книги из ГПНТБ / Ейльман, Л. С. Проводниковые материалы в электротехнике

а)

ММ £ j °/о

ношении ползучести при низких напряжениях и высоких темпера­ турах.

Предел упругости характеризует упругие свойства металла, т. с. то напряжение растяжения, которое может выдержать металл без необратимого (пластического) изменения своих размеров. В боль­ шинстве случаев при расчетах прочности твердых металлов пре­ небрегают пластическими деформациями и определяют допустимые нагрузки в зависимости от предела прочности материала. Допусти­ мые напряжения в некоторых случаях могут превысить предел упругости. Для мягкого и твердого состояния металла пределы упругости резко различны.

В условиях эксплуатации на проволоку действуют нагрузки различного характера, они вызывают переменные напряжения (сжа­ тие, растяжение), многократно изменяющиеся во времени. Опыт показывает, что металл в таких случаях разрушается при напряже­ ниях, меньших, чем предел прочности и предел упругости.

Свойство металлов разрушаться под действием переменных напряжений по истечении некоторого срока службы называется усталостью металлов. Способность металлов выдерживать большое число смен (циклов) переменных напряжений без разрушения назы­ вается выносливостью или циклической прочностью.

Цикл, в котором наибольшее и наименьшее напряжения равны по значению, но противоположны по знаку (растяжение и сжатие), называется симметричным. Если равенство напряжений по абсолют­ ному значению отсутствует, то цикл является асимметричным.

От амплитуды (наибольшего напряжения) зависит число цик­ лов до разрушения. Наибольшее по абсолютному значению напря­ жение, ниже которого металл не разрушается даже при неограничен­ но большом числе циклов, называют пределом цикличности или усталостной прочности и при симметричном режиме обозначают cr_i.

Кривая усталости имеет асимптотический характер, приближаясь к пределу усталостной прочности. Поэтому, если металл выдерживал базовое число циклов, обычно равное 2-106, то можно утверждать, что он выдержит то же напряжение и при значительно большем числе циклов [Л. 14].

Последний вывод не распространяется на пластичные цветные металлы, так как их кривая усталости не имеет асимптоты даже после 108 циклов и непрерывно понижается. Поэтому для пластич­ ных металлов определяются ограниченные пределы выносливости,

Растягивающие напряжения, прикладываемые к изгибаемому образцу, обычно создают асимметричный цикл и резко снижают предел выносливости. Наличие концентрации напряжений также снижает предел выносливости. Чувствительность к концентрациям напряжений повышается с ростом предела прочности металла. Этим объясняется изменение кривой выносливости в коррозионной среде.

На рис. 7,а приведены кривые выносливости проволоки диамет­ ром 0,1 мм из разных металлов и сплавов; зависимость дана не для напряжений, а для радиуса изгиба,

22

Напряжение может быть рассчитано по формуле.

с помощью устройства, вращающего проволоку в канале заданного радиуса. Эти испытания проводились при заданной амплитуде де­ формации и по своим условиям близки к условиям работы провод­ ников при вибрациях, вызванных рабочими нагрузками и способом крепления проводника.

Рис. 8. Схемы испытаний проволоки на динамическое действие нагрузок.

шлейфа; Rq— сопротивление регулировки тока шлейфа, включенного последовательно с образцом проволоки для ре­ гистрации момента ее обрыва; Г\, Г2— осциллографические гальванометры, регистрирующие путь груза и момент обры­ ва образца.

При действии вибрации с частотой f и ускорением g на про­ водник, закрепленный как струна, радиус его изгиба R можно определить, если известна максимальная амплитуда прогиба, кото­ рая зависит от частоты и ускорения: А =250 g/f2. Значение R определяется тогда как радиус дуги, имеющей высоту А, мм.

Небольшие перегрузки от возникающих дополнительных напря­ жений или отдельные мелкие дефекты поверхности увеличивают кру­ тизну кривой выносливости, но не снижают предел выносливости.

При воздействии окружающей среды на материал проводника предел выносливости уменьшается, а чувствительность к радиусу изгиба увеличивается.

23

На рис. 7,6 показаны типичные кривые выносливости медной проволоки с различными покрытиями, предварительно прошедшей длительный период старения в разных средах. Такие кривые не име­ ют ясно выраженного предела выносливости.

При испытаниях на двойные перегибы вокруг цилиндрической опоры диаметром 5 мм с нагрузкой 200 гс получаются совсем другие

Рис. 9. Записи пути падающих грузов, растягивающих мяг­ кие медные проволоки ,при весе груза.

/ — сила тяжести 447 гс; 1— 282 гс; 3 — 232 гс; 4 — 182 гс; 5 — 132 гс.

Рис. 10. Графики скоростей деформации проволоки.

24

результаты, характеризующиеся значительным разбросом (рис. 7,в). Эго связано с тем, что возникающие напряжения вызывают пласти­ ческие деформации и являются асимметричными.

Для проволоки характерно испытание на длительность сопро­ тивления ударной нагрузке. Схема прибора для таких испытаний показана на рис. 8,а. Падающий груз 2, соприкасаясь с упором 6,

Г л а в а в т о р а я

ПРОВОДНИКОВЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

4. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЕДИ

Для токопроводящих жил проводов применяют электролитическую (катодную) медь, которую переплав­ ляют в слитки, причем медь в процессе электролиза обо­ гащается кислородом. Применяющаяся в электротехни­ ке медь по содержанию химических примесей подразде-

25

ляется на марки МО и Ml, а по механическим свойствам — на МТ (медь твердая неотожженная) и ММ (мягкая отожженная). Химическая неоднородность меди, используемой в электротехнике, показана в табл. 1; физические характеристики даны в табл. 2.

Все шире используется медь особой чистоты и одно­ родности, получаемая бескислородной и вакуумной плавкой.

Бескислородная медь (99,97% Си), свободная от кислорода и окислов меди, по механической прочности (в твердом и мягком состоянии) и электрической про­ водимости не отличается от электролитической меди, пе­ реплавленной обычным способом. Ее существенным пре­ имуществом является высокая пластичность. Бескисло­ родная медь получается в результате плавления в защитной атмосфере восстановительного газа СО, что предотвращает взаимодействие меди с кислородом воз­ духа. Из бескислородной меди можно получить тончай­ шую проволоку для эмалированных и обмоточных про­ водов повышенной однородности. Однородность прово­ локи достигается скальпированием, устраняющим по­ верхностные дефекты, плёны, заусеницы, которые приво­ дят к повышенной обрывности проволоки при дальней­ шем тончайшем волочении. Такую технологию приме­ няют фирмы Сежедюр, Маффит (Франция) и др.; они изготовляют слитки из бескислородной меди методом не­ прерывного литья с последующим скальпированием ка­ танки.

Вакуумная медь получается плавкой в вакууме и отличается от бескислородной еще меньшим содержани­ ем примесей. Плавка в вакууме может вестись при раз­ личных остаточных давлениях и условиях нагрева. Обычно используют индукционные или электронно-луче­ вые печи при остаточном давлении 1 -10-5 мм рт: ст. Плавкой в вакууме можно получить медь чистотой

99,99%.

Рассмотрим влияние некоторых примесей. Снижение электрической проводимости от примесей показано на рис. 12. Кислород является вредной примесью, так как при повышенном его содержании заметно ухудшаются механические и технологические свойства меди, а также затрудняются пайка и лужение. Медь, содержащая бо­ лее 0,1% кислорода, легко разрушается при горячей об­ работке давлением, т, е. обладает красноломкостью,

26

•Температурный коэффициент линейного расширения.

Небольшие добавки мышьяка парализуют вредное дей­ ствие кислорода, но могут значительно снизить электри­ ческую проводимость.

Кислород влияет также на рекристаллизацию меди. Рекристаллизация деформированной меди в зависимости

рекристаллнзуется при 100 °С. Если размер зерна состав­ ляет 0,8 мкм и деформация равна 95%, то спонтанная рекристаллизация происходит при температуре окру­ жающей среды. Во влажном воздухе медь тускнеет изза образования на ее поверхности красной закисиСи20з; при нагреве образуется СиО, а в присутствии углекис­ лого газа — зеленый налет основного карбоната СиСОзСи(ОН).

28

а )

Рис. 12. Зависимость электрической проводимости меди от содержа­ ния примесей.

а — при малом содержании примесей; б и в — при большом содержании при­ месей.

29

Водород оказывает значительное влияние на медь, существенно изменяя ее механические свойства; напри­ мер, твердость электроосажденной меди по Бринеллю Нв достигает 160 кгс/мм2, в то время как для отожжен­ ной меди Нв—40 кгс/мм2. Особенно разрушительное действие водород оказывает на медь, содержащую кис­ лород. Такая медь после отжига в водороде или в восстановительной атмосфере, содержащей водород, делается хрупкой и растрескивается (водородная бо­ лезнь).

Сущность этого явления заключается в том, что во­ дород, легко проникающий в медь при повышенных тем­ пературах, вступает в реакцию с кислородом закиси ме­ ди с образованием водяных паров. Эти пары не могут диффундировать, не диссоциируют при этих условиях и, имея очень высокое давление, легко разрушают медь. В меди, содержащей менее 0,001 % кислорода и отож­ женной в атмосфере водорода, водородной болезни практически нет. Но водород является причиной хруп­ кости и бескислородной меди, что обусловлено распа­ дом при нагреве твердого раствора его в меди и обра­ зованием пористости.

Наличие водорода приводит к снижению пластично­

температуры происходит распад твердого раствора ме­ талл ■— газ, причем этот распад начинается при 200 °С. Выделяющийся газ, находясь под большим давлением, разрывает металл и скапливается главным образом по границам зерен. При растяжении металла эти места ста­ новятся слабыми участками. С понижением температуры наблюдается обратный процесс.

Свинец затрудняет горячую обработку меди давлени­ ем, но облегчает обработку резанием. Серебро как при­ месь почти не влияет на электрические и механические свойства меди, но повышает температуру начала рекри­ сталлизации при отжиге. Сурьма является вредной при­ месью, она снижает пластичность, электрическую прово­ димость, теплопроводность. Сера незначительно влияет на электрическую проводимость и теплопроводность, по резко снижает пластичность при горячей и холодной об­ работке давлением {Л. 15— 17].

Медь образует твердые растворы при любых концент­ рациях с Ni, Pd, Pt, Au. К элементам, не смешивающим-

30