Классификация проводников. Общие свойства. Физические процессы.

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ

по дисциплине ОП.05 «Материаловедение»

 

Вопросы к экзамену по дисциплине ОП.05 «Материаловедение»

1. Материаловедение: цели и задачи дисциплины.

2. Общая классификация материалов.

3. Свойства материалов и их параметры.

4. Механические свойства материалов.

5. Статические испытания металла на растяжение, показатели прочности.

6. Определение твердости металлического образца.

7. Технологические свойства материалов.

8. Физические, химические свойства материалов.

9. Изучение структуры металлов, кристаллическое строение.

10. Дефекты кристаллического строения металлов.

11. Металлические сплавы. Определение фазы, компонента, сплава

12. Многокомпонентные сплавы на примере двойной металлической системы А–В, варианты их взаимодействия.

13. Механизм кристаллизации металлических сплавов, кривые кристаллизации и их характерные точки.

14. Общие принципы построения диаграмм состояния сплавов металлов

15. Диаграмма состояния I рода с описанием

16. Диаграмма состояния II рода с описанием

17. Диаграмма состояния III рода с описанием

18. Диаграмма состояния IV рода с описанием

19. Диаграмма состояния «Железо - углерод» - основные фазовые состояния

20. Компоненты железоуглеродитых сплавов: железо

21. Компоненты железоуглеродитых сплавов. Углерод

22. Классификация сталей

23. Углеродистые стали обыкновенного качества. Свойства, применение, маркировка

24. Качественные углеродистые стали. Свойства, применение, маркировка

25. Инструментальные стали. Свойства, применение, маркировка

26. Чугун. Основные виды, свойства.

27. Серый чугун. Свойства, применение, маркировка

28. Ковкий чугун. Свойства, применение, маркировка

29. Металлургическое производство: производственные комплексы, материалы

30. Производство чугуна. Доменный процесс.

31. Производство стали мартеновским способом

32. Конверторный способ получения стали.

33. Технология выплавки сталей в электропечах

34. Основные виды термической обработки, её назначение.

35. Основные виды химико-термической обработки, её назначение.

36. Медь, наиболее распространенные её сплавы. Свойства, маркировка.

37. Алюминий, наиболее распространенные его сплавы. Свойства, маркировка.

38. Проводниковые материалы. Основные свойства

39. Припои и флюсы

40. Материалы для проводов и кабелей. Основные свойства

41. Контактные материалы. Основные свойства

42. Диэлектрические материалы. Основные свойства

43. Общая классификация диэлектриков, характеристики.

44. Полимеры: основные разновидности, их свойства

45. Полупроводниковые материалы. Классификация, свойства. Германий, кремний

46. Магнитомягкие материалы

Проводниковые материалы

Классификация проводников. Общие свойства. Физические процессы.

Проводник – это вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов. Проводниками могут быть как твердые вещества, так и жидкости и газы. Свойства материалов зависят от структуры, и на уровне молекулы они обусловлены взаимодействием элементарных частиц, из которых состоят все вещества - электронами, протонами, нейтронами. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, а электроны заполняют оболочки атома, компенсируя положительный заряд ядра. Молекулы могут содержать различное количество атомов.

В зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов могут образовываться различные виды связей:

- ковалентная (общие электроны – хлор во всех трех агрегатных состояниях);

- ионная (притяжение между положительными и отрицательными ионами – соли щелочных металлов);

- металлическая (в узлах кристаллической решетки положительные ионы, между ними перемещаются электроны, силы взаимного притяжения – некоторые металлы);

- молекулярная (связь Ван-дер-Ваальса, обусловленная согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах - парафин).

Твердые проводники: металлы, металлические сплавы, некоторые модификации углерода и т.д.

Жидкие проводники: растворы электролитов, некоторые жидкости, расплавленные металлы, соли, щелочи и т.д. Т.к. температура плавления, как правило, металлов очень велика, то в качестве жидких проводников могут использоваться только такие металлы как ртуть и галлий.

Газообразные проводники: ионизированные газы, которые в проводящем состоянии называются плазмой.

Механизм прохождения тока в металле обусловлен движением электронов, поэтому проводимость называется электронной, а проводники – проводниками первого рода.

По характеру и природе электропроводности все проводники электрического тока подразделяются на проводники первого и второго рода.

Характерной особенностью проводников первого рода, к которым относятся металлы, сплавы, уголь и некоторые другие вещества, является наличие в них свободных электронов, представляющих собой отрицательно заряженные частицы с массой, равной 1/1840 массы атома водорода. Электрический ток в проводнике первого рода рассматривается как поток электронов, перемещающихся в электрической цепи от отрицательного полюса положительному.

К проводникам второго рода относятся соли и щелочи в кристаллическом, растворенном или расплавленном состоянии, также растворы кислот и оснований в воде и в некоторых других растворителях.Прохождение тока через такие вещества связано с переносом вместе с электрическим зарядом молекул (ионов), в результате состав электролита постепенно меняется, а на электродах постепенно выделяется продукт электролиза.

Свойства проводников:

Удельная проводимость (удельная электропроводность) – величина, обратно пропорциональная удельному сопротивлению, определяющая способность какого-либо вещества проводить электрический ток. Ее смысл (по закону Ома) объясняется как способность вещества проводить электрический ток в изотропном веществе. Величина является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока и величиной электрического поля в среде:

γ=J/E

где Е - электродвижущая сила (ЭДС), J – плотность тока, А/м²

Единица измерения γ – сименс на метр (См/м) или Ом^-1·м^-1

Удельное электрическое сопротивление – величина, характеризующая электропроводность вещества, точнее, способность этого вещества препятствовать прохождению через него электротока, одним словом, определяющая, насколько легко какой либо материал пропускает электрический заряд. Единица измерения удельного сопротивления, принятого в СИ - Ом·м:

Изменение удельного сопротивления, как правило, происходит при переходе из твердого состояния в жидкое. У некоторых металлов удельное сопротивление увеличивается (такие металлы увеличивают свой объем при плавлении, т.е. уменьшают свою плотность), у других металлов, наоборот – уменьшается (аналогично фазовому переходу льда в воду) это галлий, висмут.

Температурный коэффициент удельного сопротивления металла – при увеличении температуры колебания узлов кристаллической решетки усиливаются, уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, следовательно – удельное сопротивление материала увеличивается. Температурный коэффициент удельного сопротивления у металлов имеет положительное значение.

Теплопроводность металлов – осуществляется, в основном, посредством свободных электронов. Теплопроводность металлов, поэтому, намного больше, чем у диэлектриков. Чем больше проводимость материала, тем больше его теплопроводность.

Термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). При соприкосновении двух разнородных металлических проводников, между ними возникает контактное напряжение или термо-ЭДС, обусловленное различием значений работы выхода электронов в этих проводниках, и различной концентрацией электронов. Применяется это явление для изготовления термопар.

Температурный коэффициент линейного расширения проводника TK_R . Важен для работы различных материалов в единой конструкции, т.к. при несоответствии коэффициентов может возникать растрескивание, нарушение вакуумного соединения со стеклами, керамикой.

Механические свойства проводника: твердость, упругость, жесткость, хрупкость, пластичность, вязкость

Химические свойства – взаимодействие с окружающей средой с кислотами, стойкость к коррозии и т.д.

Технологические свойства – паяемость, механическая обработка.

 

Припои и флюсы.

Припой– это специальный сплав, применяемый при пайке. Пайку применяют для создания механически прочного (иногда герметичного) шва - электрического контакта с минимальным переходным сопротивлением. При пайке место соединения и припой нагревают до определенной температуры. Припой должен иметь температуру плавления ниже, чем соединяемые материалы (металлы), он должен плавиться, в то время как основной металл остается твердым. Припой должен иметь хорошую жидкотекучесть, механическую прочность, коррозийную стойкость, небольшой коэффициент температурного расширения, малое удельное сопротивление.

Припои условно делятся на:

а) мягкие припои: оловянно-свинцовые сплавы (обозначение ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС - 10) до 90% (ПОС - 90), остальное составляет свинец. Еще в их состав может входить сурьма ПОС – 61-05, ПОС – 8-3; алюминий, серебро, висмут, кадмий.

Используютсядля пайки различных радиотехнических деталей.

б) твердые припои: медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСР) с добавками различных элементов:

- ПМЦ-36 и ПМЦ- 54: 36¸54% медь + % остальное цинк - для пайки стали, меди и её сплавов;

- ПСр-25 и ПСр: 26¸40% медь + 25¸70% серебро + 4¸35% цинк - пайка меди, серебра, платины, вольфрама и стали.

Флюсы – вспомогательные материалы для получения надежной пайки.

Назначение флюсов:

- растворять и удалять окислы с поверхности металлов;

- защищать при пайке поверхность и расплавленный припой от окисления;

- уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя;

- улучшать растекаемость припоя и смачиваемость им соединяемых поверхностей.

По действию, оказываемому на металл, флюсы делятся на:

- активные (кислотные) – на основе соляной кислоты, хлористых и фтористых соединений металлов. Растворяют оксидные пленки не поверхности металлов. Обеспечивая высокую прочность спая. Остатки флюса после пайки вызывают коррозию как метала, так и припоя, поэтому после использования, если возможна промывка и полное удаление остатков флюса. Запрещено их использование при монтажной пайке электрорадиоприборов.

- бескислотные флюсы – канифоль и флюсы на её основе, с добавлением неактивных веществ (спирт, глицерин, стеарин, нашатырь, парафин и т.д.)

- активированные – на основе канифоли с добавкой активаторов – немного солянокислого или фосфорнокислого анилина, салициловой кислоты, солянокислого диэтиламина, молочной кислоты и т.д. Высокая активность позволяет производить пайку без удаления окислов после обезжиривания.

- антикоррозийные  - на основе фосфорной кислоты, плюс различные органические соединения и растворители, на основе органических кислот. Остатки этих флюсов не вызывают коррозию и их можно не удалять в процессе.