Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 [ 43 ] 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

В t

Рис. 16.6. Схема изменения модуля упругости ферромагнетика при нагреве

лаблением сил межатомного взаимодействия. Снижение АЕ с повышением температуры, вызванное уменьшением намагниченности ферромагнетика, приводит не к снижению, а, наоборот, к росту модуля нормальной упругости Е. Из этой же схемы следует, что модуль упругости ферромагнетика может также сохраняться постоянным до температуры точки Кюри.

Температурный коэффициент модуля нормальной упругости, называемый для краткости термоупругим коэффициентом у, определяет характер изменения модуля упругости при нагреве. В ферромагнитных материалах этот коэффициент может иметь знак плюс в тех случаях, когда модуль упругости при нагреве растет, а также знак минус, когда модуль упругости, как и у неферромагнитных материалов, снижается:

£, = £2o(»+Y),

где £20-модуль упругости при 20°С.

В элинварных сплавах термоупругий коэффициент всегда имеет положительное значение и может быть равным нулю.

Для сплавов Fe-Ni значения термоупругого коэффициента определяются содержанием никеля (рис. 16.7). В сплавах, содержащих от 29 до 45% Ni, коэффициент Y имеет положительное значение, что свидетельствует о наличии большой аномалии в изменении модуля нормальной упругости при нагреве.

Сплавы с содержанием 29 и 45% Ni

имеют нулевые значения коэффициента у. Однако незначительные отклонения в концентрации никеля, что неизбежно в металлургическом процессе, резко изменяют значения у. Поэтому сплавы Fe-Ni дополнительно легируют хромом, который делает эту зависимость менее резкой и позволяет получать в сплавах различных плавок устойчивое значение у, близкое к нулю.

Первым сплавом такого типа был сплав 36НХ (36% Ni и 12% Сг), названный элинваром. К сожалению, этот сплав наряду с отмеченными преимуществами обладает недостатками. Во-первых, он имеет низкие значения механических характеристик, которые нельзя улучшить термической обработкой, так как у сплава устойчивая однофазная аустенитная структура. Во-вторых, сапав имеет невысокую температуру точки Кюри (~100°С), что ограничивает рабочий интервал температур.

Впоследствии сплав начали легировать титаном и алюминием (36НХТЮ), что позволило упрочнять его термической обработкой, но дополнительно снизило температуру точки Кюри. В результате термической обработки сплав


NL,°/o

Рис. 16.7. Зависимость термоупругого коэффициента у от содержания никеля в сп.павах Fe-Ni



ТАБЛИЦА 16.2. Химический состав (ГОСТ 10994 - 74) и рабочая температура элинварных сплавов

Сплав

Содержание элементов (остальное Fe), "„

раб- С

42НХТЮ 44НХТЮ

41,5-43,5 43,5-45,5

5,3-5,9 5-5,6

2,4-3 2,2-2,7

0,5-1 0,4-0,8

<100 <200

потерял свою ферромагнитность, а следовательно, и элинварность. Его используют как сплав с хорошими упругими свойствами для пружин и упругих элементов, от которых требуются не-магнитность и высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах (см. гл. И).

Дальнейшее распространение элинварные сплавы получили в виде сплавов с содержанием 5-6% Сг и 42-44% Ni. Термоупругий коэффициент таких сплавов близок к нулю (см. рис. 16.7). Повышенное содержание никеля обеспечивает более высокую температуру точки Кюри, что расширяет температурную область их применения. Для получения хороших механических свойств эти сплавы дополнительно легируют титаном и алюминием, что позволяет упрочнять их термической обработкой (табл. 16.2). Содержание углерода в сплавах должно быть минимальным.

Приведенные сплавы обладают хорошими антикоррозионными свойствами и, что особенно важно, малым внутренним трением (см. гл. И).

Сплавы 42НХТЮ и 44НХТЮ для получения минимальных значений коэффициента Y и внутреннего трения подвергают термической обработке: закалке от 950 °С, при которой избыточные фазы растворяются в аустените, и последующему отпуску-старению при 700 °С в течение 4 ч. В процессе старения в мелкодисперсном виде вьщеляется промежуточная метастабильная у-фаза.

Правильно проведенная обработка указанных сплавов позволяет получать значения коэффициента у в пределах + 1,5- 10~°С~ в интервале температур 20-100 °С. Основной недостаток данных сплавов-нестабильность значения коэффициента Y при возможных колебаниях химического состава в пределах марки сплава.



Глава 17. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ

ЭЛЕКГРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Материалы по электрическим свойствам подразделяют на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Различают эти материалы по величине удельного электрического сопротивления, по характеру зависимости его от температуры и по типу проводимости.

Проводники - удельное электрическое сопротивление в пределах 10" - - 10" * Ом • м, с ростом температуры увеличивается. Используют для проводников постоянного и переменного тока, резисторов, нагревательных элементов, контактов и т. п.

Полупроводники-удельное электрическое сопротивление в пределах 10" - 10 Ом м, с ростом температуры уменьшается. Применяют для выпрямления, усиления электрических сигналов, превращения различных видов энергии в электрическую и т. д.

Диэлектрики - удельное электрическое сопротивление в пределах 10 - 10 Омм, используют как изоляторы.

17.1. Материалы высокой электрической проводимости

Электрические свойства проводниковых материалов. Электрическая проводимость твердых тел, в первую очередь, определяется электронным строением атомов.

В твердых телах в результате взаимодействия электромагнитных полей атомов энергетические электронные подуровни расщепляются, образуя энергетические зоны (рис. 17.1).

При переходе к более высоким энергиям щирина зоны разрешенных подуровней растет и зоны перекрываются, а зоны запре-

щенных энергий при сближении атомов на расстояние а вообще исчезают.

Плотность заполнения электронами энергетических зон и их перекрытие определяют электрическую проводимость твердых тел (рис. 17.2).

В кристаллах непереходных металлов (Си, Ag, Au, Al, Na) валентная зона заполнена не полностью, поэтому даже небольшое внешнее электрическое поле вызывает перемещение электронов в зоне на более высокие энергетические подуровни. Энергия, необходимая для такого перемещения, ничтожно мала, так как незанятые подуровни непосредственно примыкают к заполненным. Для натрия эта энергия составляет 1,6-10"* Дж.

Несколько меньшей электрической проводимостью обладают переходные металлы: Fe, Ni, Cr и т. д. Они имеют незаполненные подуровни 3d зоны, которая перекрывается с заполненной валентной зоной 4s. При наложении электрического поля становится возможным перемещение электрона не только в пределах зоны 3d, но и переход из зоны 4s в нижерасположенную зону 3d. Это уменьшает число электронов, создающих электрический ток и, тем самым,-электрическую проводимость.

В отличие от металлов в кристаллах неметаллов (ковалентных и молекулярных) валентные зоны полностью укомплектованы и отделены от зоны проводимости, в которой есть свободные подуровни, широкой зо-


а 2а

Рис. 17.1. Образование энергетических зон при сближении атомов натрия



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 [ 43 ] 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61