1tom085

5. MATERIAŁOZNAWSTWO ELEKTROTECHNICZNE 172

5.2. Materiały przewodzące

5.2.1. Wiadomości wstępne

Materiał przewodzący — substancja, której konduktywność mierzona w temperaturze 20°C wynosi y₂₀ 3* 10" S/m (rezystywność q₂₀ ^ 10"⁶ fl-m).

Metal — substancja złożona z jednego podstawowego pierwiastka (będącego metalem) oraz różnego rodzaju zanieczyszczeń, zarówno metalicznych, jak i niemetalicznych.

Stop—substancja o cechach metalicznych składająca się z dwóch lub więcej pierwiastków, z których na ogól jeden, użyty w przeważającej ilości jest metalem. Nazwę stop stosuje się potocznie do tych substancji, których kompozycje tworzy się w stanie ciekłym. Szczególny przypadek stanowią spieki złożone z metali w sobie nierozpuszczalnych (pseudostopy) lub trudno rozpuszczalnych. Spieki otrzymuje się metodą metalurgii proszków (ceramiki metali). Właściwości mechaniczne stopów są zazwyczaj lepsze niż metali, kosztem jednak pogorszenia na ogól takich właściwości jak konduktywność, przewodność cieplna i podatność na obróbkę plastyczną.

Materiały przewodzące znajdują zastosowanie jako materiały przewodowe, oporowe i stykowe. Osobną grupę stanowią materiały przewodzące stosowane w ogniwach termoelektrycznych, tcrmobimetale oraz spoiwa.

5.2.2. Ogólne właściwości metali i stopów

5.2.2.I. Właściwości mechaniczne

Metal lub stop poddany naprężeniu mechanicznemu odkształca się sprężyście, a po przekroczeniu pewnej wartości naprężenia — plastycznie. Odkształcenie sprężyste polega na sprężystym (odwracalnym) odkształceniu sieci krystalicznej. Odkształcenie plastyczne natomiast — na nieodwracalnym przemieszczeniu się jednej części kryształu względem drugiej, zwanym poślizgiem. W materiale polikrystalicznym przemieszczenie to następuje wewnątrz ziaren.

Odkształcenie plastyczne powoduje zarówno zmiany mikrostruktury materiału, jak i wystąpienie naprężeń wewnętrznych. Skutki te określa się mianem zgniotu Z. Miarą zgniotu jest zazwyczaj procentowa zmiana wymiarów odkształconego metalu, np.

Z =    ¹⁰⁰    (5-D

“o

gdzie: S₀ i S — przekrój próbki odpowiednio przed i po procesie odkształcania.

Pod wpływem zgniotu właściwości materiału ulegają następującym zmianom:

—    zwiększa się wytrzymałość na rozciąganie R_r i granica sprężystości oraz twardość, a w materiałach magnetycznych ponadto natężenie powściągające H_cB i stratność wskutek histerezy p_h;

—    maleje wydłużenie do zerwania, konduktywność, odporność na korozję, a w materiałach magnetycznych również indukcja nasycenia

W miarę postępującego odkształcenia plastycznego zwiększa się opór materiału przeciw’ dalszym zmianom kształtu. Zjawisko to nosi nazwę umocnienia materiału. Właściwości mechaniczne metali określa się charakterystyką naprężenia rozciągającego w funkcji wydłużenia aż do zerwania oraz twardością i udarnością. Podaje się przy tym tzw. wytrzymałość statyczną oraz dynamiczną.

Charakterystyka statyczna naprężenia rozciągającego w funkcji wydłużenia (rys. 5.1) umożliwia wyznaczenie następujących wielkości związanych z wytrzymałością statyczną: R_h — granicy proporcjonalności, (patrz rozdz. 3) określonej jako naprężenie, powyżej którego prawo Hooke’a przestaje być słuszne; R_sr — granicy sprężystości, przy której odkształcenia trwałe nie przekraczają pewnej (umownej) wartości; Q_r — granicy plastyczności (umownej) wyrażonej jako naprężenie odpowiadające wydłużeniu trwałemu 0,2%; R, — wytrzymałości na rozciąganie wyrażonej jako naprężenie, przy której następuje zerwanie próbki.

Wytrzymalość dynamiczna metali jest określana w przypadku szybkich zmian wartości naprężenia rozciągającego lub przy krótkotrwałych obciążeniach; jest ona większa niż wytrzymałość statyczna.

5.2-

MATEKIAł-Y PRZEWODZĄCE

173

Rys. 5.1. Zależność naprężenia metalu c od wydłużenia Al (wg [5.13])

R_r - wytrzymałość na rozciąganie, Q_r granica plastyczności, R_sp — granica sprężystości, R» granica proporcjonalności

Twardość metali określa się trzema metodami: Brinella (PN-78/H-04350), Rockwclla (PN-78/H-04355) i Vickcrsa (PN-78/H-04360). W każdej z tych metod stosuje się odrębną skalę twardości oznaczoną odpowiednio HB, HR, HV.

Udarnośćjest odpornością materiału na dynamiczne gięcie próbki o określonym kształcie. Wyznaczają stosunek pracy zużytej na udarowe złamanie próbki do przekroju w miejscu pęknięcia.

Pod wpływem dużej liczby zmian obciążenia cyklicznie zmiennego następuje zmęczenie metalu, polegające na jego pękaniu. Może ono wystąpić nawet wówczas, gdy nie są widoczne odkształcenia plastyczne. Zgniot metalu powoduje wzrost zarówno wytrzymałości na rozciąganie, jak i twardości, a jednocześnie zwiększenie rezystywności. Skutki zgniotu usuw'a się w procesie rekrystalizacji. Przebieg tego procesu zależy od temperatury. Przy temperaturze T> 0,47) w przypadku czystych metali i 0,67) w- przypadku stopów' (przy czym 7) temperatura topnienia w skali Kelvina) szybkość rekrystalizacji znacznie wzrasta.

Jeśli materiał odkształcony poddać wyżarzaniu, to w miarę podwyższania temperatury w jego strukturze będą zachodzić kolejno następujące zmiany:

—    zanik naprężeń wewnętrznych;

—    powstawanie zarodków now'ych ziaren i ich rozrost;

—    znaczny rozrost ziaren nieodksztalconych kosztem ziaren odkształconych; tworzenie się struktury gruboziarnistej.

Wyżarzanie materiału w zakresie temperatur, w którym następuje wyłącznie stopniowy zanik naprężeń wewnętrznych nosi nazwę wyżarzania odprężającego lub zdrowienia. W czasie zdrowienia właściwości magnetyczne materiału ulegają niewielkim zmianom, zwiększa się natomiast konduktywność i odporność na korozję.

Zjawisko tworzenia się nowych nieodksztalconych ziaren nazwano rekrystalizacją, a temperaturę w której zostaje zapoczątkowany proces rekrystalizacji temperaturą rekrystalizacji 7). Wyżarzanie w temperaturze wyższej niż 7) określa się mianem wyżarzania tekrystalizującego. Wartość 7) danego metalu lub stopu można uznać za wielkość charakterystyczną; zależy ona jednak również od stopnia zgniotu oraz od czystości materiału.

Przemiana struktury drobnoziarnistej w gruboziarnistą, która następuje przy wysokich temperaturach nosi nazwę rekrystalizacji wtórnej. Jest ona procesem niekorzystnym ze względu na powodowane zmiany właściwości mechanicznych. Nadmierny rozrost ziaren jest bowiem przyczyną kruchości materiału. Wynikiem takiej rekrystalizacji jest dalszy wzrost konduktywności.

Wiele półwyrobów (jak np. blachy, druty itp.) produkuje się w kilku stanach umocnienia: w stanie twardym lub bardzo twardym gdy przez duży zgniot w ostatnim stadium produkcji nadaje się materiałowi dużą wytrzymałość mechaniczną i twardość przy malej Plastyczności;

w stanie miękkim — gdy wskutek rekrystalizacji materiał uzyskuje dużą podatność na odkształcenie plastyczne;

w stanie póllwardymi — gdy za pomocą odpowiedniego zgniotu lub (rzadziej) w wyniku