Электротехнические материалы Теория конструктивных материалов

Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Сюда же можно отнести основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторые полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест

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 называютсядеформациями. Их легко проиллюстрировать на примере стержня.

Если к стержню площадью s приложить силу F вдоль оси, то его продольный размер lи поперечный размер r изменятся

Dl/l = p /E,                                                                                                      (4.4)

Dr/r = -sp /E,

где p=F/s- механическое напряжение, E - модуль Юнга или модуль всестороннего сжатия (или растяжения), s- коэффициент Пуассона. Размерности p, E - Н/м2, s - 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.

ris 1-3.gif (1927 bytes)
Выражение (4.4) показывает линейную связь нагрузки с удлинением. 

Это выражение называетсязаконом Гука. Он характерен для упругих деформаций.

          По мере увеличения нагрузки пропорциональность между изменением размера и нагрузкой перестает выполняться. Примерно при этих же нагрузках, после их снятия исходный размер полностью не восстанавливается.

Предел упругости (s0.05) - напряжение, при котором остаточная деформация не превышает 0.05%.

Предел текучести (s0.2) - напряжение, при котором происходит удлинение до 0.2% без увеличения нагрузки. 

Предел прочностиили временное сопротивление sв-напряжение, соответствующее максимальной нагрузке.  

           Помимо указанных видов деформации при натяжении рассматривают механическую прочность при разных видах нагрузки, например при сжатии, при изгибе. Механизм разрушения во всех случаях заключается в появлении и прорастании трещин. Различают два вида разрушения - хрупкое и вязкое. При хрупком разрушении деформации малы и скорость разрушения велика. В некоторых случаях она достигает скорости километров в секунду. При вязком разрушении перед трещиной существует значительная пластическая деформация и скорость распространения трещины мала.

Пластическая деформация- часть деформации, которая остается после снятия нагрузки.

Твердость материала. Свойство материала противостоять деформации при локальном контакте называется твердостью. Существует множество шкал твердости. Например шкала Мооса. Она применяется в основном для минералов. По ней выбраны десять материалов, каждый из ряда царапает все нижележащие и царапается вышележащими. Наибольшую твердость имеет алмаз, затем идет корунд и т.д. Нефрит имеет пятую позицию, сталь, в зависимости от закалки и типа - пятую или шестую. Известняк - третью.

Другие шкалы: Бригнелля, Роквелла, Виккерса и т.д. основаны на вдавливании в материал шарика или алмазной призмы и измерении размеров полученной ямки. Далее по специальным таблицам определяют соответствующую твердость Рaзличaют прoвoдникoвыe материалы пo мexaничeским свoйствaм: прoчнoсть при рaстяжeнии, изгибaнии, твeрдoсть, и т.п. При кoнструирoвaнии и прoeктирoвaнии элeктрoустaнoвoк учитывaют эти свoйствa. Xимичeскиe свoйствa учитывaют при выбoрe и примeнeнии прoвoдникoвыx материалов. Нaпримeр, eсли прoвoдники трeбуeтся испoльзoвaть в услoвияx пoвышeннoй влaжнoсти, тo иx пoмeщaют в гeрмeтичeскиe oбoлoчки или дaжe в нeкoтoрыx случaяx зaщищaют aнтикoррoзиoнными пoкрытиями.