6 Лабораторная работа №2. Исследование свойств проводящих сплавов

Цель работы: изучение закономерностей изменения электрических свойств двухкомпонентных сплавов в зависимости от их состава.

В первой части лабораторной работы рассматриваются две группы сплавов, имеющие разный фазовый состав.

К первой группе относят такие сплавы, компоненты которых А и В неограниченно растворяются друг в друге, постепенно заменяя друг друга в узлах кристаллической решетки, образуют непрерывный ряд твердых растворов от одного чистого компонента сплава до другого. Любой сплав этого типа в твердом состоянии является однофазным, состоит из одинаковых по составу зерен данного твердого раствора. Примером сплавов твердого раствора являются системы медь-никель Cu-Ni, германий-кремний Ge-Si и др. Ко второй группе относятся сплавы, компоненты которых практически не растворяются друг в друге, каждый из компонентов образует свое собственное зерно. Сплав в твердом состоянии является двухфазным; такие сплавы получили название механических смесей. Примерами сплавов типа механических смесей являются системы медь-серебро Cu-Ag, олово-свинец Sn-Pb и др.

При образовании сплавов типа механических смесей (рисунок 10,а) свойства меняются линейно (аддитивно) и являются средними между значениями свойств чистых компонентов. При образовании сплавов типа твердых растворов (рисунок 10,б) свойства меняются по кривым с максимумом и минимумом.

Рисунок 10 - Закономерности Н.С.Курнакова. Связь между фазовым составом сплавов и его свойствами

Основными электрическими свойствами металлов и сплавов являются: удельное электрическое сопротивление ρ, мкОм; температурный коэффициент сопротивления ТКС, град^-1.

Удельное электрическое сопротивление проводника конечной длины l и поперечного сечения Sвыражается известной зависимостью

(19)

Удельное сопротивление проводниковых материалов невелико и лежит в пределах 0,016-10 мкОм.м.

Удельное электрическое сопротивление различных металлических проводников в основном зависит от средней длины свободного пробега электрона λ в данном проводнике:

где µ= 1/λ - коэффициент рассеяния электронов.

Рассеивающими факторами при направленном движении электродов в металлах и сплавах служат положительные ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки. В чистых металлах с наиболее регулярной, неискаженной кристаллической решеткой, где положительные ионы закономерно расположены в пространстве, рассеяние электронов невелико и определяется, главным образом, амплитудой колебаний Ионой в узлах решетки, для чистых металлов ρ≈ А·µ_тепл. где µ_тепл. - коэффициент рассеяния электронов на тепловых колебаниях решетки. Этот механизм рассеяния электронов получил название фононного рассеяния на тепловых колебаниях решетки.

С ростом температуры Т амплитуда колебаний положительных ионов в узлах решетки увеличивается, увеличивается рассеяние направленно движущихся под действием поля электронов, средняя длина свободного пробега λ падает, а сопротивление растет.

Величина, оценивающая рост сопротивления материала при изменении температуры на один градус, получила название температурного коэффициента электрического сопротивления ТКС:

(20)

где R₁- сопротивление образца, измеренное при температуре T₁; R₂- сопротивление того же образца, измеренное при температуре T₂.

В работе изучаются две системы сплавов: система Cu-Ni, где компоненты сплавов (медь и никель) удовлетворяют всем условиям неограниченной растворимости друг в друге в твердом состоянии, поэтому любой из сплавов в этом системе после окончания кристаллизации будет однофазным твердым раствором (рисунок 10,а), и система Cu-Ag, компоненты которой (медь и серебро) не удовлетворяют условиям неограниченной растворимости, их растворимость невелика даже при высоких температурах (не превышает 10%), а при температурах ниже 300⁰С настолько мала, что можно считать, что она отсутствует и любой сплав состоит из механической смеси зерен меди и серебра (рисунок 10,б).

Рассмотрим ход кривой ρ для твердых растворов. По мере добавления к любому из чистых компонентов другого компонента сплава, нарушается равномерность в строгом расположении положительных ионов одного сорта , что наблюдается в чистых металлах в узлах кристаллической решетки. Следовательно, рассеяние электронов в сплаве типа твердого раствора всегда больше, чем в любом из чистых компонентов за счет искажения кристаллической решетки чистых компонентов или, как говорят, за счет увеличения дефектности кристаллической решетки, так как каждый вводимый атом иного сорта по сравнению с чистым компонентом есть точечный дефект.

Отсюда получается, что для сплавов типа твердого раствора добавляется еще один вид рассеяния электронов – рассеяние на точечных дефектах и удельное электрическое сопротивление

(21)

Так как все значения ρ принято оценивать при Т=20⁰С, то определяющим фактором для сплавов типа твердых растворов является рассеяние на точечных дефектах. Наибольшие нарушения правильности кристаллической решетки наблюдаются в области пятидесятипроцентной концентрации компонентов, кривая ρ имеет в этой области максимальное значение. Из соотношения 20 видно, что температурный коэффициент сопротивления ТКС обратно пропорционален сопротивлению R, а следовательно удельному сопротивлению ρ; кривая ТКС имеет min в области пятидесятипроцентного соотношения компонентов.

Во второй части лабораторной работы рассматриваются сплавы с высоким удельным сопротивлением. К таким материалам относятся сплавы, имеющие при нормаль­ных условиях удельное электрическое сопротивление не менее 0,3 мкОм·м. Эти материалы достаточно широко применяются при изготовлении различных электроизмерительных и электронагре­вательных приборов, образцовых сопротивлений, реостатов и т.д.

Для изготовления электроизмерительных приборов, образцовых сопротивлений и реостатов применяются, как правило, сплавы, отличающиеся высокой стабильностью удельного сопротивления во времени и малым температурным коэффициентом сопротивле­ния. К числу таких материалов относятся манганин, константан и нихром.

Манганин - это медно-никелевый сплав, содержащий в среднем 2,5... 3,5% никеля (с кобальтом), 11,5... 13,5% марганца, 85,0... 89,0% меди. Легирование марганцем, а также проведение специальной термообработки при температуре 400° С позволяет стабилизировать удельное сопротивление манга­нина в интервале температур от -100 до +100°С. Манганин имеет очень малое значение термо-ЭДС в паре с медью, высокую стабиль­ность удельного сопротивления во времени, что позволяет широ­ко использовать его при изготовлении резисторов и электроизме­рительных приборов самых высоких классов точности.

Константан содержит те же компоненты, что и манганин, но в иных соотношениях: никель (с кобальтом) 39... 41%, марганец 1 ...2%, медь 56,1 ...59,1%. Его удельное электрическое сопротивление не зависит от температуры.

Нихромы - сплавы на основе железа, содержащие в зависимос­ти от марки 15...25% хрома, 55...78% никеля, 1,5%марганца. Они в основном применяются для изготовления электронагревательных элементов, так как обладают хорошей стойкостью при высокой температуре в воздушной среде, что обусловлено близкими значе­ниями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок.

Среди сплавов с высоким сопротивлением, которые (кроме них­рома) широко используются для изготовления различных нагрева­тельных элементов, необходимо отметить жаростойкие сплавы фехрали и хромали. Они относятся к системе Fe-Cr-Al и содер­жат в своем составе 0,7% марганца, 0,6% никеля, 12... 15% хрома, 3,5...5,5% алюминия и остальное - железо. Эти сплавы отличают­ся высокой стойкостью к химическому разрушению поверхности под воздействием различных газообразных сред при высоких тем­пературах.