Электроматериаловедение - Свойства металлов

§ 2. Физические свойства металлов

Физические свойства металлов определяют их поведение в электрических, магнитных и тепловых полях. Например, под действием электрического напряжения металлы хорошо проводят электрический ток. В магнитном поле некоторые металлы (железо, кобальт и др.) способны намагничиваться, в то время как другие, например, медь, алюминий, не обладают этой способностью. В тепловых полях металлы расширяются или сжимаются в зависимости от того, повышается или понижается температура металла.
Эти свойства металлов количественно оцениваются величинами, которые называют характеристиками металлов. Так, например, свойство проводить электрический ток оценивается величиной удельной проводимости, которая является электрической характеристикой материала. Способность некоторых металлов намагничиваться оценивается их магнитными характеристиками. Поведение металлов при изменении температуры определяется такими физическими характеристиками, как температура плавления, коэффициент теплового расширения и коэффициент теплопроводности. К физическим характеристикам относится также плотность металлов.
Температурный коэффициент теплового линейного расширения
(и) показывает изменение первоначальной длины 10 металла, например медной проволоки, до длины I при изменении температуры от t0 до t. Чтобы вычислить коэффициент линейного расширения, величину изменения длины образца металла (1 — /0) делят на первоначальную его длину и на разность температур. Следовательно, коэффициент линейного теплового расширения представляет величину изменения линейных размеров металла, отнесенную к единице первоначальной длины образца металла при изменении его температуры на один градус. Это записывают в виде формулы
(1)
Зная величину а и первоначальную 10, можно подсчитать длину металла (например, проволоки) при любой температуре t. Для этого представим формулу (1) в таком виде
(2)
Величина коэффициента теплового линейного расширения у разных металлов различна. Те металлы, которые имеют малый коэффициент а, мало изменяют при нагреве размеры изготовленных из них деталей. Такие металлы могут обеспечить необходимое постоянство размеров машин и аппаратов при нагревании. Металлы же с большим коэффициентом теплового расширения пригодны
Температурный коэффициент линейного расширения (а) обычно записывают так:И Т. Д.
там, где необходимо при   достижении определенной температуры осуществить автоматически соединение или разрыв электрических контактов. Это свойство металлов часто используется в электрических регуляторах температуры.
Коэффициент теплопроводности (А,) оценивает теплопроводность материала — свойство материала проводить тепло от более нагретых его частей к менее нагретым.
Коэффициент теплопроводности определяется количеством тепла (кал), проходящим за 1 сек через материал в виде пластины площадью 1 см2 и толщиной 1 см при разности температур 1°С.
Коэффициент теплопроводности вычисляется по формуле
(3)
где Q — количество тепла (кал), проходящее за время т (сек) через площадь сечением S (см2) материала, толщиной h (см), при разности температур: (t — t0)°С.
К физическим характеристикам материалов и, в частности, металлов, относится плотность вещества.
Таблица 1
Физические характеристики металлов

Плотность вещества (d) есть его масса, приходящаяся на единицу объема (см3) данного материала.
Плотность металлов различна: алюминия d = 2,7 г/си-t3; меди d = 8,9 г/см3; платины d = 21,44 г/см3.
В табл. 1 приведены основные физические характеристики для некоторых металлов, используемых в электротехнике.

§ 3. Механические свойства металлов

Металлы обладают определенными механическими свойствами, которые позволяют использовать их для изготовления детален и механизмов, могущих длительно выдерживать различные внешние нагрузки без разрушения. Эти свойства у разных металлов и сплавов различны. Они определяются химическим составом, способами тепловой и механической обработки их, рабочей температурой и механическими воздействиями, которые имеют место при работе изделий.
Воздействия, испытываемые металлами, могут быть статическими, динамическими и знакопеременными.

Рис. 9. Образцы металлов для испытания на растяжение
Статические воздействия наблюдаются тогда, когда к металлу приложены длительно действующие внешние нагрузки. Такими являются нагрузки, вызывающие растяжение, сжатие, изгиб, срез или кручение металлических деталей. Динамические воздействия — это кратковременные нагрузки, возникающие, например, при ударе. Знакопеременные — это такие нагрузки, которые систематически повторяются и меняются как по величине, так и по направлению.
Механические усилия, прилагаемые к металлу, вызывают в нем деформацию, могущую привести к разрушению. Для установления величины разрушающего усилия при том или другом воздействии металлические материалы подвергают соответствующим механическим испытаниям. Наибольшее значение приобрело испытание металлов на растяжение. Испытание образцов металлов на растяжение производят с помощью испытательных разрывных машин. Образцы металлов для испытания на растяжение изготовляют в виде круглых стержней или пластин строго установленных размеров. Общий вид этих образцов изображен на рис. 9.
Образцы головками закрепляют в соответствующих зажимах испытательной машины. При приложении растягивающей нагрузки Р к образцу в машине на ее самопишущем приборе вычерчивается кривая увеличения растягивающего усилия Р и удлинения образца Al в результате его деформации растягивающей нагрузкой. Таким образом, получается диаграмма растяжения (рис. 10). Па этой диаграмме видно, что деформация металла (удлинение образца) до определенной нагрузки Рр (точка А) является упругой. При дальнейшем повышении растягивающей нагрузки до Р, деформация металла переходит в пластическую, которая оканчивается разрывом металла при предельной растягивающей нагрузке Рь (точка Е на диаграмме).
Упругой деформацией называется такая деформация металла, которая после снятия внешней нагрузки полностью исчезает, т. е. образец металла возвращается к прежней форме.
Пластическая деформация остается в металле и после снятия нагрузки. На диаграммах растяжения (рис. 10 и 11) имеется несколько характерных точек, являющихся предельными по характеру деформаций. Рассматривая диаграмму на рис. 10, видим, что до точки Рр удлинение прямо пропорционально растягивающему усилию. Эта точка называется пределом пропорциональности.

Рис. 10. Диаграмма растяжения металла при наличии участка текучести

Рис. 11. Диаграмма растяжения металла без участка текучести
Величина механического напряжения ст р, соответствующая пределу пропорциональности, подсчитывается по формуле
(4)
где So — первоначальное сечение образца материала (до его испытания).
При этом растягивающая нагрузка (сила) должна быть приложена перпендикулярно площади поперечного сечения испытуемого образца металла.
На диаграмме растяжения несколько выше нагрузки Р9 располагается нагрузка Ре, соответствующая началу криволинейного участка диаграммы ВС. Эта точка является конечной точкой упругой деформации. При этой нагрузке еще сохраняется в металле упругая деформация, хотя на всем интервале нагрузок от Pv до Рв пропорциональность между удлинением и нагрузкой уже нарушена. Точка В, соответствующая растягивающей нагрузке Ре> поэтому называется пределом упругости.
Начиная с этой нагрузки, в металле возникает пластическая или остаточная деформация, которая наблюдается до нагрузки Ps. При этом образец металла необратимо удлиняется, т. е. металл течет.

*Напряжение есть величина нагрузки (механического усилия), отнесенная к единице площади сечения испытуемого образца металла.

Поэтому точка С, соответствующая нагрузке Ps, называется пределом текучести. Получающаяся на диаграмме площадка текучести CD (увеличение длины образца при очень малом увеличении нагрузки) наблюдается не у всех металлов. Так, например, она наблюдается у слаболегированной (низкоуглеродистой) стали и у многих цветных металлов.
Дальнейшее повышение нагрузки приводит к упрочнению металла, т. е. к прекращению текучести. Увеличение нагрузки происходит до какой-то наибольшей величины Рь (точка Е), после чего отмечается сильное сужение образца металла в месте его наименьшего сопротивления и образование в образце суженного места — шейки.
Диаграмма, показанная на рис. 11, отличается от диаграммы, показанной на рис. 10, тем, что она не имеет площадки текучести CD, что характерно для чугуна и других хрупких металлов.
Предел прочности металла при растяжении подсчитывается по формуле
(5)
Предел прочности аь является очень важной механической характеристикой, которая определяет использование данного металла при соответствующих механических нагрузках.
При испытании на растяжение определяют еще величины удлинения образца в описанных выше точках растягивающих нагрузок. Пластичность металла оценивают относительным удлинением  и относительным сужением ф, т. е. уменьшением площади поперечного сечения образца металла при разрыве.
Относительное удлинениеподсчитывается по формуле
(6)
где 10 — первоначальная (до испытания) длина образца, мщ /1 —длина образца после разрыва, мм.
Предел прочности при растяжении  и относительное удлинение, являются механическими характеристиками металлов.
Рассмотренные статические испытания не характеризуют полностью механические свойства металлов, которые работают при знакопеременных нагрузках, изменяющихся по величине и направлению. В таких условиях работы металлические детали разрушаются при нагрузках, значительно меньших, чем при статических испытаниях. Это обусловливается усталостью металла, в котором п результате его неоднородности со временем появляются трещины. 1'хли установить число циклов повторных нагрузок или нагрузок, меняющих направление, то усталость металла можно оценить наибольшим напряжением, которое выдерживает данный металл при этом числе циклов. Это напряжение называется пределом выносливости металла. Можно также оценить усталость металла числом циклов знакопеременной нагрузки до разрушения металла при постоянной величине нагрузки.

*Иногда  называют остаточным удлинением материала при растяжении.

§ 4. Электрические свойства металлов

Из металлических проводниковых материалов изготовляют обмоточные и монтажные провода и кабели. Поэтому такие материалы должны обладать большой проводимостью, чтобы не допускать больших потерь электрической энергии. В некоторых устройствах проводниковые материалы выполняют роль нагревателей. В этом случае такие материалы должны обладать малой проводимостью, т. е. более высоким электрическим сопротивлением. Отсюда ясно, что электропроводность металлов, предназначенных для проводников, является основным их свойством. Значительная электропроводность металлических проводников обусловливается наличием в них большого количества свободных электронов.
До воздействия на проводник электрического напряжения свободные электроны находятся в беспорядочном тепловом движении. Они передвигаются в разных направлениях, распределяясь равномерно по всему объему металла. Сами же атомы, потерявшие электроны, превращаются в положительные ионы, которые расположены в узлах кристаллической решетки. Таким образом, металлический проводник состоит из положительных ионов, колеблющихся около своих узлов, и их хаотично движущихся свободных электронов.
Если к концам металлического проводника приложить электрическое напряжение, то электроны будут двигаться (дрейфовать) от конца проводника, подключенного к минусу источника тока, к концу проводника, подключенного к плюсу источника тока *. Это направленное движение электронов и есть электрический ток с металлах. Так как количество свободных электронов в металлическом проводнике очень велико, то электрический ток в нем будет увеличиваться во столько раз, во сколько повысится напряжение, приложенное к проводнику. Это означает, что величина проводимости G или величина электрического сопротивления R металлов при изменении напряжения остается постоянной, что и является характерным свойством всех металлических проводников. Это свойство выражается линейной зависимостью тока от напряжения (законом Ома)
(7)
где U — величина приложенного напряжения, В, R — сопротивление проводника, ом, G — проводимость проводника:

*         Условно принято считать перемещение зарядов от положительного полюса источника тока к отрицательному полюсу.

На величину электрического сопротивления любого металлического проводника оказывает влияние температура. С повышением температуры сопротивление проводника увеличивается, а с понижением температуры — уменьшается. Если довести температуру до абсолютного нуля, то проводник может превратиться в сверхпроводник, для которого характерным является весьма малое сопротивление, а у некоторых сверхпроводников (Pb, Al, Zn и др.) оно становится равным нулю.
Нагрев проводника повышает энергию ионов, составляющих его кристаллическую решетку, в результате чего их колебания в узлах кристаллической решетки усиливаются. Это усиление колебаний ионов в металле затрудняет движение электронов, которые чаще сталкиваются с ионами и в меньшем количестве участвуют в создании электрического тока. Поэтому при увеличении температуры проводника ток в нем уменьшается, хотя напряжение остается неизменным. Это свидетельствует об увеличении сопротивления проводника. Если через R0 обозначить величину электрического сопротивления проводника при некоторой начальной температуре to, а через Rt— сопротивление при температуре t, то это сопротивление можно подсчитать по формуле
(8)
где Rt — сопротивление проводника при температуре t,R0 — сопротивление проводника при начальной температуре (0°, 20° С или др.); а — температурный коэффициент электрического сопротивления при начальной температуре t0 проводника, а показывает, на сколько изменяется сопротивление проводника в 1 ом из данного материала при изменении его температуры на ГС**.
Величины R и G относятся к проводнику любых заданных размеров, поэтому они не могут характеризовать материал как таковой.

Величина, с помощью которой количественно оценивается электрическое сопротивление материала, называется удельным электрическим сопротивлением. Оно обозначается греческой буквой р. Эта величина определяется из формулы, хорошо известной в электротехнике
где R — общее сопротивление проводника.                                      

Общее электрическое сопротивление проводника R находят непосредственным измерением, а по формуле (9) вычисляют величину удельного сопротивления проводника:
(10)
Если выразить R в омах, длину образца I в метрах, а площадь поперечного сечения S в квадратных миллиметрах, то удельное

Рис. 12. Отрезок металлического проводника для измерения удельного сопротивления
сопротивление проводникового материала будет выражаться в ом-мм2/м. Если же единицей измерения длины взять сантиметр, а площади — квадратный сантиметр, то удельное электрическое сопротивление выразится в более крупных единицах — ом-см (омсантиметрах): 1 ом-см=10 000 ом-мм2/м.
Удельное электрическое сопротивление р есть основная электрическая характеристика, так как Она позволяет оценить сопротивление, оказываемое материалом при протекании через него электрического тока. Чем меньше р, тем лучше проводниковый материал, так как он в большей мере способен проводить электрический ток. Так, у проводниковой меди р=0,0175-0,0182 ом-мм2/м, у проводникового алюминия р=0,0279.0,0283 ом-мм2/м*. Эти значения удельного электрического сопротивления показывают, что медь лучше проводит ток по сравнению с алюминием. Величины удельного сопротивления относятся к проводникам, имеющим длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 мм2.

*Большие значения удельного электрического сопротивления (q) относятся к металлу в твердотянутых проводах, что вызвано пластической деформацией металла.

Формула зависимости удельного сопротивления от температуры будет такая же, как и для общего сопротивления R проводника:
(П)
где Qf — удельное сопротивление при температуре t, °С; q0 — удельное сопротивление при начальной температуре (0°, 20° С или др.); а — температурный коэффициент удельного сопротивления данного проводникового материала при начальной температуре t0 (0° С, 20° С или др.); t — заданная температура, °С, — начальная температура, °С.
Свойство различных металлов, в том числе и проводниковых, проводить электрический ток часто оценивается еще величиной удельной проводимости у. Эта характеристика есть величина, обратная удельному электрическому сопротивлению, т. е.

Удельная проводимость измеряется в ом~1-см~1 или (у проводниковых материалов) в м/ом-мме. Она непосредственно указывает, в какой мере тот или иной материал проводит ток. Так, у серебра удельная проводимость у = 65,8 м/ом-мм2, а у меди у=57 м/ом-мм2, т. е. серебро лучше проводит электрический ток, так как его удельная проводимость больше, чем у меди.