4.3. Металлические проводниковые материалы.

Носителями электрического заряда в металлах являются электроны. Такие материалы называют проводниками первого рода. По механизму электропроводности в металлах и сплавах различают электронную (Ag, Cu, Au), дырочную (W, Be, Zn) и смешанную (Pb, Al). На проводимость металлов влияют наличие дефектов (дислокации) кристаллической структуры, внутренние напряжения, характер кристаллической структуры (мелко- или крупнокристаллическая структура).

Значения удельного сопротивления ρ в металлах изменяется от 0,0016 (Ag) до ≈ 10 мкОм^.м, т.е диапазон составляет 3 десятичных порядков.

Удельное сопротивление ρ металлов с ростом температуры увеличивается, температурный коэффициент ТКρ = α положительный. Это объясняется тем, что с ростом температуры тепловые колебания атомов кристаллической решётки увеличиваются и тем самым препятствуют перемещению электронов.(а в расплавах?) ТКρ чистых металлов в твёрдом состоянии приблизительно составляет 1/273 = 0,00367 К^-1. Удельное сопротивление при , любых температурах вычисляется по формуле ρ_t = ρ₀ (1 + αΔt). (4.1)

Наименьшее значение ρ имеют чистые металлы. Следует отметить, что чистые металлы обладают и большей пластичностью, чем сплавы. Примеси искажают кристаллическую решётку, делают её напряжённой и тем самым повышают прочность σ и уменьшают удлинение при разрыве ε. Так, чистая медь имеет предел прочности при растяжении 220 МПа и удлинение 60%, а бериллиевая бронза ( ≈ 2% Ве) – 1350 МПа и 1,5 % соответственно.

При изменении температуры металлы (как и все материалы) изменяют свои линейные размеры в соответствии с типичным уравнением : ℓ_t = ℓ₀ (1 + α₁ Δt). Здесь α₁ – температурный коэффициент линейного расширения ТК_ℓ . Величина ТК_ℓ связана с температурой плавления Т_пл металла – чем выше Т_пл, тем ниже ТК_ℓ. Между ТКR, ТКρ и ТК_ℓ существует простое соотношение

ТКR = ТКρ - ТК_ℓ. (4.2)

Присутствие примесей повышает ρ металла независимо от ρ примеси. Например, если в медь вводить серебро, имеющее ρ ниже, чем ρ меди, ρ сплава всё равно повышается. Для регулирования ρ в широком диапазоне чаще всего используют сплавы со структурой твёрдых растворов, механических смесей, а также химических соединений – так называемых интерметаллических соединений. Наш соотечественник академик Курнаков Н.С. сформулировал четыре правила.

1. Если при сплавлении компонентов образуется сплав со структурой механической смеси (рис.2.12), то свойства сплава с изменением состава изменяются по прямолинейному закону.

2. Если компоненты при сплавлении образуют непрерывный ряд твёрдых растворов (рис.2.5), то свойства изменяются по криволинейному закону.

3. Если при сплавлении компонентов образуются ограниченные твёрдые растворы (рис. 2,13), то в той части, где имеет место однофазная область твёрдых растворов, свойства изменяются по криволинейному закону, а в многофазных областях – по прямолинейному.

4. Если компоненты смеси образуют химические соединения (рис.4.3), то составу химического соединения соответствует максимум или минимум на кривой изменения свойств, а точки излома называют сингулярными

точками.

а 100% Cu 100% Ni

б 100% Mg 100% Zn

в 100% Cu 100% W

Рис.4.5. Зависимость параметров металлических сплавов различной структуры от состава. а – сплав Cu – Ni; б - сплав Mg – Zn; точка 2 – MgZn ; 3- Мg₂Zn₃; 4 – MgZn₄; 5 – MgZn₆; в – сплав Cu – W.

По диаграммам состояния можно прогнозировать и технологические свойства сплавов. Так, чем больше расстояние между линиями ликвидуса и солидуса, т.е., чем больше температурный интервал криталлизации, тем больше склонность сплава к ликвации, больше пористость, склонность к образованию трещин в отливках. Лучшими литейными свойствами обладают эвтектические сплавы. Эти же сплавы имею лучшую обрабатываемость резанием и дают наилучшую чистоту поверхности. А однофазные сплавы (твёрдые растворы) лучше деформируются в холодном и горячем состоянии.