Билет №23. Электропроводность сплава 2-х металлов. График зависимости сопротивления сплава от процентного содержания его компонентов.

Примеси и нарушения правильной структуры металлов ведут к увеличению их удельного сопротивления. Значительное возрастание  наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют твердый раствор, создают при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.

Зависимость удельного сопро­тивления сплава двух металлов, образующих друг с другом твер­дый раствор, от изменения содержания каждого из них в пределах от 0 до 100 % представлена на рис. 6.4. Кривая ρ имеет максимум соответствующий некоторому определенному соотношению между содержанием компонентов в сплаве. При уменьшении содержания каждого из компонентов  сплава падает, приближаясь к соответствующим значениям  чистых металлов.

Рис 6.4 Зависимость удельного сопротивления сплавов медь-никель от состава

Если же сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию (то есть компоненты сплава не образуют твердого раствора, и искажение кристаллической решетки каждого из компонентов не имеет места), то  сплава приближенно определяется арифметическим правилом смешения.

Билет №24. Медь. Ее сплавы.

К наиболее широко распространенным материалам высокой про­водимости следует отнести медь, алюминий и железо.

Медь. Преимущества меди,обеспечивающие ей ши­рокое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1) малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет меньшее удельное сопротивление, чем медь);

2) достаточно высокая механическая прочность;

3) удовлетворитель­ная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значи­тельно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисле­ние меди происходит только при повышенных температурах;

4) хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в ли­сты, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);

5) относительная лег­кость пайки и сварки.

Марки меди. В качестве проводникового материала используется медь марок Ml и МО. Медь марки Ml содержит 99,9 % Сu, а в общем количестве примесей (0,1 %) кислорода должно быть не более 0,08 % (присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства). Лучшими механическими свойствами обладает медь марки МО, в которой содержится не более 0,05 % примесей, в том числе не свыше 0,02% кислорода. Из меди марки МО может быть изготовлена тонкая проволока.

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий предел прочности при растяжении и малое отно­сительное удлинение при разрыве, а также обла­дает твердостью и упруго­стью при изгибе; проволока из твердой меди несколько пру­жинит. Если же медь подвергать отжигу, т. е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то полу­чится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве и (в соответствии с рассмотренными выше общими закономерностями) более высокую удельную прово­димость (табл. 6.1).

Таблица 6.1 Сравнительные характеристики меди мягкой (ММ) и твердой (МТ)

Параметр	МТ	ММ
Предел прочности при растя­жении σр, МПа, не менее	360 - 390	260 - 280
Относительное удлинение при разрыве l /l, %, не менее	0,5 - 2,5	18 - 35
Удельное сопротивление ρ, мкОм∙м, не более	0,0179 - 0,0182	0,0172-0,0174
Плотность, кг/м3	8 960	8 900

Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления. Влияние отжига на удельное электрическое сопротивление и механические свойства меди иллю­стрирует рис. 6.6.

Рис. 6.6 Зависимость удельного сопротивления ρ и относительного удлинения l /l меди от температуры отжига (продолжительность отжига 1 час).

Твердую медь используют там, где необходимо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и со­противляемость истиранию (для контактных проводов, для шин рас­пределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр.). Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоуголь­ного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важны электрические параметры, гибкость и плас­тичность (не должна пружинить при изгибе), а не прочность.

Сплавы меди. В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оло­вом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь: σ_р бронз может быть 800—1200 МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пру­жин и т. п. Введение в медь кадмия при сравнительно малом сниже­нии удельной проводимости значительно повышает механическую прочность и твердость. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответствен­ного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза (σ_р - до 1350 МПа).

Сплав меди с цинком - латунь - обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пре­делом прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т. п. В соответствии с этим латунь применяют в электро­технике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.

От сплавов для резисторов, помимо высокого удельного сопротивления ρ, требуются высокая стабильность ρ во вре­мени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления ТК_ρ (малая зависимость ρ от температуры) и малый коэффициент термо-ЭДС в паре данного сплава с медью. Наиболее полно этим условиям удовлетворяют два сплава: манганин и константан.

Манганин. Широко применяемый для изготовления образцовых резисторов сплав. Примерный состав его: Сu —85 %, Мn —12 %, Ni — 3 %; название происходит от наличия в нем марганца (латинское manganum). Значение ρ манганина 0,42 - 0,48 мкОм∙м; ТК_ρ весьма мал, (5 - 30)∙10^-6 К^-1; коэффициент термо-ЭДС в паре с медью всего лишь 1 - 2 мкВ/К. Манганин может вытягиваться в тонкую (диаметром до 0,02 мм) проволоку; часто манганиновая проволока выпускается с эмалевой изоляцией. Для обеспечения малого значения ТК_ρ и стабильности ρ во времени манга­ниновая проволока подвергается специальной термообработке (отжиг в вакууме при температуре 550 - 600 °С с последующим медленным охлаждением; намотанные катушки иногда дополнительно отжи­гаются при 200 ^оС. Длительно допустимая рабочая тем­пература сплавов манганина не более 200 °С; механические свойства: σ_р = 450 - 600 МПа, l /l = 15 - 30 %. Плотность манганина 8 400 кг/м³.

Константан - сплав, содержащий около 60 % меди и 40 % никеля; этот состав отвечает минимуму ТК_ρ в системе Сu - Ni при довольно высоком значении ρ. Название «кон­стантан» объясняется значительным постоянством ρ при изменении температуры (ТК_ρ составляет минус (5 - 25)∙10^-6 К^-1 при ρ = 0.48 - 0,52 мкОм∙м). По механическим свойствам константан близок к манганину (σ_р = 400 - 500 МПа, l /l = 20 - 40 %). Его плотность 8 900 кг/м³.

Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагреватель­ных элементов, длительно работающих при температуре 450 °С.

Существенным отличием константана от манганина является высо­кая термо-ЭДС в паре с медью: его коэффициент термо-ЭДС 45 - 55 мкВ/К. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах: при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с мед­ными возникают термоэлектродвижущие силы, которые могут явиться источником ошибок, особенно при мостовых и потенциометрических методах измерений.

Широкому применению константана препятствует также большое со­держание в его составе дорогого и дефицитного никеля.