Исследование физических свойств материалов. Ч. 4.2. Испытания на термостойкость

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





А.В. ШИШКИН, О.С. ДУТОВА





                ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
                МАТЕРИАЛОВ





Часть 4.2


ИСПЫТАНИЯ НА ТЕРМОСТОЙКОСТЬ


Учебно-методическое пособие








НОВОСИБИРСК
2013

УДК 620.1+536.495+536.413+536.21
     Ш655



Рецензенты:
А.Б. Мешалкин, д-р физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. ИТ СО РАН, С.Н. Малышев, канд. техн. наук, доц. НГТУ

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки» и утверждена Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия для студентов II курса, обучающихся по направлениям 140400, 080200, 220700


     Шишкин А.В.

Ш 655 Исследование физических свойств материалов : учеб.-метод. пособие. - В 4 ч. / А.В. Шишкин, О.С. Дутова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. - Ч. 4.2. Испытания на термостойкость. -48 с.
         ISBN 978-5-7782-2285-4
         Рассмотрены теоретические основы испытаний на термостойкость: тепловые явления, влияние различных факторов на тепловые свойства материалов, воздействие температуры и её градиента на надежность и стабильность материалов. Описаны методы испытаний на термостойкость и работа на лабораторном стенде.
         Пособие предназначено для подготовки бакалавров по направлениям: 140400 - Электроэнергетика и электротехника, 080200 - Менеджмент, 220700 - Автоматизация технологических процессов и производств для дневного и заочного отделений.






ISBN 978-5-7782-2285-4

УДК 620.1+536.495+536.413+536.21

                  © Шишкин А.В., Дутова О.С., 2013 © Новосибирский государственный технический университет, 2013

    ВВЕДЕНИЕ

   Цель пособия - помочь студентам в получении теоретических знаний и практических навыков по учебным дисциплинам: «Материаловедение», «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», «Электротехническое и конструкционное материаловедение», «Электротехнические и конструкционные материалы», «Технология производства электротехнических и конструкционных материалов» в части, касающейся тепловых свойств материалов и влияния теплового воздействия на конструкционную прочность и химическую стойкость.
   Материал - вещество, обладающее необходимым комплексом свойств для выполнения заданной функции отдельно и/или в совокупности с другими веществами.
   Материаловедение - это раздел научного знания, посвящённый свойствам веществ и их направленному изменению с целью получения материалов с заранее заданными рабочими характеристиками. Материаловедение опирается на фундаментальную базу всех разделов физики, химии и смежных дисциплин и включает в себя теоретические основы современных наукоёмких технологий получения, обработки и применения материалов.
   Учебные дисциплины, связанные с материаловедением и технологией производства электротехнических и конструкционных материалов, служат познанию природы и свойств материалов, а также методов получения материалов с заданными характеристиками для наиболее эффективного использования в технике.
   В конструкционном материаловедении термостойкость (термическая стойкость) - способность хрупких материалов противостоять, не разрушаясь, термическим напряжениям. Термостойкость оценивается либо числом теплосмен (циклов нагрева и охлаждения), выдерживаемых образцом (изделием) до появления трещин или разрушения, либо температурным градиентом, при котором возникают трещины. Терми

3

ческая стойкость изделий обусловлена физико-механическими свойствами материала, геометрической формой и характером тепловой и механической нагрузки.
   В химическом материаловедении термостойкость (нагревостой-кость, термостабильность) - способность материалов сохранять химическое строение (и физические свойства) при повышении температуры. Нагревание может вызывать в образце крекинг, пиролиз, окисление, деструкцию и другие процессы. Термостойкость зависит от природы вещества и определяется прочностью химических связей в нём (термодинамический аспект), механизмом и кинетикой термических реакций (кинетический аспект). Факторы, влияющие на кинетику термических реакций (дефекты кристаллической структуры, наличие примесей, природа среды и т. д.), могут изменять термостойкость. Количественно нагревостойкость часто характеризуют максимальной температурой, при которой материал химически не изменяется (или изменяется в допустимых пределах).
   В соответствии со вторым началом термодинамики все реальные процессы протекают с рассеянием тепла. Поэтому тепловые свойства тел играют существенную роль, так как предоставляют нам возможность управлять тепловыми потоками. С точки зрения тепловых свойств и эксплуатации материалы можно подразделить: на теплоизоляторы, аккумуляторы и проводники тепла. В первом случае необходимы низкие значения теплопроводности и температуропроводности, во втором - высокая теплоёмкость, а в третьем - высокие значения теплопроводности и температуропроводности. Создание материалов с заданными уникальными значениями тепловых характеристик для аэрокосмической, атомной, микроэлектронной, электротехнической и других областей промышленности - актуальная задача современного материаловедения.

            1. ТЕПЛОЁМКОСТЬ


        1.1. Основные определения

   При теплообмене часть тепла аккумулируется телами или отдаётся ими. Теплоёмкость - величина, характеризующая способность тела аккумулировать тепло. Значение теплоёмкости определяется как количество теплоты Q, соответствующее изменению температуры Т единицы вещества на один градус. Теплоёмкость единицы массы вещества (1 кг) называется удельной теплоёмкостью', одного моля - молярной', единицы объёма (1 м³) - объёмной. Истинная теплоёмкость определяется выражением
С=8 Q/d Т,                    (1)
где 8Q - вариация (бесконечно малое изменение) количества поглощенной или отданной телом теплоты при изменении его температуры на d Т.
   Различают теплоёмкость при постоянном давлении р (изобарную): Ср = (дН / дТ)р,п,, где Н - энтальпия; nₜ - числа молей веществ в системе; и теплоёмкость при постоянном объёме V (изохорную):
сг=(д и/д Т) v,nₜ,              (2)
где U - внутренняя энергия системы. Для идеального газа Ср - Cᵥ = nR, где п - число молей газа; R = 8,314510 Дж-(моль-К)⁻¹ - универсальная газовая постоянная.
   В твёрдом теле при любой температуре Т атомы совершают тепловые колебания около своих средних положений равновесия в узлах кристаллической решетки. Каждый атом может колебаться в трех независимых направлениях, т. е. обладает тремя колебательными степе


5