Металлы и сплавы используют в производстве электроустановок в качестве как конструкционных, так и электротехнических материалов. Первые применяют для изготовления корпусов приборов и аппаратов ,шасси, органов управления и т.д. Вторые применяют в качестве проводниковых и машинных материалов, изготавливая из них провода и кабели, сердечники трансформаторов, дросселей, катушек индуктивности и т.д.
Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропроводность. Они имеют характерный металлический блеск. Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают напряжение и деформация.
Напряжение σ, кгс/мм – это нагрузка (сила) Р , отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения F образца: σ=Р/F
Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадки и т.д. Деформация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки).
Прочность – это способность металлов оказывать сопротивление деформации или разрушению статическим , динамическим или знакопеременным нагрузкам. Прочность металла при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатия, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталой прочностью.
Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками (рис.1):
- Предел прочности на разрыв (σв) – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Рв, предшествующей разрушению образца: σв=Рв/Fо. Эта характеристика является обязательной для металла.
- Предел пропорциональности (σпц)- это условное напряжение Рпц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости между деформацией и нагрузкой: σпц= Рпц/Fо
- Предел текучести (σт) – это напряжение Рт, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки: σт=Рт/Fо
Пластичность – свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять измененную форму после снятия этих сил. Ее характеристиками являются относительное удлинение перед разрывом б и относительное сужение ψ. Эти характеристики определяют при испытании металла на растяжение, а их численные значения вычисляются по формулам
Упругость- свойство металла восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость – свойство, обратное пластичности.
Твердость- способность металла оказывать сопротивление проникновению в них более твердого тела. Производят испытание по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Польди и на микротвердость.
По Бринеллю – в испытуемый образец с определенной силой вдавливают закаленный стальной шарик диаметром D=10,5 или 2,5 мм. Число твердости по Бринеллю – HB, характеризуется отношением нагрузки Р, действующей на шарик, к поверхности отпечатка F, мм.
Чем меньше диаметр отпечатка d, тем больше твердость образца. D и Р выбирают в зависимости от материала и толщины образца. На практике определяют не F, а диаметр отпечатка (лунки) из таблицы определяют твердость в НВ. Этим методом определяют твердость незакаленных проволок, отливок и деталей, изготовленных из стального проката твердостью до НВ 450 (4500 МПа). При большей твердости шарик деформируется.
По Роквеллу – в испытуемый образец вдавливают специальный алмазный конус, угол вершины которого 120 ,или закаленный шарик d=1,588 мм. В этом случае измеряют не диаметр отпечатка, а глубину вдавливания.
Вязкость – это способность металла оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость – это свойство, обратимое хрупкости. Многие детали в процессе работы испытывают не только статические нагрузки, но подвергаются также ударным нагрузкам. Удельное сопротивление удару – это удельная ударная вязкость ,характеризуется работой, израсходованной на разрушение образца. Значение вычисляют по формуле, или =Ан/F, Ан=G(H-h) – работа удара, измеряются в кгс∙м или в Дж; G- вес маятника копра, кгс; Н – высота подъёма маятника перед ударом, м ; h- высота, на которую поднимается маятник с другой стороны опор после удара, м; F- площадь поперечного сечения образца в надреза, см.
Хрупкость металла в условиях низких температур называется хладноломкостью. К хладноломким металлам можно отнести металлы с решеткой объемноцентрированного куба. Испытания на ударную вязкость при низких температурах позволяют получить хрупкое разрушение металла в результате одновременного действия надреза, повышенной скорости деформирования и температуры. На рис.3,а представлено температурное изменение ударной вязкости хладноломкой стали. Как видно из рисунка, снижение ударной вязкости происходит в некотором интервале температур. Внутри этого интервала могут быть хрупкие и вязкие изломы.
Характер падения ударной вязкости напоминает порог, что привело к выражению «порог хладноломкости». Температура, при которой происходит определенное падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости.
Усталостная прочность. Некоторые детали (валы, шатуны, рессоры, пружины, рельсы) в процессе эксплуатации испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно по величине и направлению (знаку). Под действием таких знакопеременных нагрузок металл как бы устаёт, прочность его понижается и деталь разрушается. Это явление называется усталостью металла, а образовавшиеся изломы – усталостными. Для таких деталей необходимо знать предел выносливости, т.е. величину наибольшего напряжения, которое металл может выдержать без разрушения при заданном числе переменной нагрузки (циклов) N. Для деталей из стали условно принято N=5 млн., а из цветных сплавов - N=20 млн. циклов. Предел выносливости определяют на машинах с пульсирующим нагружением или с изгибом при вращении. Величина предела выносливости зависит от степени загрязненности металла неметаллическими включениями, структуры металла, состояния поверхности, формы и размеров образца, наклепа и др.
Износостойкость – сопротивление металла изнашиванию вследствие процессов трения . Это важная характеристика, например, для контактных материалов и, в частности, для контактного провода и токосъёмных элементов токоприёмника, электрифицированного транспорта.
Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а вязкость характеризует надёжность этих деталей.