Поверхностный эффект у металлов

Поверхностное сопротивление проводников R_s на высоких частотах существенно больше их сопротивления на постоянном токе вследствие того, что высокочастотное поле проникает в проводник на небольшую глубину. Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. Это явление получило название поверхностного эффекта. За глубину проникновения тока в проводник на данной частоте условно принимают глубину, на которой плотность тока уменьшается в 2,7 раза по сравнению с ее значением на поверхности проводника.

 

Механические свойства

К механическим свойствам относят твердость, упругость, вязкость, пластичность, линейное расширение, хрупкость, прочность, усталость.

1) Твердость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.

Существуют различные методы определения твердости: вдавливание, царапание, упругая отдача. Наибольшее распространение получил метод вдавливания в материал стального шарика (твердость по Бриннелю), вдавливания конуса (по Роквеллу), вдавливания пирамиды (по Виккерсу).

Испытания материалов на твердость вдавливанием шарика по методу Бринелля проводят с помощью вдавливания стального закаленного шарика в испытываемый материал под действием нагрузки в течение определенного времени (рис.5). Диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой выбирают по специальным таблицам в зависимости от толщины и твердости материала.

Перед испытанием поверхность детали или образца зачищают напильником или наждачным кругом.

После испытания диаметр отпечатка измеряют при помощи градуированного увеличительного стекла в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Диаметр отпечатка d зависит от твердости материала.

Рис. 5. Схема определения твердости материала по методу Бринелля:

Р - нагрузка; D - диаметр стального шарика; d - диаметр отпечатка; S - толщина образца

 

К недостаткам метода Бринелля относятся:

- невозможность определять твердость проволоки и изделий толщиной менее 3 мм;

- проведение испытаний на контрольных образцах, так как на рабочих деталях остаются заметные следы от вдавливания шарика;

- невозможность испытывать материалы, твердость которых выше твердости стального шарика, так как при этом шарик начинает деформироваться и искажать показания;

- продолжительность процесса испытания.

Твердость материала по методу Роквелла определяют по глубине вдавливания в испытуемый материал стального шарика или алмазного конуса под нагрузкой на твердомерах.

При испытании сначала прикладывают предварительную нагрузку Р ₀, а затем основную – Р ₁. Твердость при этом характеризуется разностью глубин проникновения шарика или алмазного конуса h - h ₀ под нагрузками Р = Р ₁+ Р ₀ и Р ₀ (рис. 6). Шариком определяют твердость мягких металлов, а алмазным конусом - твердых.

К достоинствам метода Роквелла относят:

- измерение твердости в более широком диапазоне;

- пригодность для определения твердости более тонких изделий, чем при методе Бринелля;

- наличие очень малых отпечатков на испытуемом образце.

Рис. 6. Схема определения твердости материала по методу Роквелла:

а - конус, вдавленный под нагрузкой Р ₀; б - отпечаток конуса после снятия нагрузки Р₀; в - конус, вдавленный под нагрузкой Р ₀+ Р ₁, г - отпечаток конуса после снятия основной нагрузки Р ₁

 

Недостатком метода является необходимость подготовки образцов, соответствующих определенным требованиям (толщина образца должна быть не менее 10 глубин вдавливания, диаметр круглых образцов не должен быть меньше 10 мм).

Твердость по методу Виккерса определяют вдавливанием в испытуемый материал алмазной пирамиды под нагрузкой. В результате на поверхности образца остается квадратный отпечаток, длина диагонали которого характеризует твердость материала. Чем больше диагональ, тем ниже твердость. Диагонали измеряют с помощью микроскопа. Твердость по методу Виккерса определяют по таблицам в зависимости от длин диагоналей отпечатка (рис. 7).

Рис. 7. Схемы измерения диагонали отпечатка пирамиды:

а - первоначальное положение штрихов; б - положение штрихов для измерения диагонали отпечатка; 1 - левый штрих; 2 - правый штрих; 3 - отпечаток пирамиды

 

Этим методом можно измерять твердость мягких и твердых материалов при малой толщине образцов и деталей.

Недостатки метода - длительность процесса замера и необходимость тщательной подготовки образца.

2) Упругость - это свойство материала восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил, которые вызывают их изменение.

3) Вязкость - это способность материала оказывать сопротивление динамическим (быстровозрастающим) нагрузкам. Вязкость оценивают с помощью прибора, который называется маятниковым копром. Образец стандартной формы свободно устанавливают на опоры копра. Маятник массой Р поднимают на высоту h ₂ и отпускают. Падая, маятник разрушает образец, который по инерции поднимается на некоторую высоту h _1.

Работа удара в джоулях, затраченная на излом образца,

(5)

4) Ударная вязкость - это способность материала оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Испытаниям на ударную вязкость подвергают те материалы, из которых изготавливают сталь, применяемую в условиях ударных нагрузок. Для проведения такого испытания берут стандартный образец, на котором делают надрез. Испытания образцов проводят на специальных установках - копрах маятникового типа. Образец разрушают с помощью маятника. Ударную вязкость определяют по формуле, зная работу, затраченную маятником на разрушение образца, и площадь поперечного сечения образца в месте надреза:

(6)

где а _н - ударная вязкость, Дж/м²; A _к - работа, затраченная на разрушение образца, Дж; Р - нагрузка, создаваемая массой маятника, Н; H - высота поднятия центра тяжести маятника, м; h - высота поднятия маятника после разрушения образца, м; F _к - площадь поперечного сечения образца в месте надреза, м².

В производственных условиях а _н и А _н определяют по таблицам.

На ударную вязкость не испытывают такие хрупкие материалы, как чугун, силумин, закаленная инструментальная сталь.

5) Пластичность - это свойство материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия этих сил. Для количественной оценки пластичности электроматериалов используют относительное удлинение образца при разрыве и относительное сужение площади поперечного сечения образца .

Относительным удлинением называют отношение абсолютного удлинения образца к его первоначальной расчетной длине l₀, выраженной в процентах:

(7)

где l _р- длина образца после разрыва, м.

Относительным сужением называют отношение абсолютного сужения площади поперечного сечения образца после разрыва к его первоначальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах:

(8)

6) Температурный коэффициент линейного расширения ТКl – это коэффициент, который позволяет определять изменения любых геометрических размеров изделий (длины, ширины, толщины) при нагревании. Однако наиболее легко изменение размеров изделия при нагревании фиксируется по максимальному размеру длины и количественно определяют температурным коэффициентом линейного расширения при данной температуре (1/град):

, (9)

где l ₀ и l _к – геометрические размеры изделий в начале и конце температурного диапазона, T ₀, Т _к – температура в начале и конце диапазона.

Значение ТКl твердых металлов возрастает при повышении температуры и приближении ее к температуре плавления. Минимальные значения ТКl характерны для тугоплавких металлов, которые используют для вакуум-плотных спаев со стеклом, керамикой и другими диэлектрическими материалами.

7) Хрупкость - это способность материалов разрушаться при приложении резкого динамического усилия. У таких хрупких материалов явление пластической деформации не наблюдается, т.е. разрушение образца происходит при равенстве предела текучести , и предела прочности при растяжении . Значения относительного удлинения и относительного сужения для хрупких материалов близки к нулю.

К хрупким материалам относят хром, марганец, кобальт, вольфрам.

8) Прочность - это способность материала сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь. Прочность определяют с помощью статического воздействия (растяжения) на материал на специальных испытательных установках, называемых разрывными машинами. Для испытания на растяжение изготавливают образцы в виде круглых стержней или пластин строго установленных размеров. Образцы закрепляют в зажимах разрывной машины и прикладывают к ним растягивающую нагрузку.

Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести .

, (10)

где F _т - нагрузка, соответствующая физическому пределу текучести, Н; S ₀ - первоначальное сечение образца материала, м².

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке F _п, предшествующей разрушению образца, называется пределом прочности при растяжении :

, (10)

где F _п - нагрузка, соответствующая пределу прочности, Н.

9) Усталость - это разрушение материала под действием небольших повторных или знакопеременных нагрузок (вибраций). Такие нагрузки испытывают, например, контакты, пружины. Под действием многократных повторно-переменных (изменяющихся только по значению) и знакопеременных нагрузок (сжатие и растяжение) металл разрушается при напряжениях, значительно меньших чем предел прочности, т.е. наступает усталость. Свойство металла выдерживать, не разрушаясь, большое число повторных или знакопеременных напряжений называется выносливостью.

Испытания на выносливость проводят на специальных машинах, вращая образцы с одновременным приложением изгибающих нагрузок, создающих растяжение и сжатие.