ELEKTROTECHNOLÓGIA
Ing. Lenka Badlíková
1. VLASTNOSTI
ELEKTROTECHNICKÝCH
MATERIÁLOV
TECHNE = umenie
LOGOS = náuka, veda
TECHNOLÓGIA:
= veda, ktorá sa zaoberá premenou surovín
a polovýrobkov na výrobky
= veda o výrobnom procese
=náuka o výrobných spôsoboch a výrobných
postupoch
Elektrotechnológia je vedný odbor
zaoberajúci sa:
✗
zložením
✗
štruktúrou
✗
vlastnosťami a spracovaním materiálov
➢
➢
➢
v súčasnosti existuje veľké množstvo rozličných
materiálov, ich úžitkové vlastnosti a oblasti použitia
výrazne závisia od ich vnútornej stavby, teda od
štruktúry a usporiadania atómov, z ktorých
pozostávajú
často nevhodný výber materiálu alebo nesprávny
spôsob jeho spracovania vedie k znehodnoteniu
konštrukčného celku
samotným výberom materiálu a spôsobu jeho
spracovania je možné výrazne meniť celkovú
hmotnosť zariadenia,úžitkové vlastnosti a v
neposlednom rade aj cenu
●
●
technické materiály sú zvyčajne pevné
látky, ktoré sa používajú na výrobu
strojov,
prístrojov,
konštrukcií,
technologických zariadení, nástrojov a
úžitkových predmetov
technologické vlastnosti určujú vhodnosť
materiálu na určité technologické
operácie a spresňujú technologické
podmienky spracovania
Elektrotechnický materiál:
●
je látka (hmota) určená na použitie pri
výrobe elektrotechnických zariadení a
ich súčastí, pričom už má potrebné
vlastnosti na účel jej využitia ( čistá
meď, hliník)
Surovina:
●
●
je východzia látka (hmota), ktorá ešte
nemá vlastnosti potrebné na konkrétne
použitie
môže ich však po vhodnej úprave, alebo
spracovaní získať
Vlastnosť materiálu:
●
●
●
●
vyjadruje schopnosť materiálu,alebo jeho určitý
kvalitatívny znak
závisí od chemického zloženia, vnútornej štruktúry,
od spracovania
príklady vlastností: vodivosť (schopnosť viesť
elektrický prúd), tvrdosť, pevnosť, tepelná
vodivosť, pružnosť,....
materiály musia spĺňať celý rad špecifických
požiadaviek, napr. vodiče musia mať dobrú
elektrickú vodivosť, izolanty musia spĺňať izolačné
vlastnosti
2. ŠTRUKTÚRA TUHÝCH
LÁTOK
Elektrotechnické materiály sa nachádzajú v
skupenstve :
PEVNOM
KVAPALNOM
PLYNNOM
Stavba materiálov
Pevné látky možno principiálne z hľadiska
„usporiadanosti“ atómov rozdeliť. Obrovský počet
pevných látok a rozmanitosť ich vlastností
nemožno študovať inak ako tak, že si ich vhodne
rozdelíme. :
1.Kryštalické materiály
2.Amorfné materiály
3.Kvázikryštalické materiály
1. KRYŠTALICKÉ MATERIÁLY
atómy sú umiestnené v pravidelne sa
opakujúcom usporiadaní na dlhú vzdialenosť
✔
môžu sa vyskytovať ako:
✔
MONOKRYŠTÁLY
POLYKRYŠTÁLY
1. KRYŠTALICKÉ MATERIÁLY
priestorové usporiadanie častíc v kryštáloch
sa označuje aj ako kryštálová štruktúra
z tejto štruktúry vieme vymedziť tzv.
základnú (elementárnu) bunku - najmenšia
časť kryštálu s pravidelným priestorovým
usporiadaním častíc opakujúcim
sa v celom kryštáli, ktorá
je charakteristická pre
danú kryštalickú látku
1. KRYŠTALICKÉ MATERIÁLY
a. MONOKRYŠTÁLY
vnútri monokryštálu sú častice usporiadané
pravidelne tak, že ich určité rozloženie sa
periodicky opakuje v celom kryštáli
toto usporiadanie nazývame ďalekodosahové
usporiadanie (usporiadanie na veľkú vzdialenosť)
pravidelné rozloženie častíc spôsobuje,
niektoré monokryštály majú pravidelný tvar
že
1. KRYŠTALICKÉ MATERIÁLY
a. MONOKRYŠTÁLY
monokryštály niektorých látok sa nachádzajú v
prírode, napr.kamenná soľ NaCl, kremeň SiO2 a jeho
farebné odrody (ametyst, roženín a i.), diamant
●
existujú tiež monokryštály umelo vyrobené, napr.
umelý drahokam rubín. Rovnako monokryštalické
polovodičové látky, najmä kremík a germánium,sa
vyrábajú umelo
●
1. KRYŠTALICKÉ MATERIÁLY
a. MONOKRYŠTÁLY
GERMÁNIUM
KAMENNÁ SOĽ
AMETYST
KREMÍK
1. KRYŠTALICKÉ MATERIÁLY
a. MONOKRYŠTÁLY
●
typickým znakom monokryštálov je ANIZOTROPIA
anizotropné látky majú niektoré fyzikálne
vlastnosti závislé od smeru vzhľadom k stavbe
kryštálu
• napr. kúsok sľudy sa ľahko štiepi na tenké
lístky v určitých rovinách, ale rozdeliť sľudu v
smere kolmom na tieto roviny je obťažné.
1. KRYŠTALICKÉ MATERIÁLY
b. POLYKRYŠTÁLY
skladajú sa z veľkého počtu drobných kryštálikov – zŕn
zrná majú rozmery od desiatok mikrometrov do
niekoľkých milimetrov
vnútri zŕn sú častice usporiadané pravidelne, vzájomná
poloha zŕn je však náhodná
na
vyleštenom
alebo
naleptanom
povrchu
polykryštalickej
látky
možno
zrná
pozorovať
mikroskopom
na istom povrchu pozinkovaného plechu sa dajú zrná
pozorovať priamo voľným okom
medzi polykryštály patria všetky kovy
1. KRYŠTALICKÉ MATERIÁLY
b. POLYKRYŠTÁLY
rôzna orientácia zŕn spôsobuje, že polykryštály sú
väčšinou IZOTROPNÉ (gr. isos = rovnaký, tropos =
smer alebo spôsob)
●
to znamená, že určitá vlastnosť týchto látok je
vo všetkých smeroch vnútri kryštálu rovnaká.
➔ napr.
medená tyč sa s rastúcou teplotou
rozťahuje vo všetkých smeroch rovnako
➔
●
2. AMORFNÉ MATERIÁLY
atómy nie sú usporiadané ani na krátku vzdialenosť
(niektoré druhy tuhých látok vykazujú určité usporiadanie
atómov na veľmi krátku vzdialenosť), sú to tzv. beztvaré
látky
sú to látky, v ktorých je periodické usporiadanie častíc
obmedzené na vzdialenosť neprevyšujúcu rádovo hodnotu
10−8 m
hovoríme, že štruktúra amorfných
látok sa vyznačuje krátkodosahovým
usporiadaním (usporiadaním na malú
vzdialenosť)
2. AMORFNÉ MATERIÁLY
amorfné látky sú napríklad sklo, živice, vosk,
asfalt,sadze, početné plasty ďalšie
drevené uhlie a koks sú v podstate tiež amorfné
látky
z mäkkých materiálov sú to napr. rozličné masti a
gély
amorfné látky sú spravidla látky IZOTROPNÉ
ak rozbijeme napr.sklo alebo uhlie, vzniknú kúsky
nepravidelných tvarov
lámavosť je vo všetkých smeroch rovnaká
VOSK
OPÁL
SKLO
3.KVÁZIKRYŠTALICKÉ MATERIÁLY
sú to materiály, v ktorých kryštály nespĺňajú
klasické pravidlá symetrie, no napriek tomu
istú symetriu vykazujú
takéto kryštály nazývame kvázikryštály
alebo menej často kryštaloidy
3. RIADENIE VLASTOSTÍ
MATERIÁLOV
3. RIADENIE VLASTOSTÍ
MATERIÁLOV
vlastnosť materiálu vyjadruje schopnosť
materiálu, alebo jeho určitý kvalitatívny
znak
●
vlastnosti elektrotechnických materiálov
budeme
určovať
za
normálnych
podmienok
●
tlak 1,103*105 Pa
teplota 20ºC
vlhkosť 65%
3. RIADENIE VLASTOSTÍ
MATERIÁLOV
riadenie vlastností materiálov je založené na
poznaní súvislostí medzi vlastnosťami látok, ich
zložením a štruktúrou
●
predstavuje zámernú úpravu vlastností a
výrobu materiálov s dopredu určenými
vlastnosťami
●
vhodnými technologickými postupmi sa získa
požadovaná čistota materiálov, ostatok sú
nečistoty
●
3. RIADENIE VLASTOSTÍ
MATERIÁLOV
NEČISTOTY
sú cudzie látky v základnom materiáli,
ktoré sa do neho dostali bez zásahu
výrobcu
●
zhoršujú vlastnosti materiálov aj v
malom množstve
●
3. RIADENIE VLASTOSTÍ
MATERIÁLOV
PRÍMESI
sú cudzie látky, ktoré výrobca zámerne
pridáva do základného materiálu aj v
malom množstve na zlepšenie niektorej
jeho vlastnosti
●
3. RIADENIE VLASTOSTÍ
MATERIÁLOV
Metódy riadenia vlastností materiálov sú:
1. METÓDY ZÁMERNEJ
ZMENY ZLOŽENIA
2. METÓDY ZÁMERNEJ
ZMENY ŠTRUKTÚRY
1. METÓDY ZÁMERNEJ ZMENY
ZLOŽENIA
zámerne meníme zloženie tak, aby sme dosiahli
požadované vlastnosti
●
táto metóda sa zakladá na
kombináciami niektorých zložiek
●
vytváraní
materiálov
vhodne zvoleným zastúpením jednotlivých zložiek možno
vytvoriť nový materiál
●
1. METÓDY ZÁMERNEJ ZMENY
ZLOŽENIA
zmenou zloženia materiálov možno meniť všetky
vlastnosti materiálov
➢
na zmenu zloženia sa z technologických operácií
používa metóda pásmového tavenia, zliatinová
technológia, difúzna technológia,....
➢
2. Metóda zámernej zmeny štruktúry
●
vedie k dosiahnutiu požadovaných vlastností
zmenou štruktúry sa riadi väčšina vlastností látok
okrem teploty tavenia, mernej tepelnej kapacity,
ktoré zmena štruktúry neovplyvňuje
●
vlastnosti ovplyvňované štruktúrou závisia do
dokonalosti kryštalickej mriežky a od mechanického
a tepelného spracovanie
●
2. Metóda zámernej zmeny
štruktúry
táto metóda sa uplatňuje iba pri materiáloch v
pevnom skupenstve
●
pri kovových materiáloch sa riadenie
vlastností zmenou štruktúry zakladá na
vytvorení kryštálovej mriežky s čo najmenším
alebo s čo najväčším počtom porúch, ktoré
ovplyvňujú mechanické vlastnosti
●
DRUHY A VLASTNOSTI
ELEKTROTECHNICKÝCH
MATERIÁLOV
• každý materiál má vlastnosti, ktoré
určujú jeho využívanie v praxi
• vlastnosti materiálov sa vyjadrujú
podľa
rôznych
veličín,
pričom
veličinou nazývame vlastnosť, ktorú
môžeme merať
 elektrotechnické materiály majú svoje typické
vlastnosti:
• fyzikálne
• chemické
• technologické
 k ich základným vlastnostiam patria vlastnosti:
• elektrické
• mechanické
• magnetické
Fyzikálne vlastnosti
HUSTOTA
 je podiel hmotnosti a objemu
TEPLOTA TAVENIA A TEPLOTA TUHNUTIA
 sú to teploty,
skupenstvá
pri
ktorých
látky
menia
 vyjadruje sa v °C
DĹŽKOVÁ (α)A OBJEMOVÁ (γ) ROZŤAŽNOSŤ
 s rastúcou teplotou sa kovy rozťahujú
 s klesajúcou teplotou sa kovy zmenšujú
svoje
MERNÁ TEPELNÁ KAPACITA
je množstvo tepla, ktoré je potrebné k ohriatiu
1kg látky o 1 K
TEPELNÁ VODIVOSŤ λ [W/K]
schopnosť prenášať tepelnú energiu
ELEKTRICKÁ VODIVOSŤ G [S]
vyjadruje schopnosť látky viesť elektrický prúd
Chemické vlastnosti
ODOLNOŠŤ VOČI KORÓZII
 chemická alebo elektrochemická reakcia na povrchu
kovu, ktorý oxiduje
 oxidácia je reakcia, pri ktorej kov stráca elektróny
ŽIARUVZDORNOSŤ
 schopnosť materiálu odolávať oxidácii pri vyšších
teplotách
ŽIARUPEVNOSŤ
 schopnosť materiálu odolávať oxidácii pri zachovaní si
určitých mechanických vlastností
Technologické vlastnosti
• umožňujú
nám
určiť
spracovania materiálu
možnosti
ďalšieho
• patria tu:
ZVARITEĽNOSŤ
 schopnosť materiálu vytvoriť z dvoch častí
nerozoberateľný celok niektorým spôsobom
tavením alebo zváraním
ZLIEVATEĽNOSŤ
 technologická vlastnosť, ktorú musí mať kov
určený k odlievaniu
OBROBITEĽNOSŤ
vlastnosť, ktorou zisťujeme chovanie materiálov
pri obrábaní reznými nástrojmi
sústruženie, frézovanie, hobľovanie, vŕtanie
KOVATEĽNOSŤ
touto vlastnosťou zisťujeme kujnosť ocelí
SKÚŠKA ZA STUDENA
zisťuje sa povrchová čistota polotovaru určeného
k výrobe
materiál vyhovuje ak pri skúške nevznikli trhliny
TVÁRNOSŤ
kovanie
lisovanie
ohýbanie
valcovanie
ODOLNOSŤ VOČI
OPOTREBOVANIU
špecifické skúšobné
stroje
Elektrické vlastnosti
Elektrické vlastnosti
ZÁVISLOSŤ ELEKTRICKÉHO ODPORU NA
TEPLOTE
odpor vodiča závisí na teplote a odpor
kovov vzrastá so zvyšovaním teploty
SUPRAVODIVOSŤ
prejavuje sa tým, že látka nekladie
priechodu elektrického prúdu odpor
supravodiče umožňujú bezdrôtový prenos
elektrickej energie
Elektrické vlastnosti
KRYOVODIVOSŤ
mimoriadne veľká vodivosť v oblasti
najnižších teplôt
merný odpor veľmi čistých materiálov
pri znižovaní teploty neklesá na nulu,
ale pri určitej teplote sa ustáli na
hodnote zvyškovej rezistivity
Mechanické vlastnosti
 patria medzi rozhodujúce vlastnosti
pri návrhu materiálov na dané výrobky
 možno nimi určiť chovanie materiálov
za pôsobenia vonkajších síl
 medzi mechanické vlastnosti patria:
TVRDOSŤ
je definovaná ako odolnosť materiálu proti
vnikaniu cudzích častíc
HÚŽEVNATOSŤ
je definovaná ako množstvo práce potrebnej k
rozdeleniu skúšobnej vzorky na dve časti
PLASTICITA
schopnosť trvale a nenávratne sa deformovať
účinkom vonkajšej sily
Magnetické vlastnosti
 zisťujú chovanie materiálov v magnetickom poli
 podľa ich chovania sa látky delia na:
1) diamagnetické – zosilňujú účinok vonkajšieho
magnet.poľa (meď, zlato, striebro, ortuť)
2) paramagnetické – slabo zosilňujú
magnetického poľa (hliník, platina)
účinok
3) feromagnetické – delia sa na magneticky mäkké a
magneticky tvrdé
Pre jednotlivé skupiny technických
materiálov sú charakteristické nasledovné
mechanické a fyzikálne vlastnosti :
KOVOVÉ MATERIÁLY
• dobrá elektrická a tepelná vodivosť,
• pomerne vysoká pevnosť a
húževnatosť,
• schopnosť odolávať tepelným a
mechanickým šokom,
• tlmiť mechanické kmity
KERAMICKÉ MATERIÁLY
• dobrá pevnosť a tvrdosť,
• výborná odolnosť účinkom vysokých teplôt a
koróznych prostredí
• majú niektoré unikátne optické, elektrické a
tepelné vlastnosti
• ich húževnatosť, tvárniteľnosť a schopnosť
odolávať prevádzkovým šokom je veľmi nízka
PLASTY
• majú veľmi
vodivosť,
nízku
elektrickú
a
tepelnú
• nízku pevnosť a nie sú vhodné pre prevádzku
za vysokých teplôt
• termoplasty
sa
vyznačujú
výbornou
ťažnosťou,
tvárnosťou
a
schopnosťou
odolávať prevádzkovým šokom
• termosety majú opačné vlastnosti
• polyméry majú nízku mernú hmotnosť a
zvyčajne aj výbornú odolnosť voči korózii.
KOMPOZITNÉ MATERIÁLY
• majú vysokú pevnosť ale sú krehké,
• vyznačujú sa nízkou hmotnosťou,
• dobrou odolnolnosťou vplyvu vysokých
teplôt ale nízkou pri prevádzkových
šokoch
SKÚŠKY
ELEKTROTECHNICKÝCH
MATERIÁLOV
• so zvyšovaním nárokov na materiály
v strojárskej výrobe je nutné
materiály skúšať
• materiálové skúšky slúžia nielen
výrobcom materiálu na kontrolu
kvality výrobku, ale sú nevyhnutné aj
pre odberateľov, ktorí sa musia
presvedčiť aký materiál im bol dodaný
• skúšky sa robia na skúšobných vzorkách
pretože predpokladáme, že vzorka má
rovnaké vlastnosti ako výrobok
• to však nie vždy musí platiť, pretože vo
výrobkoch môžu byť rozličné vnútorné
alebo povrchové chyby (trhliny, dutiny a
pod) ktoré môžu znížiť celkovú pevnosť
výrobku a pritom nemusia ovplyvniť
skúšobnú vzorku
• tieto chyby sa zisťujú nedeštruktívnymi
skúškami- bez porušenia materiálu
Rozdelenie materiálových
skúšok:
MECHANICKÉ SKÚŠKY
skúšky s porušením materiálu pri skúšaní:
A. STATICKÉ SKÚŠKY
1. statická skúška na ťah (trhacia skúška)
2. skúšky pevnosti na tlak, ohyb, krútenie, strih
3. skúšky tvrdosti
4.skúšky tečenia
B. DYNAMICKÉ SKÚŠKY
TECHNOLOGICKÉ SKÚŠKY
skúšky, pri ktorých sa napodobňuje
výrobný postup a vyberá sa vhodný spôsob
spracovania pre daný materiál(skúšky
zvariteľnosti...)
1. Skúšky zvariteľnosti kovov
2. Skúšky tvárnosti za studena
3. skúšky rúrok
4.skúšky tvárnosti za tepla
NEDEŠTRUKTÍVNE SKÚŠKY
skúšky bez porušenia materiálu pri skúšaní
- defektoskopické
(prežarovanie
röntgenom..)
1)prežarovanie röntgenovými lúčmi a lúčmi
gama
2)skúšanie ultrazvukom
3)magneticko-induktívna skúška
4)kapilárna skúška
MECHANICKÉ SKÚŠKY
Mechanická vlastnosť materiálu je
schopnosť
materiálu
odolávať
účinkom vonkajších mechanických síl.
 v roku 1638 Galileo Galilei zisťoval
hmotnosť, ktorú udržia prúty, pričom
postupne pridával na prúty závažia až do
ich porušenia
 získané výsledky zaťaženia vztiahol na
prierez a zistil, že odolnosť prútov je
priamo úmerná ploche prierezu, čím získal
napätie, ktoré v súčasnosti označujeme ako
medzu pevnosti
• pri týchto skúškach sa v materiáli
vytvára určité napätie, ktoré sa
stupňuje až do porušenia skúšobnej
vzorky
• týmito skúškami získame podklady,
ktoré sú dôležité na overovanie
mechanických
vlastností
daného
materiálu
A. STATICKÉ SKÚŠKY
STATICKÁ SKÚŠKA NA ŤAH (TRHACIA)
je nevyhnutá, pretože ňou získavame
niektoré základné hodnoty potrebné na
výpočet konštrukčných prvkov a voľbu
vhodného materiálu
pri skúške sa v trhacom stroji zaťažuje
skúšobná tyč normalizovaného tvaru a
veľkosti pomaly s narastajúcou silou F až do
porušenia
 aby bolo možné definovať napäťové a
deformačné
charakteristiky
materiálu
statickou skúškou ťahom, je potrebné
materiál tvarovo pripraviť
 tvar, rozmery a príprava skúšobných tyčí sa
zhotovujú podľa normy STN 10002-1
 v zásade rozdeľujeme skúšobné tyče na
krátke a dlhé
 samotná statická skúška ťahom prebieha
tak, že pripravená skúšobná tyč sa upne
do čeľustí trhacieho stroja, pričom je
dôležité, aby os skúšobnej tyče bola v osi
pôsobenia zaťažovacej sily
 definovanou
rýchlosťou
a
plynulým
posuvom traverzy sa skúšobná tyč
zaťažuje a zároveň deformuje zvyčajne
až do porušenia
Statickou skúškou sa zisťuje:
pevnosť v ťahu
pomerné predĺženie
ťažnosť a zúženie skúšaného materiálu
SKÚŠKY PEVNOSTI NA
TLAK, OHYB,KRÚTENIE
A STRIH
Skúška na tlak:
 nepoužíva sa často
 nerobí sa pri oceliach
 skúšobné telesá – valčeky
priemeru 20 – 30 mm sú
postupne zaťažované až sa
rozdrvia
 toto napätie zodpovedá
medzi pevnosti v tlaku Rmt
Skúška na ohyb
používa s pri krehkých najmä liatych
materiáloch
skúšobná tyč je uložená na podperách a v
prostriedku tyče pôsobí zaťažujúca sila
 pri
postupne
rastúcom
zaťažení
sa
odmeriava
priehyb tyče až
sa tyč prelomí
alebo
trvale
prehne
Skúška na krútenie
zisťuje sa ňou akosť drôtov za studena
skúškou za tepla sa zisťuje tvárnosť ocele
skúška prebieha na valcových skúšobných
tyčiach, ktoré sa v skúšobnom stroji zaťažujú
do porušenia
meria sa krútiaci moment a skrútenie tyče na
určitej meranej dĺžke
Skúška na strih
zo
zaťaženia,
pri
ktorom sa skúšobná tyč
poruší a z pôvodnej
plochy
prierezu
sa
vypočíta
medza
pevnosti v strihu – čo
je najvyššie šmykové
napätie potrebné na
prestrihnutie skúšobnej
tyče
táto skúška je bežná
pre
sľudu,
drevo,
lepenky
SKÚŠKA TVRDOSTI
• tvrdosť je odpor materiálu proti deformácii jeho
povrchu pôsobením geometricky definovaného
telesa
• tvrdosť je definovaná ako schopnosť odolávať
deformácii povrchu- ide o odpor materiálu proti
vnikaniu cudzieho telesa do povrchu skúšaného
materiálu
Pre skúšanie tvrdosti existujú rôzne metódy,
ktoré je možné rozdeliť podľa viacerých
hľadísk:
PODĽA PRINCÍPU:
 vrypové (Martens)
 vnikacie (Brinell, Rockwell,Vickers)
 nárazové (voľným pádom, pružinou,
porovnávacie metódy)
 odrazové
PODĽA CHARAKTERU ZAŤAŽUJÚCEJ
SILY:
 statické – vrypové a vnikacie skúšky
 dynamické – nárazové a odrazové skúšky
PODĽA CIEĽA MERANIA:
 skúšky mäkkotrdosti
 skúšky mikrotvrdosti
Download

Elektromateriály.pdf