Основные свойства и характеристики проводниковых материалов

 

Твердые металлические проводники характеризуются высокой электро- и теплопроводностью, что обусловлено особенностями металлической связи между атомами. В качестве проводников применяются также неметаллические материалы (уголь, графит, угольно-графитовые композиции, высокоионизированные газы). Они обладают механическими, физико-химическими и технологическими свойствами.

 

Механические свойства

 

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

1) Твердость

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 стального закаленного шарика диаметром 10,5 или 2,5 мм в испытываемый материал под действием нагрузки в течение определенного времени (рис. 13). 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.

Рис. 13. Схема определения твердости материала по методу Бринелля:

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

 

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

Твердость по методу Бринелля определяется отношением численного значения нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F_OT и измеряется в ньютонах на квадратный метр (Н/м²):

,

где D - диаметр шарика, мм; d - диаметр отпечатка, мм.

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 (450 НВ), 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 диаметром d = 1,59 мм под нагрузкой массой 100 кг или алмазного конуса с углом при вершине 120° при нагрузках 60 и 150 кг на твердомерах.

Рис. 14. Схема определения твердости материала по методу Роквелла:

а - конус, вдавленный под нагрузкой Р₀;

б - отпечаток конуса после снятия нагрузки Р₀; в - конус, вдавленный под нагрузкой Р₀+Р₁

г - отпечаток конуса после снятия основной нагрузки Р₁

 

При испытании сначала прикладывают предварительную нагрузку Р₀, а затем основную – Р₁ Твердость при этом характеризуется разностью глубин проникновения шарика или алмазного конуса h - h ₀ под нагрузками Р=Р₁+Р₀ и Р₀ (рис. 3.2). Эта разность глубин определяется автоматическим индикатором, циферблат которого разделен на 100 делений. Циферблат имеет черную и красную шкалы. При испытаниях шариком отсчет производят по красной шкале и твердость обозначают HRB, при испытании алмазным конусом -по черной шкале и твердость обозначают HRC. Шариком определяют твердость мягких металлов, а алмазным конусом - твердых.

К достоинствам метода Роквелла относят:

- измерение твердости в более широком диапазоне (до 700 НВ);

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

- наличие очень малых отпечатков на испытуемом образце.

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 с углом при вершине 136° 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 HV определяют по таблицам в зависимости от длин диагоналей отпечатка (рис. 15).

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.

 

Рис. 15. Схемы измерения диагонали отпечатка пирамиды: