производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 3.3. Физические свойства металлов

К физическим свойствам металлов относят электрические, магнитные и тепловые свойства. Для целого ряда деталей именно они определяют возможность применения металлов.

Прежде всего это детали, используемые в электротехнической промышленности, от которых может потребоваться высокая электропроводность или, наоборот, высокое электрическое сопротивление, а также определенные магнитные свойства, например материал должен быть немагнитным, и т.д. В этих случаях механические свойства второстепенны.

Физические свойства металлов определяются их строением — наличием свободных электронов, или электронного газа, которое и определяет высокие электро- и теплопроводность.

Определение удельного электрического сопротивления. Электрическое сопротивление проводника r зависит от его размеров (оно тем больше, чем больше длина l и меньше площадь поперечного сечения s проводника) и свойств материала: r=pl/s, где р — удельное электрическое сопротивление материала, Ом ⋅мм2/м или Ом⋅см, т.е. сопротивление проводника площадью 1 мм2 и длиной 1 м.

Проще всего определить удельное сопротивление проводника методом вольтметр — амперметр (рис. 3.19). Отрезок CD — проводник из материала, для которого необходимо определить удельное сопротивление р. Сопротивление r на отрезке FB определяется по формуле

r = (ϕF – ϕB)/I,

где ϕF – ϕB — разность потенциалов в точках F и В (показания вольтметра V), I — сила тока (показания амперметра А), Зная длину FB и сечение образца, вычисляют р. Существуют и другие методы определения сопротивления (например, одинарного и двойного моста).

Удельное сопротивление металлов зависит от температуры, оно тем больше, чем выше температура:

р, = р0(1 + αt),

где р0 и р, — удельное сопротивление при температурах О °С и t, α — температурный коэффициент.

Рис. 3.19. Определение удельного электрического сопротивления по схеме вольтметр — амперметр

Рис. 3.20. Схема расположения магнитных моментов в парамагнетике (а) и ферромагнетике (6)

В качестве проводников в электротехнике наиболее широко применяют медь (р = 1,7-10-8 Ом⋅см или 0,017 мкОм) и алюминий (р = 2,7⋅10-8 Ом⋅см или 0,027 мкОм), имеющие малое удельное сопротивление.

Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью: γ = 1/р.

Магнитные свойства.

По магнитным свойствам материалы делятся на два класса: магнитно-неупорядоченные и магнитно-упорядоченные. К первому классу относятся диамагнитные и парамагнитные материалы, ко второму — ферромагнитные. У материалов первого класса элементарные магнитные моменты в пространстве расположены хаотически, а у второго — упорядоченно (рис. 3.20).

Магнитно-упорядоченные металлы отличаются большой величиной магнитной восприимчивости. Это величина х> которая связывает напряженность магнитного поля Н и намагниченность I:

I=χH

Для диамагнитных материалов величина χ имеет отрицательные значения, для парамагнитных — положительные.

Таким образом, в магнитном поле намагничиваются ферромагнетики. Эти металлы имеют большую магнитную восприимчивость и могут быть намагничены до насыщения в сравнительно малых полях, кроме того, они обладают остаточной намагниченностью, т.е. сохраняют магнитные свойства после снятия магнитного поля.

Ферромагнетики обладают магнитным гистерезисом (рис. 3.21). При приложении магнитного поля намагниченность возрастает по кривой ОС сначала за счет увеличения напряженности поля Н и увеличения собственной намагниченности материала. Сумма двух этих величин называется магнитной индукцией В, которая измеряется в тесла (1 Тл = 104 Гс (гаусс)): В = Н+ 4πI. После достижения ферромагнетиком намагниченности насыщения (Bs) суммарная намагниченность увеличивается только за счет повышения напряженности поля. При снятии напряженности поля Н размагничивание происходит не по линии ОС — кривой намагничивания, а по линии СОЕ, образуя петлю гистерезиса.

Важными магнитными свойствами материала являются (см. рис. 3.21):

  • остаточная магнитная индукция Вr — значение индукции, сохраняющейся в материале после его намагничивания до насыщения, а затем полного снятия внешнего магнитного поля до нуля (Н = 0); ее представляет отрезок OD на кривой гистерезиса. Другими словами, после снятия магнитного поля ферромагнетик сохраняет магнитные свойства;
  • коэрцитивная сила Нс — напряженность внешнего магнитного поля, имеющая знак, обратный полю, приложенному первоначально, которая необходима для полного размагничивания. Это отрезок ЕО на кривой гистерезиса;
  • магнитная проницаемость ц характеризует способность материала к намагничиванию и зависит от напряженности магнитного поля.

Рис. 3.21. Намагниченность ферромагнетика в зависимости от напряженности магнитного поля

Магнитные характеристики материалов устанавливают специальными методами — баллистическим, магнитометрическим и др.

Различные сочетания магнитных свойств материалов определяют их применение (см. подразд. 8.3). В электротехнике, приборостроении и других отраслях требуются немагнитные (парамагнитные) материалы. К таким относятся цветные металлы (медь, алюминий и сплавы на их основе), а также аустенитные стали (см. подразд. 8.1).

Тепловые свойства.

Теплопроводность материала характеризует его способность передавать тепловую энергию от одной части к другой, если между ними возникает разница температур.

Выделим в твердом теле (рис. 3.22) две параллельные плоскости на расстоянии l и возьмем два равных сечения с площадью S. Пусть одно из сечений имеет температуру t1 а другое — t2, если t1> t2, то поток теплоты перемещается по направлению стрелки. Количество переданной теплоты Q будет прямо пропорционально разности температур (t1 - t2), сечению S и времени т и обратно пропорционально длине l.

Таким образом, Q = λS(t1 - t2)/l, где λ — удельная теплопроводность, зависящая от природы материала, она определяет количество теплоты, которое проходит через тело сечением 1 см2, длиной 1 см за 1 с. Удельная теплопроводность λ измеряется в кал/(с ⋅ см ⋅°С) или Вт/(м ⋅ К) (1 кал/(с ⋅ см ⋅°С) = 0,0024 Вт/(м⋅К)).

Величина теплопроводности в конкретных условиях λ1 , зависит от температуры:

λ 1 = λ 0(1 + αТ),

где λ0, — удельная теплопроводность при 0°С; α — коэффициент температуропроводности; Т — температура.

Для определения теплопроводности испытуемый материал помещают одним концом в нагревательное устройство, обеспечивающее постоянную температуру, а вторым — в водяной калорифер, служащий холодильником. По нагреву воды судят о количестве теплоты Q, прошедшей за время х. Измеряя разность температур (t1 - t2) в двух точках, расстояние между ними l и площадь сечения, определяют величину λ.

Металлический тип связи определяет высокую теплопроводность металлов, У неметаллических материалов с ионной или ковалентной связью теплопроводность на один - два порядка ниже.

Большая разница в теплопроводности материалов находит применение в технике и быту. Теплоизолирующими свойствами обладают неметаллические материалы, в случае необходимости отвода теплоты используют металлы, так как они обладают высокой теплопроводностью.

Термоэлектрические свойства. Первый термоэлектрический эффект (эффект Зеебека) заключается в следующем: если два проводника из различных металлов соединить концами и места контакта (спаи) нагреть до различных температур, то в контуре возникнет электродвижущая сила термоЭДС и пойдет термоэлектрический ток.

Величина термоЭДС (Е) зависит от разности температур холодного и горячего спаев и природы материалов:

Е=аТ+ bТг + сТ3,

где Т — температура; а,b,с — коэффициенты, зависящие от свойств материалов.

Этот эффект используется для определения температур с помощью термопар. Термопара представляет собой спай двух разнородных проводников, для которых экспериментально установлена зависимость величины термоЭДС от разности температур холодного и горячего спаев (термопара проградуирована). При измерении температуры один из спаев термопары помещается в место, где необходимо измерить температуру. Замеряя термоЭДС и сравнивая полученные значения с проградуированной характеристикой термопары, определяют температуру.

Термическое расширение. При нагреве материалов наблюдается тепловое расширение. Его величину оценивают с помощью температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) а. Это безразмерная величина, равная относительному изменению длины. Температурный коэффициент теплового расширения определяют методом дилатометрического анализа. Изменения длины ∆l в зависимости от температуры t регистрируют механическими, оптическими, электрическими дилатометрами.

Зависимость расширения металлов от температуры носит криволинейный характер (рис. 3.23). Из приведенной зависимости видно, что величина коэффициента α возрастает при повышении температуры.

Рис. 3.23. Расширение металла в зависимости от температуры

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.