Электротехническое материаловедение д.ф.м.н., профессор УНЛ ЭТМ Коробейников С.М Лекция 4 Теплофизические и механические характеристики материалов

Теплофизические и механические характеристики материалов. Теплофизические характеристики материалов очень важны для практики. Действительно, материалы в различных энергетических устройствах и установках работают в различных температурных условиях. Это могут быть климатические условия: солнце, влага, мороз и т.д. Это может быть и нагревание самого материала за счет процессов, происходящих в эксплуатации. Это может быть и материалы для устройства подогрева электрооборудования в холодное время года. Поэтому важно понимать, как ведут себя материалы при различных температурах, как они могут отводить тепло или аккумулировать тепло.

4.1. Температура Абсолютная температура – это мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа Абсолютный нуль термодинамической шкалы температур

Шкалы температур 0°К 273,16°К 0°С 100°С Реомюра 1°R = 5/4°C 32°C Фаренгейта 1°F = 5/9°C 100°F 100°R

4.1. Понятие температуры. Характерные температуры (плавления, кипения, Кюри, и т.п.) Температуростойкость материалов. Теплостойкость материалов. Температура - это понятие, введенное для характеристики энергии, которой обладают молекулы вещества. W=kT. По шкале Кельвина, или абсолютной шкале температур, нуль соответствует абсолютному нулю, а нулевая температура по шкале Цельсия соответствует 273 К. Значок градуса в этом случае не ставится. Ниже нуля Кельвина температуры в принципе не может быть. Она соответствует абсолютному покою, при этой температуре, согласно классической механике, молекулы и атомы абсолютно неподвижны. Для материалов вводят несколько характерных температурных точек, указывающих работоспособность и поведение материалов при изменении температуры.

Характерные температуры: плавления, парообразования, текучести, каплепадения, вспышки паров, Дебая, Кюри-Нееля, длительная рабочая и т.д.

Нагревостойкость - максимальная температура, при которой не уменьшается срок службы материала. По этому параметру все материалы разделены на классы нагревостойкости. Теплостойкость - температура, при которой происходит ухудшение характеристик при кратковременном ее достижении. Современная классификация по нагревостойкости (согласно МЭК) – класс обозначается числом, означающим макс.раб. Т

Термостойкость - температура, при которой происходят химические изменения материала. Морозостойкость - способность работать при пониженных температурах (этот параметр важен для резин). Горючесть - способность к воспламенению, поддержанию огня, самовоспламенению. Это различные степени горючести. Большинству материалов присущи точки плавления, кипения. Точка плавления - температура, при которой происходит переход из твердого состояния в жидкое.

Не обладает точкой плавления жидкий гелий, он даже при нуле Кельвина остается жидким. К наиболее тугоплавким можно отнести вольфрам 3387 С, молибден 2622 С. Есть материалы, в основном это термопластичные полимеры, которые обладают точкой размягчения, но до плавления дело не доходит, т.к. начинается разрушение полимерных молекул при повышенных температурах. У термореактивных полимеров даже до размягчения дело не доходит, материал раньше начинает разлагаться. Есть сплавы и другие сложные вещества у которых сложный процесс плавления: при некоторой температуре, называемой солидус происходит частичное расплавление, т.е. переход части вещества в жидкое состояние. Остальное вещество находится в твердом состоянии.

По мере повышения температуры все большая часть переходит в жидкое состояние, наконец при некоторой температуре, называемой ликвидус произойдет полное расплавление вещества. Например сплав олова и свинца для пайки, называемый попросту припой, начинает плавиться примерно при 180 С (точка солидус), а расплавляется примерно при 230 С (точка ликвидус).

Точка кипения - температура, при которой происходит переход из жидкого состояния в парообразное. Кипят практически все простые вещества, не кипят сложные органические соединения, они разлагаются при более низких температурах, не доходя до кипения. На точку кипения оказывает значительное влияние давление. Так, например для воды можно сдвинуть точку кипения от 100 С до 373 С приложением давления в 225 атм. Азеотроп – смесь, у которой состав жидкости и пара одинаковый (при кипении не разделяются). Есть температуры специфичные для электротехнических материалов.

Точка кипения воды

Например для сегнетоэлектриков вводят т.н. точку Кюри. Оказывается, что сегнетоэлектрическое состояние вещества возникает только при пониженных температурах. Существует такая температура для каждого сегнетоэлектрика, выше которой домены не могут существовать и он превращается в параэлектрик. Такая температура называется точкой Кюри. Для антиферромагнетиков аналогичная точка называется точкой Нееля.

4.2. Теплоемкость, теплопроводность, температурные коэффициенты материалов. Теплоемкость - это способность накапливать тепловую энергию в материале при его нагревании. Численно удельная теплоемкость равна энергии, которую нужно ввести в единицу массы материала, чтобы нагреть его на один градус. Размерность удельной теплоемкости [Дж/(кг· К)].Q=Cm(T 2 -T 1 )где m-масса материала, T 2,T 1 конечная и начальная температуры. Теплоемкость газов хорошо изучена теоретически. Для газов даже введено два типа теплоемкости: при постоянном давлении C p и при постоянном объеме C v. Обычно рассматривают теплоемкость, приходящуюся на одну молекулу. Тогда для одноатомного газа C p = 5/2 kT, а C v = 3/2 kT.

Теплоемкость (удельная теплоемкость) (Удельной) теплоёмкостью материала называется энергия, необходимая для нагрева единицы массы материала на 1 К Золото – 127, Железо – 422, Кремний – 648, Кислород – 915, Азот – 1042; Кварц (SiO 2 ) – 655, Элегаз(SF 6 ) – 340, Глицерин – 2937, Полиэтилен Лед – 1928, Вода – 4181, Пар – 2038; Аммиак (ж.) – 4460, Аммиак (г)

Теплопроводность определяет способность передать тепловую энергию через материал. Это тоже важная характеристика, она характеризуется коэффициентом теплопроводности. Численно он равен потоку q проходящему через площадку единичной площади, при перепаде на ее гранях температуры 1 С.

Теплопроводность молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный градиентом температуры l = Удельная теплопроводность (коэффициент теплопроводности) – это удельный тепловой поток (мощность, проходящая перпендикулярно изотермической поверхности площадью 1 кв.м) при градиенте температуры 1 К/м

Для газов и жидкостей обычная теплопроводность играет незначительную роль. В этом случае главную роль играют конвекция и изоучение. Конвекция возникает из-за того, что нагретые жидкость или газ расширяются, их плотность уменьшается, они начинают всплывать под действием выталкивающей силы Архимеда. За счет этого возникают локальные течения, которые эффективно уносят тепло из нагретой зоны. Тепловое изоучение также важно, особенно при повышенных температурах. Основное выражение, используемое в оценках имеет вид: q изо = 4, где - коэффициент серости изоучающего материала, - постоянная Стефана-Больцмана, = 5.67 ·10 -8 Вт/(м 2 К 4 ).

Температурные коэффициенты. Практически все свойства материалов зависят от температуры. Обычно это учитывается введением т.н. температурного коэффициента. Строго математически для какого-либо свойства х он вводится выражением Tkx =1/x dx/dT где х может быть любой характеристикой материала. Размерность любого температурного коэффициента - 1/К.

Температурный коэффициент Температурным коэффициентом физической величины (а) называется относительное изменение этой величины при увеличении температуры на 1 К

Например возьмем в качестве х размер l образца материала. Тогда Tkl означает температурный коэффициент расширения материала. Если взять диэлектрическую проницаемость, то Тк будет температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, если взять удельное сопротивление, то Тк будет температурный коэффициент удельного сопротивления. В практике обычно пользуются линейным приближением, считая изменение характеристики с температурой малым, по сравнению с основным значением.

Для этого случая можно выписать температурную зависимость в явном виде. Для удельного сопротивления (Т) = (Т 0 )(1 + Тк (Т- Т 0 )) Для размера тела l(Т) = l(Т 0 )(1 + Ткl(Т-Т 0 )) Для диэлектрической проницаемости (Т) = (Т 0 )(1 + Тк (Т-Т 0 )) Для магнитной проницаемости (Т) = (Т 0 )(1 + Тк (Т- Т 0 ))

4.3. Механические свойства материалов. Удлинение, деформация, модуль упругости. Разрушающие напряжения при различных видах нагрузки. В процессе эксплуатации на материал действуют механические нагрузки. Основные виды нагрузки: сжатие, растяжение, сдвиг, кручение. Изменения размеров и формы тела под действием нагрузок называются деформациями. Их легко проиллюстрировать на примере стержня. Если к стержню площадью s приложить силу F вдоль оси, то его продольный размер l и поперечный размер r изменятся l/l = p /E, (4.4) Закон Гука r/r = - p /E,

где p = F/s- механическое напряжение, E - модуль Юнга или модуль всестороннего сжатия (или растяжения), - коэффициент Пуассона. Размерности p, E - Н/м 2, - безразмерна. Если сила сжимает стержень, то на стержень действует давление, продольное удлинение отрицательно, зато поперечное положительно. В случае растягивающей силы, т.е. действия напряжения - наоборот. Удлинение вдоль стержня, положительно, а поперек - отрицательно. При снятии нагрузки исходные размеры восстанавливаются. Такие деформации называются упругими.

Предел упругости ( 0.05 ) - напряжение, при котором остаточная деформация не превышает 0.05%. Предел текучести ( 0.2 ) - напряжение, при котором происходит удлинение до 0.2% без увеличения нагрузки. Предел прочности или временное сопротивление в -напряжение, соответствующее максимальной нагрузке.

Заключение Рассмотрены теплофизические и механические характеристики материалов Благодарю за внимание!