Титан и медные сплавы

Титан — полиморфный  металл серебристо-белого цвета. Кристаллическая  решетка его до 882,5 °С — гексагональная плотноупакованная (а-титан), при более  высоких температурах — кубическая объемноцентрирован-ная (В-титан). 
Свойства титана. Сочетание небольшой плотности с достаточной прочностью и отличной коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах является важнейшим свойством титана как конструкционного материала. Немаловажную роль играет и тот факт, что по распространенности в природе титан занимает среди конструкционных материалов четвертое место после алюминия, железа и магния. По плотности (4505 кг/м3) титан занимает промежуточное положение между сплавами алюминия и сталями — двумя важнейшими конструкционными материалами. По удельной прочности (отношение временного сопротивления к плотности — ав/у) титан при комнатной температуре превосходит все металлы и даже многие легированные стали. 
Механические свойства титана зависят от содержания в нем примесей — кислорода, азота, углерода. Они повышают прочность, но значительно снижают его пластичность. Вредной примесью для титана является и водород, снижающий ударную вязкость. 
Титан наибольшей чистоты получают иодидным способом. Основную массу титана для производства полуфабрикатов и сплавов на его основе получают магние-термическим способом.  
Титан обладает высокой удельной прочностью не только при комнатной температуре, но и в условиях глубокого холода. Несмотря на высокую температуру плавления (1668±5°С), чистый титан не является жаропрочным материалом (при повышении температуры до 250 °С его временное сопротивление на разрыв снижается почти в 2 раза). 
Титан технической чистоты обладает исключительно высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. По коррозионной стойкости он превосходит коррозионно-стойкую (нержавеющую) сталь и приближается к благородным металлам. Титан практически не подвергается воздействию атмосферного воздуха (до 500 °С), пресной и морской воды. Он не растворяется во многих органических и минеральных кислотах, в том числе и в царской водкеВ ряде производств титан — единственный стойкий против коррозии конструкционный материал (во влажном хлоре, в водных соединениях хлора и др.). 
Титан интенсивно взаимодействует лишь с четырьмя неорганическими кислотами: соляной, серной, плавиковой и ортофосфорной. Он нестоек во фтористых соединениях, в сухом хлоре и броме, перекиси водорода и других агрессивных средах. 
При температурах выше 500 °С титан легко окисляется, а при температурах свыше 600—700 "С поглощает азот, окись углерода и углекислый газ. При низких температурах он абсорбирует большие количества водорода. 
Чрезвычайно высокая химическая активность расплавленного титана требует при плавке или сварке плавлением применения вакуума или защитной атмосферы инертных газов. 
Титан обладает неплохими технологическими свойствами. Он хорошо обрабатывается давлением: легко прокатывается, куется, штампуется. Металл хорошо сваривается точечной и аргонно-дуговой сваркой. 
Однако у титана как конструкционного материала имеется и ряд недостатков. Один из них уже рассмотрен — высокая химическая активность с газами при повышенных температурах. Правда, этот недостаток титана удачно используют в электронной и вакуумной технике, 
1 Царская водка — смесь концентрированных кислот: азотной HN03 (1 объем) и соляной НС1 (3 объема). Сильнейший окислитель, растворяет золото («царь металлов») и платину, которые нерастворимы в каждой из этих кислот. 
где титан применяется в качестве поглотителя газов для обеспечения в замкнутом объеме высокого вакуума. Существенные недостатки титана — низкий модуль упругости (102 000—145 000 МПа), что затрудняет получение жестких конструкций; склонность к ползучести при комнатной температуре; низкая теплопроводность (примерно в 15 раз ниже, чем у алюминия), что затрудняет проведение термической обработки и обработки резанием; низкие антифрикционные свойства; плохая обрабатываемость резанием (титан налипает на инструмент и быстрс его изнашивает).  
 
Деформируемые сплавы титана. Некоторые из указанных недостатков титана могут быть устранены при помощи его легирования, т. е. получения сплавов на основе титана. Для получения сплавов титан легируют алюминием, молибденом, ванадием, хромом, марганцем, цирконием, кремнием, железом, оловом и др. элементами. Титан легируют в основном для повышения прочности и жаропрочности, реже — для улучшения коррозионной стойкости. 
По влиянию на стабильность а- и 6-твердых растворов легирующие элементы в сплавах титана разделяются на три группы: а-стабилизаторы, В-стабилизаторы и нейтральные упрочнители. а-Стабилизаторы (А1, С, N, О) повышают температуру полиморфного превращения, и расширяют область твердых растворов на основе Tia-Практическое значение среди се-стабилизаторов имеет один алюминий, так как азот, кислород и углерод снижают технологичность, пластичность, свариваемость титановых сплавов, повышают их чувствительность к хладноломкости и концентраторам напряжений. 
Введение алюминия в сплавы титана удешевляет их, снижает их плотность (алюминий легче титана), повышает удельную прочность, жаростойкость и жаропрочность, уменьшает склонность сплавов к водородной хрупкости, повышает модуль упругости. 
6-Стабилизаторы (Mo, V, Сг, Мп, Fe, Si) понижают температуру полиморфного превращения титана и расширяют область твердых растворов на основе Tip. Легирующие элементы, являющиеся 8-стабилизаторами, повышают прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов. Кроме этого, сплавы, легированные элементами, повышающими стабильность В-фазы, значительно упрочняются в результате термической обработки. 
Нейтральные упрочнители (Zr, Sn и др.) мало влияют на температуру полиморфного превращения и на стабильность а- и- В-фаз. Добавка олова упрочняет титановые сплавы, повышает их сопротивление окислению и ползучести. Цирконий увеличивает сопротивление ползучести и длительную прочность сплава. 
ГОСТ 19807—74 * распространяется на титан и титановые сплавы, обрабатываемые давлением, предназначенные для изготовления полуфабрикатов. Марки и химический состав титана и титановых сплавов приведены в табл. 6.27. 
- По структуре, которая образуется при отжиге, титановые сплавы классифицируются на: 
а-сплавы, структура которых представлена а-фазой; псевдо-а-сплавы,   структура   которых   представлена а-фазой и незначительным количеством В-фазы (не более 5 %);  
 
(а+Р)-сплавы, структура которых представлена а- и 6-фазами; 
псевдо-В-сплавы со структурой в отожженном состоянии, представленной а-фазой и большим количеством В-фазы; 
В-сплавы, структура которых представлена В-фазой. 
а-Сплавы. К этой группе относятся: титан технической чистоты (ВТ1-00, ВТ1-0), двойные сплавы системы Ti — Al (ПТ-1М, ВТ5), а также сплавы, легированные, помимо алюминия, нейтральными упрочнителями — оловом (ВТ5-1) и цирконием (ПТ-7М). 
В целом а-сплавы характеризуются средней прочностью при комнатной температуре, высокими механическими свойствами при криогенных температурах, достаточной жаропрочностью (кроме технического титана и низколегированного сплава ПТ-1М). а-Сплавы имеют высокую термическую стабильность, хорошую свариваемость и коррозионную стойкость. 
Сплавы данной группы не упрочняются при термической обработке, что является их существенным недостатком. 
Двойной сплав системы Ti — Al марки ВТ5 (4,3— 6,2 % Al) превосходит титан технической чистоты по прочности и жаропрочности, но технологичность его невелика. Сплав прокатывается, штампуется и куется в горячем состоянии, сваривается контактной и аргонно-дуго-вой сваркой, обладает хорошей коррозионной стойкостью в морской воде и в концентрированной азотной кислоте. Он поставляется в виде прутков, труб и поковок. Применяется для деталей, длительно работающих при температуре до 400 °С. 
Сплав ВТ5-1, дополнительно легированный оловом, более технологичен и жаростоек, чем сплав ВТ5. Идет на изготовление всех видов полуфабрикатов. Применяется для сварных силовых узлов, подвергающихся длительным нагрузкам при температуре до 450 °С. Может быть 
использован для работы при криогенных температурах 
(до -253 °С). 
Сплав ПТ-7М, легированный алюминием и цирконием, поставляется в виде холоднодеформированных и горячекатаных труб. Применяется для трубопроводов, работающих при комнатной и повышенных температурах в агрессивных средах. 
Псевдо-а-сплавы (ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ПТ-ЗВ, ВТ20). Структура сплавов марок ОТ4, ОТ4-0 и ОТ4-1 системы Ti — Al — Мп при комнатной температуре представлена а-фазой и небольшим количеством 6-фазы вследствие дополнительного легирования марганцем (0,2—2 %). Сохраняя все достоинства а-сплавов, псевдо-а-сплавы системы Ti — Al — Мп обладают высокой технологической пластичностью. Они хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. 
Недостатками рассмотренных сплавов являются: невысокая прочность и жаропрочность, большая склонность к водородной хрупкости. 
Сплав ОТ4-0 используется вместо технического титана в химической, пищевой и других отраслях промышленности. 
Сплавы 0Т4-1 и 0Т4 (с большей массовой долей алюминия и марганца, чем сплав ОТ4-0) применяются в качестве конструкционных и обшивочных материалов. Из них изготавливают тонкостенные детали сложной формы, которые могут длительно работать до температур 350— 400 "С.  
 
Сплав ПТ-ЗВ отличается от сплавов серии ОТ тем, что вместо марганца содержит ванадий. Сплав идет на изготовление листов, профилей, труб, поковок и других полуфабрикатов. Применяется для валов, лопаток паровых турбин, корпусов химических реакционных колонок, ферменных сварных конструкций и других изделий. Сплав ВТ20, легированный алюминием, 6-стабилизаторами (молибденом и ванадием) и нейтральными упрочнителями (цирконием), отличается значительной прочностью и жаропрочностью. Сплав хорошо сваривается, однако из-за большого содержания алюминия (5,5—7,0 %) его технологическая пластичность невелика. Выпускается в основном в виде листов и прутков. Листовую штамповку сплава проводят лишь при 800—900 °С. Применяется для штампосварных конструкций, работающих длительно до 500 °С и кратковременно — до 800 "С. 
(а + В)-Сплавы (ВТ6, ВТЗ-1, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ22). Двухфазные (а+В)-сплавы обладают наиболее благоприятным сочетанием механических и технологических свойств по сравнению с другими сплавами на основе титана, поэтому они получили широкое распространение. Они хорошо обрабатываются давлением, имеют более высокую прочность и жаропрочность, чем сплавы с а-структурой. Важно и то, что (а + В)-сплавы упрочняются термической обработкой (закалкой и старением), что позволяет регулировать их свойства. Двухфазные сплавы удовлетворительно обрабатываются резанием и ограниченно свариваются. После сварки необходима термообработка (отжиг) сварных швов для восстановления пластичности. 
Во всех промышленных сплавах данной группы содержится алюминий. Он не только упрочняет а-фазу при комнатных и повышенных температурах, но и повышает термическую стабильность В-фазы. Алюминий уменьшает также плотность двухфазных сплавов, тем самым компенсируя увеличение плотности в связи с введением в сплавы тяжелых В-стабилизаторов. 
Увеличение содержания В-стабилизаторов в сплаве приводит к увеличению прочности при незначительном ухудшении пластичности. Наиболее сильным упрочните-лем является железо, несколько меньше упрочняют сплав хром, молибден и ванадий. Чем больше В-фазы содержится в структуре сплава, тем сильнее он упрочняется при термообработке. 
Сплав ВТ6 системы Ti — Al — V сочетает высокие прочностные, пластические и технологические свойства. Ванадий — единственный из В-стабилизаторов, повышающий не только прочностные, но и пластические свойства сплавов. Из сплава ВТ6 изготавливают листы, прутки, плиты, профили, поковки, штамповки и другие полуфабрикаты. 
Сплав ВТ6 превосходит сплавы с а-структурой по циклической прочности. По сравнению с другими двухфазными сплавами хорошо сваривается. Применяют сплав в отожженном и термически упрочненном состоянии. 
Режимы упрочняющей термической обработки (а+б)-титановых сплавов приведены в табл. 6.28. Сплав ВТ6 применяется для сварных конструкций, длительно работающих до 400 °С и кратковременно-—до 750 °С.  
 
Такую же область применения имеет и сплав ВТ14 системы Ti — Al — Mo — V, выпускаемый в виде листов, плит, поковок и штамповок. Сплав чувствителен к перегреву в процессе термической обработки и горячей обработки давлением. Применяется в отожженном и термически упрочненном состоянии. 
Сплав тон же системы марки ВТ16 отличается от сплава ВТ 14 меньшей массовой долей алюминия и большей массовой долей В-стабилизаторов (молибдена и ванадия). Применяется в отожженном и термически упрочненном состоянии. Благодаря высокому содержанию В-фазы сплав имеет высокую технологичность в отожженном состоянии. Основные виды полуфабрикатов —-прутки и листы. Предназначен для деталей крепления 
 
(болтов, винтов, заклепок и др.) и других изделий, длительно работающих при температурах до 350 °С. 
Сплав ВТ22, легированный алюминием, молибденом, ванадием, хромом и железом, имеет в отожженном состоянии высокую прочность, равную прочности сплавов марок ВТ6 и ВТ14 после закалки и старения. Сплав можно использовать для изготовления крупногабаритных изделий, для которых затруднена упрочняющая термическая обработка. Выпускается в виде поковок, штамповок, прутков, профилей и других полуфабрикатов. После упрочняющей термической обработки применяется для нагруженных деталей и конструкций, работающих при 500 "С. 
Сплав ВТ9 легирован значительным количеством алюминия (5,8—7,0 %), Р-стабилизаторами (молибденом и кремнием) и нейтральным упрочнителем — цирконием. Добавка циркония в сплавы системы Ti — Al — Mo — Si приводит к повышению прочности без заметного снижения пластичности при сохранении достаточно высокой термической стабильности. 
Благодаря высокому содержанию алюминия и наличию циркония сплав обладает наиболее высокой жаропрочностью по сравнению с другими двухфазными сплавами. Используется в основном в отожженном состоянии. Основной вид полуфабриката — штамповки. Применяется для деталей, длительно работающих до 560 °С. 
 
 
Сплав системы Ti — Al — Сг — Mo — Fe — Si марки ВТЗ-1 также относится к жаропрочным сплавам титана с высокой длительной прочностью и сопротивлением ползучести. Он может длительно работать при 450—500 °С. Сплав обладает малой плотностью (благодаря значительному содержанию алюминия), высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии. Сплав обычно подвергают изотермическому отжигу для получения наиболее высокой термической стабильности и наибольшей пластичности. Сплав подвергают также упрочняющей термической обработке, однако эффект термического упрочнения сплава невелик. Применяется для нагруженных деталей и конструкций.  
 
6-Сплавы. Однофазные В-сплавы не нашли промышленного применения из-за дороговизны и пониженной удельной прочности (они должны быть легированы большим количеством дефицитных элементов, обладающих повышенной плотностью — Мо, Та, Nb и др.). Однако В-сплавы могут быть использованы в качестве высококоррозионно-стойких материалов. Так, например, полупромышленный сплав марки 4201 (Ti + 33 % Мо) в ряде агрессивных сред может заменить дефицитный тантал и даже благородные металлы (золото и платину). 
Механические свойства листов и плит из титана и некоторых титановых сплавов приведены в табл. 6.29. 
Литейные титановые сплавы. Для фасонного литья применяют технический титан и титановые сплавы ВТ5Л, ВТ14Л, ВТ6Л, ВТ9Л, ВТЗ-1 Л, которые по химическому составу почти совпадают с аналогичными деформируемыми сплавами (см. табл. 6.27). В литейных сплавах допускается большее содержание примесей. Механические свойства литейных сплавов ниже, чем деформируемых. 
Сплавы на основе титана имеют хорошие литейные свойства. Небольшое значение температурного интервала кристаллизации обеспечивает им хорошую жидкотекучесть и достаточно высокую плотность отливок. Сплавы титана обладают незначительной склонностью к образованию горячих трещин и малой линейной усадкой (2-3%). 
Недостатками титановых литейных сплавов являются: склонность расплавленного титана к быстрому поглощению газов, содержащихся в атмосфере; высокая активность при взаимодействии со всеми известными формовочными и огнеупорными материалами. В связи с этим плавка и разливка сплавов ведется в вакууме, а формы изготовляют из графита, корунда или магнезита — материалов, минимально взаимодействующих с расплавленным металлом. 
Наиболее широко для фасонного литья используется а-сплав ВТ5Л. Он имеет хорошие литейные свойства, отличается простотой химического состава, удовлетворительной пластичностью и ударной вязкостью отливок. Литейные дефекты сплава хорошо завариваются аргонно-дуговой сваркой. Недостаток сплава — невысокая прочность отливок (700 МПа). Сплав, применяется без термической обработки (отжига) и используется для изготовления отливок, длительно работающих при температурах до 400 °С. 
Наиболее прочен промышленный литейный сплав ВТЗ-1Л. Микроструктура его в литом состоянии пред 
 
ставляет смесь а- и 6-фаз. Литейные свойства и пластичность сплава ниже, чем у а-сплава ВТ5Л. Для стабилизации структуры отливки отжигают при 650 °С в течение 1—2 ч. Сплав обладает высокой жаропрочностью, отливки из него могут длительно работать при температурах до 450 °С. Прочность литого сплава приближается к прочности деформируемого, однако предел выносливости в литом состоянии ниже, чем в деформируемом. Отливки также менее пластичны по сравнению с деформированными полуфабрикатами из того же сплава. 
Сплав ВТ9Л —литейный вариант жаропрочного сплава ВТ9. Он предназначен для работы при температурах до 560 "С. 
Применение титана и его сплавов. Титан и его сплавы благодаря высокой удельной прочности и хорошей сопротивляемости коррозии используются в самых различных отраслях промышленности.  
 
Широкое применение сплавы титана нашли в авиа-и ракетостроении. В конструкциях самолетов из сплавов титана делают панели (в том числе сотовые), лонжероны, шпангоуты, рули поворота, детали шасси, монорельсы, топливные баки, крепежные детали и т. п. Из сплавов титана делают также обшивку фюзеляжа и крыльев сверхзвуковых самолетов. В конструкциях авиационных реактивных двигателей сплавы титана применяются для изготовления деталей воздухосборника и направляющего аппарата, корпуса, дисков и лопаток компрессора и т. д. 
В ракетной технике из титановых сплавов изготовляют корпусы двигателей, баллоны и шаробаллоны для сжатых и сжиженных газов, сопла и т. д. Титан и его сплавы являются перспективным материалом для объектов, монтируемых непосредственно в космическом пространстве. 
Очень широкое применение титан и его сплавы нашли в химической промышленности (теплообменники, выпарите аппараты, реакторы для агрессивных сред, разделительные колонны, насосы, емкости, трубопроводы для агрессивных жидкостей, опреснительные установки и т. д.) и в цветной металлургии (насосы по перекачке агрессивных сред, трубопроводы, вентиляционные трубы для выброса агрессивных газов, запорная арматура на трубопроводах по перекачке агрессивных растворов, автоклавы, теплообменники для агрессивных растворов и пара, холодильники и другое оборудование на предприятиях никель-кобальтовой и титано-магниевой промышленности, а также в производстве меди, цинка, свинца, ртути и других металлов). Широкое применение титан и его сплавы нашли в пищевой промышленности (аппаратура для переработки пищевых продуктов, варочные котлы, холодильники, бочкотара, резервуары для органических кислот и ряда пищевых сред — рассолов, маринадов и др.). 
Титан и его сплавы используются в судостроении (обшивка корпуса и подводных крыльев морских и речных судов, гребные винты, насосы, детали морских гидротурбинных двигателей и др.); в энергомашиностроении (диски и лопатки турбин и мощных компрессоров); в нефтяной промышленности (трубы, теплообменники и другие узлы плавучих платформ, облицовка стальных эстакад на морских нефтепромыслах и т. д.); в радиоэлектронике и вакуумной технике (газопоглотители, детали электронно-вакуумных приборов, конденсаторы, ме-таллокерамические лампы); в медицинской промышленности (аппаратура для изготовления медикаментов, внутренние протезы, хирургические инструменты). 
Титан и его сплавы применяются также в криогенной технике, приборостроении. Титан используется для приготовления титановых белил; в качестве легирующего элемента в цветной и черной металлургии. Карбид титана входит в состав спеченных твердых сплавов. 
Более широкое применение титана и его сплавов в промышленности сдерживается пока еще их относительно высокой стоимостью.

Медные сплавы. Физические и химические свойства меди. Марки медных сплавов. 

Медь (лат. Cuprum) - химический элемент. Один из семи металлов, известных  с глубокой древности. По некоторым  археологическим данным медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет  до Р. Христова. Знакомство человечества с медью относится к более ранней эпохе, чем с железом; это объясняется, с одной стороны, более частым нахождением меди в свободном состоянии на поверхности земли, а с другой - сравнительной легкостью получения ее из соединений. Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum), откуда и название ее Cuprum. Медь как художественный материал используется с медного века (украшения, скульптура, утварь, посуда). Кованые и литые изделия из Меди и сплавов украшаются чеканкой, гравировкой и тиснением. Лёгкость обработки Меди (обусловленная её мягкостью) позволяет мастерам добиваться разнообразия фактур, тщательности проработки деталей, тонкой моделировки формы. Изделия из Меди отличаются красотой золотистых или красноватых тонов, а также свойством обретать блеск при шлифовке. Медь нередко золотят, патинируют, тонируют, украшают эмалью. С 15 века Медь применяется также для изготовления печатных форм. 
 
Химические и физические свойства меди. Медь - химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер - 29, атомная масса - 63,546. Температура плавления- 1083 градусов C, температура кипения - 2595 градусов C, плотность - 8,98 г/см3. По геохимической классификации В.М. Гольдшмидта, медь относится к халькофильным элементам с высоким сродством к S, Se, Te, занимающим восходящие части на кривой атомных объемов. Чистая медь - тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах.  Общее содержание меди в земной коре сравнительно невелико (0,01 вес %), однако она чаще, чем другие металлы, встречается в самородном состоянии, причем самородки меди достигают значительной величины. Этим, а также сравнительной лёгкостью обработки меди объясняется то, что она ранее других металлов была использована человеком. Академиком В.И. Вернадским в первой половине 1930 г были проведены исследования изменения изотопного состава воды, входящего в состав разных минералов, и опыты по разделению изотопов под влиянием биогеохимических процессов, что и было подтверждено последующими тщательными исследованиями. Как элемент нечетный состоит из двух нечетных изотопов 63 и 65 На долю изотопа Cu (63) приходится 69,09%, процентное содержание изотопа Cu (65) - 30,91%. В соединениях медь проявляет валентность +1 и +2, известны также немногочисленные соединения трехвалентной меди.  К валентности 1 относятся лишь глубинные соединения, первичные сульфиды и минерал куприт - Cu2O. Все остальные минералы, около сотни отвечают валентности два. Радиус одновалентной меди +0.96. Величина атомного радиуса двухвалентной меди - 1,28; ионного радиуса 0,80.  
 

Медь - металл сравнительно мало активный. В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях медь не окисляется. Она достаточно легко вступает в реакции с галогенами, серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют. Электроотрицательность атомов - способность при вступлении в соединения притягивать электроны. Электроотрицательность Cu2+ - 984 кДж/моль, Cu+ - 753 кДж/моль. Элементы с резко различной ЭО образуют ионную связь, а элементы с близкой ЭО - ковалентную. Сульфиды тяжелых металлов имеют промежуточную связь, с большей долей ковалентной связи (ЭО у S-1571, Cu-984, Pb-733). Медь является амфотерным элементом - образует в земной коре катионы и анионы. 
 

Медь входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленности важны только 17, преимущественно сульфидов, фосфатов, силикатов, карбонатов, сульфатов. Главными рудными минералами являются халькопирит CuFeS2, ковеллин CuS, борнит Cu5FeS4, халькозин Cu2S. Окислы: тенорит, куприт. Карбонаты: малахит, азурит. Сульфаты: халькантит, брошантит. Сульфиды: ковеллин, халькозин, халькопирит, борнит. Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах.  Понижение окраски при повышении валентности видно из следующих двух примеров: CuCl - белый, Cu2O - красный, CuCl2+H2O - голубой, CuO - черный. Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды. Практическое значение имеют: самородная медь, сульфиды, сульфосоли и карбонаты (силикаты).  
 

Медные сплавы. Для  деталей машин используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей  прочности: 30-40 кгс/мм2 у сплавов и 25-29 кгс/мм2 у технически чистой меди. Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не принимают термической обработки, и их механические свойства и износостойкость определяются химическим составом и его влиянием на структуру. Модуль упругости медных сплавов (900-12000 кгс/мм2 ниже, чем у стали). Основное преимущество медных сплавов - низкий коэффициент трения (что делает особенно рациональным применением их в парах скольжения), сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред и хорошей электропроводностью. 
Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов, тогда как механические свойства и износостойкость, а также поведение в условиях коррозии зависят от состава сплавов, а следовательно, от структуры. Прочность выше у двухфазных сплавов, а пластичность у однофазных. 
 
Марки медных сплавов. Марки обозначаются следующим образом. Первые буквы в марке означают: Л - латунь и Бр - бронза. Буквы, следующие за буквой Л в латуни или Бр. В бронзе, означают: А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, С - свинец, Ц - цинк, Ф. - фосфор. Цифры, помещенные после буквы, указывают среднее процентное содержание элементов. Порядок расположения цифр, принятый для латуней, отличается от порядка, принятого для бронз. В марках латуни первые две цифры (после буквы) указывают содержание основного компонента - меди. Остальные цифры, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов. Эти цифры расположены в том же порядке, как и буквы, указывающие присутствие в сплаве того или иного элемента. Таким образом содержание цинка в наименовании марки латуни не указывается и определяется по разности. Например, Л68 означает латунь с 68% Cu (в среднем) и не имеющую других легирующих элементов, кроме цинка; его содержание составляет (по разности) 32%. ЛАЖ 60-1-1 означает латунь с 60% Cu , легированную алюминием (А) в количестве 1% , с железом (Ж) в количестве 3% и марганцем (Мц) в количестве 1%. Содержание цинка (в среднем) определяется вычетом из 100% суммы процентов содержания меди, алюминия, железа и марганца. В марках бронзы (как и в сталях) содержание основного компонента - меди - не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов; цифры расположенные в том же порядке, как и буквы, указывающие на легирование бронзы тем или иным компонентом. 
 
Медно-цинковые сплавы. Латуни. По химическому составу различают латуни простые и сложные, а по структуре - однофазные и двухфазные. Простые латуни легируются одним компонентом: цинком. Однофазные простые латуни имеют высокую пластичность; она наибольшая у латуней с 30-32% цинка (латуни Л70 , Л67). Латуни с более низким содержанием цинка (томпаки и полутомпаки) уступают латуням Л68 и Л70 в пластичности, но превосходят их в электро- и теплопроводности. Они поставляются в прокате и поковках. Двухфазные простые латуни имеют хорошие ковкость (но главным образом при нагреве) и повышенные литейные свойства и используются не только в виде проката, но и в отливках. Пластичность их ниже чем у однофазных латуней, а прочность и износостойкость выше за счет влияния более твердых частиц второй фазы. Прочность простых латуней 30-35 кгс/мм2 при однофазной структуре и 40-45 кгс/мм2 при двухфазной. Прочность однофазной латуни может быть значительно повышена холодной пластической деформацией. Эти латуни имеют достаточную стойкость в атмосфере воды и пара (при условии снятия напряжений, создаваемых холодной деформацией).  
 
Оловянные бронзы. Однофазные и двухфазные бронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении коррозии (особенно в морской воде). Однофазные бронзы в катаном состоянии, особенно после значительной холодной пластической деформации, имеют повышенные прочностные и упругие свойства. Для двухфазных бронз характерна более высокая износостойкость. Важное преимущество двухфазных оловянистых бронз - высокие литейные свойства, они получают при литье наиболее низкий коэффициент усадки по сравнению с другими металлами, в том числе чугунами. Оловянные бронзы применяют для литых деталей сложной формы. Однако для арматуры котлов и подобных деталей они используются лишь в случае небольших давлений пара. Недостаток отливок из оловянных бронз - их значительная микропористость. Поэтому для работы при повышенных давлениях пара они все больше заменяются алюминиевыми бронзами. Из-за высокой стоимости олова чаще используют бронзы, в которых часть олова заменена цинком (или свинцом).  
 
Алюминиевые бронзы. Эти бронзы (однофазные и двухфазные) все более широко заменяют латуни и оловянные бронзы. Однофазные бронзы в группе медных сплавов имеют наибольшую пластичность. Их используют для листов (в том числе небольшой толщины) и штамповки со значительной деформацией. После сильной холодной пластической деформации достигаются повышенные прочность и упругость. Двухфазные бронзы подвергают горячей деформации или применяют в виде отливок. У алюминиевых бронз литейные свойства (жидкотекучесть) ниже, чем у оловянных; коэффициент усадки больше, но они не образуют пористости, что обеспечивает получение более плотных отливок. Литейные свойства улучшаются введением в указанные бронзы небольших количеств фосфора. Бронзы в отливках используют, в частности, для котельной арматуры сравнительно простой формы, но работающей при повышенных напряжениях. Кроме того, алюминиевые двухфазные бронзы, имеют более высокие прочностные свойства, чем латуни и оловянные бронзы. У сложных алюминиевых бронз, содержащих никель и железо, прочность составляет 55-60 кгс/мм2. Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошо устойчивы против коррозии в морской воде и во влажной тропической атмосфере. 
Алюминиевые бронзы используют в судостроении, авиации, и т.д. В виде лент, листов, проволоки их применяют для упругих элементов, в частности для токоведущих пружин. 
 
Кремнистые бронзы. Применение кремнистых бронз ограниченно. Используются однофазные бронзы как более пластичные. Они превосходят алюминиевые бронзы и латуни в прочности и стойкости в щелочных (в том числе сточных) средах. Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих в указанных средах. Кремнистые бронзы, дополнительно легированные марганцем, в результате сильной холодной деформации приобретают повышенные прочность и упругость и в виде ленты или проволоки используются для различных упругих элементов.  
 
Бериллиевые бронзы. Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность ( до 120 кгс/мм2 ) и коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью. Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллия используют лишь для особо ответственных случаях в изделиях небольшого сечения в виде лент, проволоки для пружин, мембран, сильфонов и контактах в электрических машинах, аппаратах и приборах. Указанные свойства бериллиевые бронзы получаются после закалки и старения, т.к. растворимость бериллия в меди уменьшается с понижением температуры. Выделение при старении частиц химического соединения CuBe повышает прочность и уменьшает концентрацию бериллия в растворе меди.

Диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость  является параметром, равным отношению  емкости, с, электрического конденсатора, между обкладками которого находится полимерный материал, к емкости того же конденсатора, между обкладками которого вакуум. Условность разделения заключается в том, что электрические свойства пластмасс сильно зависят от внешних условий — температуры, влажности, степени ионизации окружающей среды, напряженности электрического поля, силы тока и других. При стандартизованных измерениях каких-либо величин типа угла или расстояния можно использовать такой прибор, как тахеометр. При этом нужно учесть, что по умолчанию частота электромагнитного поля — 103 Гц, температура — 20 °С, относительная влажность воздуха — 60%. Образец имеет форму диска диаметром 100 мм. Допускается применение квадратных образцов со стороной, равной указанным выше диаметрам. Методика определения подробно изложена. Диэлектрическая проницаемость полимеров определяется дипольной электронной и резонансной поляризациями и зависит от значения полярности. С увеличением частоты электрического поля диэлектрическая проницаемость у большинства полимерных материалов незначительно снижается.

Диэлектрические потери. Диэлектрические потери — это  энергия, которая рассеивается, диссипирует, в полимерном диэлектрике при прохождении через него электрического тока. Диссипация внешней энергии сопровождается нагревом физического тела. Величина диэлектрических потерь определяется значением, который составляет от 0,3 для аминопластов до 1-104 для УПС. Чем меньше величина, тем выше возможности полимера как диэлектрика. Диэлектрические потери полимеров определяются двумя физическими причинами: электрической проводимостью (сквозной ток) и дипольно-релаксационной поляризацией (ток замедленной поляризации). Понятно, что формировать значение диэлектрических потерь будут химическое строение, физическая структура, фазовое, агрегатное и физическое состояние материала. Поскольку в полимерах отдельные кинетические фрагменты макроцепей, их ответвления, боковые группы и отдельные группы атомов совершают независимые колебательные движения, то и возникающие диэлектрические потери могут носить различный характер в зависимости от размера кинетических фрагментов и собственной частоты их колебательных движений. Возникают дипольно-сегментальные потери (ДСП), обусловленные колебательными движениями фрагментов макроцепей и дипольно-групповые потери (ДГП), вызванные изменением ориентации полярных групп. Отмеченные особенности являются причиной вариативности диэлектрических характеристик пластмасс в зависимости от параметров внешнего электромагнитного поля (напряженность, частота, сила тока) и температуры. В смесевых составах из несовместимых компонентов на терморелаксационной зависимости вблизи температур, соответствующих, наблюдаются не один, а два или даже три пика ДСП, соответствующих отдельным компонентам.

Удельное электрическое  сопротивление, или просто удельное сопротивление вещества характеризует  его способность проводить электрический ток.

Единица измерения  удельного сопротивления в СИ — Ом·м; также измеряется в Ом·см и Ом·мм²/м. Физический смысл удельного сопротивления в СИ: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 м².

В технике часто  применяется в миллион раз  меньшая производная единица: Ом·мм²/м, равная 10⁻⁶ от 1 Ом·м: 1 Ом·м = 1×10⁶ Ом·мм²/м. Физический смысл удельного сопротивления в технике: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 кв.мм.

Величина удельного  сопротивления обозначается символом ρ (ро).

 
Сопротивление проводника с удельным сопротивлением ρ, длиной l и площадью сечения S может быть рассчитано по формуле:  

Поляризация – процесс  смещения и упорядочения зарядов  в диэлектрике под действием внешнего электрического поля.

При этом в некотором  объеме вещества электрический момент имеет значение, отличное от нуля.

Поляризованность

.

Виды поляризации:

электронная

ионная

ионно-релаксационная

дипольно-релаксационная

электронно-релаксационная

упруго-дипольная

ядерного смещения

структурная, междуслойная

спонтанная

остаточная 

Поскольку степень  поляризации оценивается приращением емкости конденсатора при замене вакуума или воздуха между его пластинами данным веществом

то принципиально  все типы поляризации могут быть отражены (в сложном диэлектрике) эквивалентной схемой, содержащей емкости или емкости и сопротивления.

Электронная поляризация  

Представляет собой  упругое смещение и деформацию электронных  оболочек атомов и ионов. Время ее свершения 10^-15 см. От температуры не зависит.

Рассчитывается по уравнению Клаузиуса-Мосотти:

e – диэлектрическая проницаемость

– кол-во атомов, молекул и ионов  в см³

– электронная поляризуемость, см³

N – число Авогадро, N=6,02×10²³

Проявление на всех частотах до 10¹⁴¸10¹⁶. С потерями энергии не связана.

2.Ионная поляризация

Характерна для  твердых тел с ионным строением  и обусловлена смещением упруго связанных ионов на расстоянии меньше постоянной решетки.

Время установления 10^-13 сек. Величина поляризации с ростом возрастает, т.к. расстояние между полями возрастает, а упругие силы ослабляются.

Рассчитывается поляризуемость полной частицы

q – заряд поля

u – коэффициент упругой связи между полями.

3. Дипольно-релаксационная  поляризация

Связана с тем, что  дипольные молекулы, находящиеся  в хаотическом тепловом состоянии  под действием поля ориентируются  в направлении поля. При снятии поля поляризация нарушается беспорядочным тепловым движением молекул. Время установления и нарушения поляризации определяется временем релаксации дипольных молекул.

Величина ДРП

m – дипольный момент

k – постоянная Больцмана

Т – абсолютная температура

Время ДРП – 10^-10–10^-2 сек. Наблюдается у всех полярных веществ и связана с потерей энергии.

4. Ионно-релаксационная  поляризация (ИРП)

Происходит в диэлектриках с неплотной установкой ионов (в  неорганических стеклах и некоторых  кристаллических веществах). При  наличии эл. поля слабо связанные  ионы получают избыточную энергию, заставляя  их перебрасываться на значительные расстояния (в направлении поля), превышающие упругие смещения (постоянную решетки)

Для твердых диэлектриков e растет с ростом t⁰, с ростом частоты падает.

5. Электронно-релаксационная  поляризация (ЭРП)

Происходит за счет теплового возбуждения электронов. Характерна для диэлектриков с электронной  проводимостью (двуокись титана с примесью ионов бария, кальция). Наличие максимума  дает при отрицательных температурах.

6. Упруго-дипольная  поляризация (УДП)

Наблюдается в некоторых  кристаллах, в которых дипольные  молекулы закреплены и ограниченно  поворачиваются на определенный угол. Малая величина.

7. Структурная поляризация  (СП)

Обусловлена наличием слоев с различной проводимостью, включением примесей, особенно при высоких градиентах напряжения. В диэлектриках слоистой или другой неоднородной структуры (гетинакс, гепсолит и др.). Связана с большими потерями, как пол. Замедленного типа.

8. Поляризация ядерного  смещения (ПЯС)

Возникает за счет смещения ядер в атомах и молекулах под  действием электрического поля. Не зависит от частоты и температуры. Время 10^-13 сек.

9. Спонтанная поляризация

Возникает при отсутствии внешнего эл. поля. Однако направление  ориентации электрических моментов различно. Воздействие электрического поля способствует преимущественно ориентации моментов в направлении поля и может создавать эффект поляризации с очень большим значением (до 50000). Эта поляризация зависит от температуры . Характер (не происходит на высших частотах), имеет диэлектрические .

Характерна для  диэлектриков (титанаты бария, кальция, стронция).

10. Остаточная 

Характеризуется длительным сохранением поляризованного состояния  после снятия эл. поля. Таким диэлектриком могут служить источники эл. энергии, как .

Длительность –  месяцы, годы. 

1.4. Пробой диэлектриков

1.4.1 Общая  характеристика пробоя

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое  критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Свойство диэлектрика противостоять пробою называется электрической прочностью (Е_пр). Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, называют пробивным напряжением (U_пр) и измеряют чаще всего в киловольтах.

Электрическая прочность  определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика  в месте пробоя:

Е_пр = U_пр/h, (1.25) 
где h – толщина диэлектрика.

Пробой твердых  диэлектриков и пробой газов и жидкостей отличаются друг от друга как по внешним признакам, так и по физике явления.

Пробой газа обуславливается  явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизации тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них посторонних примесей. Пробой твердых тел может вызываться как электрическим, так и тепловым процессами, возникающими под действием поля.

Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному и резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.

Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления  диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.

При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под действием электрического поля – электрохимический пробой.

Из изложенного  следует, что пробой газов – явление  чисто электрическое, а в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы.

1.4.2 Пробой  газов

Внешней изоляцией  во многих видах электротехнических конструкций служит воздух. Электрическая  прочность воздуха в нормальных условиях невысока по сравнению с  прочностью большинства жидких и  газообразных диэлектриков.

Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получают добавочную скорость и начинают перемещаться в направлении поля или в противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию

W = q·U_l, (1.26)

где q – заряд, U_l – падение напряжения на длине свободного пробега _l.

Добавочная энергия  заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, то может произойти ионизация молекул газа. Условием, определяющим возможность ионизации, является:

W W_и. (1.27)

При заданных значениях  давления газа и температуры ударная  ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и  l постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называется начальной напряженностью. Процесс быстрого распространения ионизации называется явлением стримера. Явление пробоя газа объясняется ударной ионизацией и сопутствующим явлением фотоионизации. Пробой газа наступает, когда весь газовый промежуток между электродами ионизирован. В ионизированном пространстве образуется два потока (стримера) – поток электронов и поток положительно заряженных ионов.

Внешне процесс  ионизации проявляется свечением  газа.

Напряжение, при котором  наступает полная ионизация газового пространства между электродами, называется напряжением пробоя газа. Оно зависит от природы самого газа, его давления, влажности, температуры, в большой степени от формы электродов и расстояния между ними, однородности электрического поля, воздействующего на газ, а также от того, действует постоянное, переменное или импульсное напряжение.

Различные газы имеют  различную электрическую прочность. С увеличением давления электрическая  прочность газов увеличивается. Это объясняется тем, что при  возрастании давления увеличивается  число молекул в единице объема, отсюда сокращается длина свободного пробега электронов, они не успевают приобрести энергию, необходимую для ионизации молекул, и поэтому пробой наступает только при более высоком напряжении.

При уменьшении давления газа длина свободного пробега электронов увеличивается, и ионизация наступает при более низком напряжении.

При малых расстояниях  между электродами, порядка нескольких микрон, электрическая прочность  газов сильно увеличивается. Это  объясняется тем, что из-за малости  расстояния процесс ионизации затруднен, и ионизация наступает при более высоком напряжении. Экспериментально установлено, что пробивное напряжение любого газа пропорционально произведению давления газа Р на расстояние между электродами h (при Т = const). Эта зависимость носит название закона Пашена и иллюстрируется графиком на рис.1.2.

 
Рис.1.2. Зависимость электрической  прочности газа от давления

В неоднородном поле наблюдаются значительные отклонения от этого закона. Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

1.4.3 Пробой  жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики  отличаются более высокой электрической  прочностью, чем газы в нормальных условиях.

Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными  примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков.

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют  местным перегревом жидкости, который  приводит к образованию газового канала между электродами. Влияние воды, не смешивающейся с трансформаторным маслом при нормальной температуре и держащейся в нем в виде отдельных мелких капелек, показано на рис. Под влиянием поля капельки воды поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает электрическую  прочность.

1.4.4 Пробой  твердых диэлектриков

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;

электрический пробой неоднородных диэлектриков;

тепловой (электротепловой) пробой;

электрохимический пробой.

Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10^-7 – 10^-8 с, и не обусловлен тепловой энергией.

Электрический пробой по своей природе является чисто  электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в  твердом теле создается электронная лавина.

Чисто электрический  пробой имеет место, когда исключено  влияние электропроводности и диэлектрических  потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация  газовых включений.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Такой пробой характерен для диэлектриков, имеющих газовые включения. Он также характеризуется весьма быстрым развитием. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков во внешнем однородном и неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

С увеличением толщины  образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений и снижается  электрическая прочность как  в однородном, так и в неоднородном поле. Площадь электродов тоже влияет на прочность диэлектрика. Чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности из-за уменьшения количества слабых мест, попадающих в пределы поля.

Низкой электрической  прочностью отличаются диэлектрики  с открытой пористостью: мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика.

Высокой электрической  прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и  не содержащие газовых включений: слюда, стекла, бумага, тщательно пропитанная  жидким диэлектриком.

Тепловой пробой. Этот пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала.