатки. 3 Ответ на контрольные вопросы. 21 Работа № 3 Изучение конструкции и маркировки проводов и кабелей 1 Цель работы: Получение навыков самостоятельного определения марки проводов и кабелей, их расшифровки согласно действующих нормативных документов. 2 Теоретическая часть Для передачи и распределения электрической энергии, изготовления обмоток электрических машин и аппаратов, соединения приборов и их составляющих частей в энергетике и электротехнике применяются: – обмоточные провода; – монтажные провода; – установочные провода и шнуры; – электрические кабели. Обмоточные провода Обмоточные провода применяют для изготовления обмоток электрических машин, аппаратов и приборов. В качестве проводникового материала в обмоточных проводах наиболее часто применяют медь или алюминий. В качестве обмоточных применяют провода с эмалевой, волокнистой, пленочной изоляцией. Провода с эмалевой изоляцией – наиболее перспективные провода среди всех обмоточных, так как они имеют наименьшую толщину изоляции (0,007 … 0,065 мм). Их применение позволяет увеличить мощность электрической машины за счет большего числа витков в объеме обмотки. 22 Рис. 1 – Провод с эмалевой изоляцией Эмалевая изоляция наносится на эмалировочных станках в виде гибкого лакового покрытия. Важнейшими характеристиками эмалированных проводов являются их эластичность; нагревостойкость; электрическая прочность. Обмоточные провода с волокнистой изоляцией имеют большую толщину изоляции (0,05…0,17мм) по сравнению с эмалированными проводами. В качестве волокнистой изоляции применяется пряжа: хлопчатобумажная (далее – х/б), шелковая, пряжа из капроновых, асбестовых, лавсановых или стеклянных воокон. Рис. 2 – Провод с волокнистой изоляцией В качестве конденсаторную изоляции для проводов, применяют кабельную и бумагу, хорошо пропитанную минеральным маслом. Проволока с пленочной бумажной изоляцией обеспечивает высокую электрическую прочность обмоткам трансформаторов. Для повышения 23 механической прочности изоляции из бумажной ленты ее покрывают хлопчатобумажной (далее – х/б) или капроновой пряжей. Обмоточные провода с волокнистой изоляцией обладают следующими свойствами: невысокие электроизоляционные свойства, т.к. все виды волокнистой изоляции гигроскопичны, т.е. поглощают влагу из воздуха; обмотки из проводов с волокнистой изоляцией требуют тщательной сушки и пропитки изоляционными лаками или компаундами. У проводов с эмалево-волокнистой изоляцией поверх слоя эмали наносят изоляцию из х/б, шелковой, капроновой или стеклянной пряжи Рис. 3 – Провод с эмалево-волокнистой изоляцией Такие обмоточные провода применяют для изготовления тяговых, шахтных электродвигателей, электрических машин и аппаратов, которые эксплуатируются в более тяжелых условиях и требуют защиты эмалевой изоляции. Маркировка обмоточных проводов Принята буквенно-цифровая маркировка проводов. В случае, если первая буква П (провод), то токоведущая жила медная, если указаны буквы АП, то токоведущая жила провода алюминиевая. Буквы, стоящие за П и АП обозначают материал изоляции: ЭЛ - эмаль лакостойкая; ЭВ - высокопрочная эмаль; ЭТ - теплостойкая эмаль; Б – изоляция из х/б пряжи (волокна); Ш - из натурального шелка; Л - из лавсана; К - из капрона; ШК - из искусственного шелка и капрона; С – из стекловолокна. 24 Если в конце марки стоит буква О или цифра 1, то провод имеет один слой изоляции; если - Д или 2 –пров од имеет два слоя изоляции. Примеры некоторых марок обмоточных проводов: АПБД – обмоточный алюминиевый провод, изолированный двумя слоями обмотки из хлопчатобумажной пряжи; АПСД - обмоточный алюминиевый провод, изолированный двумя слоями обмотки из стекловолокна; АПЛБД - обмоточный алюминиевый провод, изолированный обмоткой, состоящей из одного слоя лавсанового волокна и одного слоя хлопчатобумажного волокна; ПЭВБО – обмоточный медный провод, изолирован-ный высокопрочной эмалью и одним слоем обмотки из хлопчатобумажной пряжи; ПЭВБД - обмоточный медный провод, изолированный высокопрочной эмалью и двумя слоями обмотки из хлопчатобумажной пряжи. Монтажные провода Монтажные которые провода состоят из медных или алюминиевых жил, покрывают изоляционной резиной или полихлорвиниловым пластикатом, а также х/б, шелковой или капроновой пряжей и синтетической пленкой. Наибольшей гибкостью обладают многопроволочные провода, жила которых состоит из большого числа тонких проволок. Монтажные провода обычно выпускают с лужеными медными жилами, и это облегчает их пайку и монтаж. Рис. 4 – Монтажный провод с полихлорвиниловой изоляцией 25 Установочные провода и шнуры Установочные провода и шнуры служат для распределения электрической энергии, а также для присоединения электродвигателей, светильников и др. потребителей тока к сети. Токопроводящие жилы установочных проводов и шнуров изготавливают из медной и алюминиевой проволоки. Для обеспечения большей гибкости жилы шнуров и некоторых типов проводов являются многопроволочными. Примеры проводов и шнуров показаны на рис.5 – рис.7. Рис. 5 – Провода установочные с изоляцией из полихлорвинилового пластиката а – марки ПВ; б марки ППВ( ленточный двухжильный провод); 1 – однопроволочная жила; 2 – изоляция из полихлорвинилового пластика 26 Рис. 6 – Установочные провода с резиновой изоляцией а – марки ПР; б марки ПРГ; 1 - однопроволочная жила; 2 – изоляция из вулканизирован-ной резины; 3 – оплетка из х/б ткани; 4 – многопроволочная жила; 5 – покрытие (обмотка) из про-резиновой ленты Рис. 7 – Шнур марки ШР с резиновой изоляцией Провода и шнуры с полихлорвиниловой изоляцией выпускают без защитных оболочек. Установочные провода выпускают одно-, двух-, трех-, четырех- и многожильными на напряжение 220, 380, 500, 2000 и 3000 В переменного тока. Шнуры выпускают в виде двух изолированных и свитых друг с другом жил. Их изготавливают на напряжение до 220 В переменного тока. Маркировка установочных проводов и шнуров складывается из букв и цифр. Первая буква - материал жилы: А - алюминий. При отсутствии этой буквы жила медная; вторая буква: П - провод; ПП - провод плоский; 27 третья и последующие буквы - материал изоляции и защиты: Р резиновая; В – полихлорвиниловая; П - полиэтилен; О - изолированные жилы в оплетке из х/б пряжи; Н - негорючая резиновая оболочка; Ф - фальцованная (металлическая) оболочка; Г - с гибкой жилой; Д - провод двужильный; Т - с несущим тросом. Цифровая часть например: 3 х 2,5 , где 3 - количество жил; 2,5 - сечение каждой жилы в мм2. В маркировке соединительных шнуров присутствует буква Ш. Примеры некоторых марок установочных проводов: ПВ – установочный провод с медной жилой, изолированной полихлорвиниловым пластиком; АПВ – установочный провод с алюминиевой жилой, изолированной полихлор-виниловым пластиком; АПП – установочный провод с алюминиевой жилой с поли-этиленовой изоляцией; ППВ – установочный провод ленточный (плоский) с медными жилами, уложенными параллельно и заключенными в полихлорвиниловую изоляцию; АППВ - то же, но с алюминиевыми жилами; ПР - установочный провод медный с резиновой изоляцией. Силовые электрические кабели Электрические кабели применяют в электротехнике и энергетике для передачи и распределения электрической энергии в линиях электропередачи на высоком и низком напряжении. Токопроводящие жилы кабелей изготавливают из мягкой медной проволоки (марка ММ) или из алюминиевой мягкой или твердой проволоки (марки АМ и АТ). 28 Обычно в одножильных кабелях применяют жилы круглой формы, в двужильных – круглой и сегментной, в трех- и четырех- жильных кабелях– секторной формы. На рис. 8 приведены примеры многопроволочных жил кабелей. Рис. 8 – Многопроволочные жилы кабелей а- круглая неуплотненная жила; б – круглая уплотненная жила; в – секторная уплотненная жила; г – сегментная уплотненная жила Конструкция кабеля с секторными жилами обеспечивает более полное использование объема под защитной металлической оболочкой, а круглые жилы (часто со специальными экранами) служат для обеспечения равномерного радиально направленного электрического поля. Для надежного функционирования силовых электрических кабелей крайне важен правильный выбор вида и материала его изоляции. Для передачи и распределения электрической энергии в установках переменного тока низкого напряжения до 500 В и высокого напряжения 3–6 кВ применяют кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией. Изоляция слоями пропитанной кабельной бумаги электроустановках на напряжение применяется в до 500 кВ. При этом применяется: бумажная изоляция с вязкой пропиткой бумаги – в электроустановках на напряжение не выше 35 кВ; бумажная изоляция с менее вязкой пропиткой – в высоковольтных электроустановках на напряжение до 110 кВ. Пластмассовая изоляция так же применяется в высоковольтных электроустановках на напряжение от 35 до 110 кВ. 29 В электроустановках на более высокие напряжения (от 110 кВ и выше) наиболее часто применяют я силовые кабели с маслонаполненной и газонаполненной изоляцией. Примеры электрических кабелей показаны на рис.9 – рис.11. Рис. 9 – Силовой кабель с резиновой изоляцией в свинцовой оболочке, небронированный (марка СРГ) 1 – свинцовая; 2 – поясная изоляция; 3 – покрытие (обмотка) из прорезиненной ленты; 4– изоляция из вулканизированной резины; 5 – медная многопроволочная жила; 6 – междуфазное заполнение Рис. 10 – Силовой кабель с резиновой изоляцией жил в оболочке из полихлорвинилового пластиката 1 - однопроволочные жилы; 2 – изоляция жил из вулканизированной резины; 3 – оболочка из полихлорвинилового пластиката 30 Рис. 11 – Силовой кабель с бумажной изоляцией жил в свинцовой оболочке, бронированный (марка СБ) 1 – верхний защитный покров из грубой пропитанной пряжи; 2 – броневой покров из стальных лент; 3 – защитный покров; 4 – свинцовая оболочка; 5 – поясная изоляция; 6 – междуфазное заполнение; 7 – бумажная пропитанная изоляция; 8 – медные многопроволочные жилы 3 Порядок выполнения работы и содержание отчета При выполнении работы следует: 1 Изучить справочный материал по расшифровке марок проводниковых изделий. 2 Расшифровать заданные марки проводов и кабелей. 3 оформить выполненное задание . Отчет должен содержать: название и цель работы; оформленное задание по расшифровке марок и ответ на контрольные вопросы. Контрольные вопросы 1 Указать виды изоляции обмоточных проводов. 2 Указать область применения установочных и монтажных проводов. 3 Перечислить изоляцию монтажных и установочных проводов. 4 Описать конструкцию кабелей с резиновой и бумажной изоляцией 5 Указать область применения силовых кабелей. 31 Работа № 4 Изучение неметаллических материалов 1 Цель работы Ознакомиться с наиболее распространёнными неметаллическими материалами, изучить их основные физико-химические, электрические и тепловые свойства и область применения. 2 Краткие теоретические сведения К группе неметаллических материалов относятся полимерные органические и неорганические виды материалов: разные виды пластмасс, керамика, стекло, резины, каучуки и другие материалы. Среди всех неметаллических материалов наиболее широко применяются пластмассы. Они используют в строительстве, машиностроении , электротехнике и энергетике как в качестве электроизоляционных, так и конструкционных материалов. Пластмассами называют материалы, получаемые на основе природных или синтетических смол (полимеров) Обычно они представляют собой изделия, получаемые из прессовочных порошков, которые под воздействием температуры и давления размягчаются и приобретают свойства пластического течения. По составу пластмассы представляют собой композицию из связующего и наполнителя. В качестве связующего используются полимерные материалы, способные деформироваться под воздействием давления. Это чаще всего синтетические смолы – резольные, эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и др., которые пропитывают наполнители и другие 32 компоненты пластмасс, придают им пластичность и обеспечивают монолитность получаемых изделий. Наполнители – это порошкообразные или волокнистые вещества (мелкие опилки, хлопчатобумажные, асбестовые, стеклянные волокна, древесина, слюда, бумага, ткань), которые улучшают многие свойства пластмассы: повышают механическую прочность, уменьшают объемную усадку и хрупкость, повышают стойкость к воздействию различных сред. Но наличие наполнителей ухудшают электроизоляционные свойства материала. В состав многих пластмасс входят и другие вещества, такие как: пластификаторы, стабилизаторы (ингибиторы), смазывающие вещества (стеарин, олеиновая кислота), отвердители, красители, катализаторы. К основным методам получения изделий или деталей из пластмасс относятся: – прессование; – литье под давлением (пресс-литье); – литье без давления; – выдавливание; – выдувание; В зависимости от вида связующего различают пластмассы: горячей прессовки – требуют при прессовке нагрева, холодной прессовки – прессуют при нормальной температуре. Для изготовления иили зделий деталей применяются пластмассы, полученные на основе как термопластичных, так и термореактивных смол или же их смесей. В электротехнике и энергетике широко применяются самые разнообразные пластмассы: полиамиды, поливинилхлориды, полиэтилены, фторопласты, текстолиты, гетинаксы и др. Из полиамидов, в том числе из капрона, изготавливают большое количество разнообразных электроизоляционных и конструкционных деталей или узлов: втулки, манжеты, патроны ламп, выключатели, 33 вкладыши, корпуса, шестерни), корпусы габаритных фонарей, корпусы и крышки и др, Винипласты (или непластифицированный поливинилхлорид) применяют для изготовления банок аккумуляторных батарей, прокладок, уплотнителей, внутренней обшивки кузова. Пластифицированный поливинилхлорид используется для получения обивочных материалов. Полиэтилен – это один из лучших органических электроизоляционных материалов, широко электроизоляционных применяется конструкциях. полимеризации. В зависимости в самых разнообразных Полиэтилен получают реакцией от проведения химической реакции (температура, давления и присутствие катализатора) получают полиэтилен высокого, низкого и среднего давления (ВД, СД, НД). Из полиэтилена ВД изготавливают крышки, кнопки, осветительные плафоны, трубки, прокладки и другие детали, а также плёнку, на основе которой получают драпировочные и обивочные ткани для сидений и спинок. Фторопласты используют для изготовления деталей, работающих при высоких температурах и химически агрессивных средах. Исключительно высокие 41 антифрикционные свойства фторопластов не всегда могут быть испльзованы, т. к. этот пластический материал неработоспособен при значительных удельных давлениях и линейных скоростях в подшипнике. Из полистирола изготавливают стёкла приборов освещения, сигнальные стёкла, кнопки, детали электроарматуры. Гетинакс применяется электрооборудования. для изготовления Стеклопластиковое изоляционных волокно деталей используется для изготовления тепло- и звукоизоляционных прокладок. Из текстолита изготавливают электрооборудования, а также изоляционные детали приборов шестерни упорные шайбы и распределительного вала. Лакокрасочные материалы выполняют две функции – защитную и декоративную, т. е. техническую и эстетическую. При нанесении на 34 окрашиваемую поверхность они создают плёнку, которая защищает металлические изделия от коррозии, а деревянные – от гниения: они сообщают поверхности различные свойства (электроизоляционные, теплозащитные и др.) и придают поверхности декоративный вид. К лакокрасочным материалам предъявляются определённые требования: высокая адгезия к защищаемым поверхностям, теплостойкость и химическая устойчивость, водонепроницаемость, светостойкость, гладкость, твёрдость и эластичность плёнки, хорошие защитные свойства. К основным лакокрасочным материалам относятся грунтовка, шпатлёвка и эмали и лаки. Резины широко используют как электроизоляционные материалы, так и материалы конструкционных узлов: шлангов в системах охлаждения и питания, вентиляции, ремней привода вентиляторов, генераторов, уплотнителей, втулок, манжет, чехлов, диафрагм тормозной системы, деталей пневматической подвески, амортизирующих прокладок и втулок, ковриков для пола и др. Готовые резины делятся на две группы – общего и специального назначения. Резины общего назначения изготавливаются на основе натурального каучука, бутадиеновых, изопреновых, бутадиен-стирольных, бутилкаучуков и их комбинаций. Широко применяются стекло и керамика. 3 Содержание и порядок выполнения работы 1 Ознакомиться с представленными на лабораторных стендах или предложенными преподавателем неметаллическими материалами. 2 Определить класс, подкласс или группу каждого представленного материала, указать механические, физико-химические и электрические характеристики материалов, область их применения, достоинства и недостатки. 35 3 Определить класс нагревостойкости материала, характерные особенности предложенных электроизоляционных материалов и указать возможное применение в электроизоляционных конструкциях. 4 Содержание отчёта Отчет по работе должен содержать: – цель работы; – описание основных физико-химических, электрических и тепловых свойств заданных материалов. – оформленное задание по электроизоляционным материалам по указанию преподавателя. Отчет по выполненной работе может быть представлен в форме реферата или презентации. Контрольные вопросы 1 Какими свойствами обладают пластмассы? 2 Какие компоненты входят в состав пластмасс и как они влияют на свойства пластмасс? 3 Как достигается улучшение свойств полимерных материалов? 4 Чем обычно характеризуются термопластичные и термореактивные полимеры? 5 В чём заключается процесс вулканизации резины? Какие компоненты могут входить в состав резин? Их назначение. Какие существуют виды резин? 6 Как классифицируются лакокрасочные материалы? Назовите основные компоненты лакокрасочных материалов. 7 Область применения покрытия лакокрасочных материалов? 8 Какими свойствами должны обладать электроизоляционные материалы? 36
