Влияние деформации на сопротивление металлов

Обновлено: 13.05.2024

Как указано выше, при горячей обработке давлением одновременно протекают два процесса, действующие на сопротивление деформации в противоположных направлениях: упрочнение (наклеп) и разупрочнение (рекристаллизация). Оба процесса протекают во времени. Скорость упрочнения определяется скоростью деформации, а скорость разупрочнения — скоростью рекристаллизации, зависящей от температуры металла.

В зависимости от соотношения скоростей деформации и рекристаллизации (упрочнения и разупрочнения) сопротивление деформации при данной температуре изменяется: чем больше скорость деформации, тем больше сопротивление деформации. На сопротивление деформации при данной скорости и температуре влияет степень деформации: чем выше степень деформации, тем больше наклеп и сопротивление деформации.

Учет влияния степени и скорости деформации на сопротивление деформации осложняется тем, что с увеличением степени деформации снижается температура рекристаллизации, повышается выход тепла и температура деформируемого тела; скорость деформации способствует повышению температуры, снижая потери тепла в окружающую среду. Таким образом, скорость и степень деформации прямо повышают сопротивление деформации и косвенно, наоборот, его снижают. При горячен обработке, когда выход тепла невелик, упрочняющее действие обоих факторов преобладает и сопротивление деформации повышается с увеличением степени и скорости деформации.

Для аналитического определения влияния скорости деформации на сопротивление деформации имеется большое число формул.

Если исходить из аналогии пластической деформации тела с течением вязкой жидкости, то зависимость сопротивления деформации от скорости можно выразить уравнением

где — сопротивление деформации при скорости деформации ;

— то же, при статическом испытании;

По формуле (2.5) получаются данные, значительно отличающиеся от экспериментальных данных. Последние не подтверждают линейной зависимости сопротивления деформации от скорости деформации.

Большее приближение к экспериментальным данным может быть получено по формулам:

где m и n — коэффициенты, зависящие от материала, имеющие разное значение в приведенных формулах.

А. И. Целиков [11] вывел зависимость сопротивления деформации от скорости и степени деформации с учетом процессов упрочнения и разупрочнения:

где D — модуль упрочнения без учета разупрочняющих процессов, определяемый выражением

— истинная (логарифмическая) деформация.

Во всех приведенных выше формулах имеются коэффициенты, зависящие от природы металла и имеющие различные значения для разных металлов и сплавов, чтозатрудняет использование этих формул для практических расчетов. Для ориентировочных расчетов С. И. Губкин [3] предложил пользоваться «скоростными коэффициентами», которые позволяют рассчитать сопротивление деформации при данной скорости, если оно известно при другой.

Значения скоростных коэффициентов по С. И. Губкину приведены в табл. 5.

Таблица 2.1. ЗНАЧЕНИЕ СКОРОСТНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ

Изменение скорости деформации	Скоростные	коэффициенты при гомологических температурах
менее 0,3	0,3—0,5	0,5-0,7	более 0,7
В 10 раз » 100 » » 1000 »	1,05—1,10 1,10—1,22 1,16—1,34	1,10—1,15 1,22—1,32 1,34—1,52	1,15-1,30 1,32—1,70 1,52—2,20	1,30-1,50 1,70—2,25 2,20—3,40

Влияние скорости и степени деформации на пластичность изучено еще недостаточно. Обычно с повышением скорости и степени деформации пластичность уменьшается в связи с тем. что не успевают пройти процессы разупрочнения. Однако, учитывая тепловой эффект и то, что температурный интервал превращений при высоких напряжениях смещается по сравнению с данными диаграмм состояния, повышение скорости деформации может увеличить пластичность.

Рассмотрим влияние скорости деформации на сопротивление деформации при холодной обработке давлением. В этом случае рекристаллизация и разупрочнение отсутствуют, происходит только упрочнение. Поэтому можно предположить, что сопротивление деформации не зависит от скорости. Эксперименты показывают очень малую и неоднозначную эту зависимость, которой в практических расчетах обычно пренебрегают.

Тем не менее, рассмотрим причины этой зависимости. При холодной обработке давлением протекает процесс релаксации, заключающийся в том, что в процессе и в результате деформации происходит переход с определенной скоростью упругих деформаций в пластические. Пластическая деформация распространяется внутри тела с меньшей скоростью, чем упругая. Поэтому при больших скоростях деформации доля упругой деформации больше, чем при малых. Чтобы получить заданную степень остаточной деформации при высоких скоростях деформации, нужно назначить большую суммарную деформацию и, следовательно, приложить большее усилие, чем при малых скоростях. По этой причине повышение скорости деформации при холодной обработке давлением увеличивает сопротивление так же, как при горячей.

Однако при холодной обработке давлением большую роль играет выход тепла и повышение в связи с этим температуры деформируемого тела. Повышение температуры может вызвать процесс возврата (отдыха) и, как следствие, разупрочнение. Поэтому повышение скорости деформации при холодной обработке может вызвать как увеличение, так и уменьшение сопротивления деформации в зависимости от интенсивности процессов упрочнения и разупрочнения.

При относительно малых скоростях преобладает фактор упрочнения, а при очень высоких скоростях может преобладать фактор разупрочнения.

Влияние деформации на удельное сопротивление

Большое влияние на удельное сопротивление и механические свойства оказывают дефекты кристаллической решетки, возникшие при холодной обработке металлов давлением (ОМД). В результате пластической деформации, вызванной холодной ОМД, зерна (и блоки в них) удлиняются и измельчаются, возрастает деформация кристаллической решетки и увеличиваются в ней дефекты: возрастает плотность дислокаций и концентрация вакансий, что приводит к улучшению механических свойств — увеличивается твердость и предел прочности на разрыв. Однако удельное сопротивление при этом также увеличивается. При рекристаллизационном отжиге металлов, подвергнутых холодной ОМД, зерна (и блоки в них) будут округляться и укрупняться, кристаллическая решетка выпрямляться, а концентрация дефектов в ней будет уменьшаться. Удельное сопротивление при этом может понизиться до первоначального значения. Одновременно понизится твердость и предел прочности на разрыв.

При упругой деформации удельное сопротивление металлов может как увеличиться, так и уменьшиться. При упругой деформации, вызванной растяжением, амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки увеличатся, в результате уменьшится λ, и возрастет ρ. При упругой деформации, вызванной сжатием, амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки, наоборот, уменьшатся, в результате λ возрастет, а ρ снизится.

Влияние температуры на удельное сопротивление

Концентрация n электронов проводимости в металлических проводниках от температуры не зависит, однако от температуры зависит их подвижность а. С увеличением температуры возрастают тепловые колебания узлов кристаллической решетки и создаются большие препятствия на пути дрейфа электронов, что приводит к снижению их подвижности а; в результате удельная электропроводность γ уменьшается (см. формулу (12.5)).

Величина, на которую изменится удельное сопротивление проводника при изменении его температуры на 1 К, называется температурным коэффициентом удельного сопротивления ТКρ (αρ). Дифференциальное выражение ТКр, К -1 , имеет вид

ТКр=1/ρ dρ /dT. (12.7)

На практике пользуются средним значением ТКр, К~', для определенного интервала температур:

TKρ = 1/ρ1 (ρ2-ρ1) / (T2-T1)

где ρ1 и ρ2 — удельные сопротивления проводника при температурах T1, и Т2 соответственно, при этом Т2 > Т1. У многих металлов ТКρ имеет примерно одну и ту же величину, равную

ТКр ≈ 1/273 ≈ 0,004 К -1 .

Исключение составляют металлы: Fe, Co, Ni, Na, К, Сг и др., У которых ТКρ больше или меньше 0,004 примерно в 1,5—2 раза (см. табл. 12.1).

Как отмечалось выше (см. гл. 10.3.2), у сплавов, образующих

твердые растворы, ТКρ имеет минимальное значение, и в ряде слу-

аев практически равен нулю, что объясняется сильной деформи-

рованностью кристаллической решетки, которая при нагревании

практически дополнительно не деформируется или деформируется очень мало. Поэтому λ и следовательно ρ, изменяются незначц, тельно или не изменяются вовсе. Это свойство используется для получения термически высокостабильных образцовых проволочных резисторов на основе сплавов Cu-Ni, Cu-Ni-Mn, Ni-Cr-Fe и др образующих твердые растворы. Благодаря тому, что у чистых металлов относительно высокий ТКр, их (Си, Ni, Pt,W) используют в качестве термосопротивлений, в системах измерения и регулирования температуры.

Типичная зависимость удельного сопротивления металлических проводников от температуры в широком интервале представлена сплошной линией на рис. 12.5. У идеального металлического проводника при понижении температуры и приближении к 0 К удельное сопротивление стремится к нулю (ветвь а). У технически чистого металлического проводника на небольшом участке 1, составляющем несколько Кельвинов, наблюдается «остаточное» сопротивление рост, величина которого не зависит от температуры, но сильно зависит от наличия примесей. Чем чище металл, тем меньше рост и уже участок 1. На участке1 некоторые металлы могут перейти в состояние сверхпроводимости и удельное сопротивление их становится равным нулю (ветвь б). На участке II для многих металлов при нагревании происходит быстрое увеличение удельного сопротивления р ~Т 5 , где n с ростом температуры плавно изменяется от 5 до 1. Рост удельного сопротивления с температурой на участке II объясняется тем, что при нагревании включаются все новые частоты тепловых колебаний (фононов) кристаллической решетки, на которых рассеиваются носители заряда. При температуре, примерно равной T_θ, спектр колебаний возбуждается полностью. Для большинства металлов температура T_θ лежит в пределах 100—400 К. При дальнейшем повышении температуры (участок III) удельное сопротивление растет практически прямо пропорционально увеличению температуры. На этом участке ρ возрастает, так как при нагревании прямо пропорционально увеличиваются амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки. Для многих металлов, у которых зависимость ρ(T) соответствует сплошной линии на рис. 12.5, на участке III наблюдается слабое отклонение ρ(T) от линейной зависимости. На участке IV начинающемся при Тпл, удельное сопротивление изменяется скачкообразно вверх или вниз. У большинства металлов, объем которых в расплавленном состоянии больше, чем в твердом, удельное сопротивление при плавлении скачкообразно возрастает (ветвь в; табл. 12.2).

У металлов, объем которых при плавлении уменьшается, удельное сопротивление уменьшается также скачкообразно (ветвь г; табл-12.2). У большинства металлов в расплавленном состоянии ТКр положительный (ветви д, е) и лишь у немногих ТКр отрицательный (ветвь ж).

4.Электрофизические процессы в металлических проводниках. Влияние деформации на удельное сопротивление.

В результате пластической деформации зерна измельчаются, возрастает деформации кристаллической решетки и увеличивается количество дефектов, что приводит к увеличению твердости к пределу твердости на разрыв. Удельное сопротивление также увеличивается. При рекристаллизационном отжиге твердость, предел прочности на разрыв и удельное сопротивление понижается до первоначального значения.

При упругой деформации вызванной растяжением амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки увеличиваются, длина свободного пробега уменьшается, удельное сопротивление увеличивается. При упругой деформации вызванной сжатием амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки уменьшаются, длина свободного пробега увеличивается, а сопротивление уменьшается.

5. Электрофизические процессы в металлических проводниках. Влияние температуры на удельное сопротивление металлов.

При увеличении температуры атомы металла совершают колебания около узлов решетки, что вызывает рассеяние электронных волн, приводящее к увеличению электрического сопротивления и уменьшению длинны свободного пробега. Это увеличение может быть выражено зависимостью

—удельное электрическое сопротивление при 0°С.

температурный коэффициент электрического сопротивления равен:

это выражение дает средний коэффициент в температурном интервале 0—t С.

При уменьшении этого интервала (в пределе) до нуля получается истинное значение температурного коэффициента при температуре t

При плавлении электрическое сопротивление изменяется у металлов скачкообразно, например, у меди оно увеличивается, в 2 раза.

6. Электрофизические процессы в металлических проводниках. Влияние размеров проводника на удельное сопротивление.

В металлических проводниках в виде тонких пленок фольги или проволоки образуется мелкозернистая структура. С уменьшением размера зерна увеличивается количество дефектов в структуре металла, удельное сопротивление увеличивается. Для тонких пленок увеличение удельного сопротивления наблюдается при уменьшении толщины

8. Электрофизические процессы в металлических проводниках. Эмиссионные и контактные явления в металлах.

Термоэлектронная эмиссия (эффект Ричардсона, эффект Эдисона) — явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Контактная разность потенциалов — это разность потенциалов, возникающая при соприкосновении двух различных проводников, находящихся при одинаковой температуре.

При соприкосновении двух проводников с разными работами выхода на проводниках появляются электрические заряды. А между их свободными концами возникает разность потенциалов. Разность потенциалов между точками находящимися вне проводников, в близи их поверхности называется контактной разностью потенциалов. Так как проводники находятся при одинаковой температуре, то в отсутствии приложенного напряжения поле может существовать только в пограничных слоях (Правило Вольта). Выделяется внутренняя разность потенциалов(при соприкосновении металлов) и внешняя (в зазоре). Значение внешней контактной разности потенциалов равно разности работ выхода отнесенной к заряду электрона. Если проводники соединить в кольцо то ЭДС в кольце будет равна 0. Для разных пар металлов значение контактной разности потенциалов колеблется от десятых до единиц вольт. Термоэдс, электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, имеющих в местах контактов различную температуру.

Пластическая деформация и механические свойства

Под механическими свойствами металла (или другого материала) понимают характеристики, определяющие его поведение под действием приложенных к нему внешних механических сил в виде статической, динамической или знакопеременной нагрузок.

К механическим свойствам относят прочность - сопротивление металла (сплава) деформации и разрушению и пластичность - способность металла к необратимой без разрушения деформации (остающейся после удаления деформирующих сил).

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформация вызывается внешними силами, приложенными к телу, или происходящими в самом теле физико-механическими процессами (например, изменение объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента).

Виды напряжений

В случае одноосного растяжения возникающие в теле напряжения равны. Сила Р, (рис. 7) приложенная к некоторой площадке F, обычно направлена к ней под некоторым углом. Поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения.

Образование внутренних напряжений связано в основном с неоднородным распределением деформаций (в том числе и микродеформаций) по объему тела.

Рекомендуемые материалы

Наличие в испытуемом образце механических надрезов, трещин внутренних дефектов металла приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (нормальные напряжения бывают растягивающими и сжимающими) (см. рис. 7). Действие надрезов, сделанных в образце, аналогично конфигурации изделий, имеющих сквозные отверстия, резьбу и т.п., или влиянию внутренних дефектов металла (неметаллических включений, графитных выделений в чугуне, трещин и др.), нарушающих его цельность. Поэтому всевозможные надрезы, отверстия, галтели и другие источники концентрации напряжений называют концентраторами напряжений.

Напряжения вызываются различными причинами. Различают временные, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние остаточные напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки.

Внутренние напряжения наиболее часто возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неодинакового расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми.

Кроме того, напряжения возникают в процессе кристаллизации, при неравномерной деформации, при термической обработке вследствие структурных превращений по объему и т.д., эти напряжения называют фазовыми или структурными.

Внутренние напряжения классифицируют на:

Напряжения 1 рода (или зональные), называемые также макронапряжениями, они уравновешиваются в объеме всего тела, возникают главным образом в результате технологических процессов, которым подвергают деталь в процессе ее изготовления.

Напряжения 2 рода уравновешиваются в объеме зерна (кристаллита) или нескольких блоков (субзерен), их называют иначе микронапряжениями. Чаще всего они возникают в процессе фазовых превращений и деформации металла, когда разные кристаллиты и блоки внутри них оказываются в различном упругонапряженном состоянии.

Напряжения 3 рода, локализующиеся в объемах кристаллической ячейки, представляют собой статические искажения решетки, т. е. смещения атомов на доли ангстрема из узлов кристаллической решетки.

Упругая и пластическая деформация

Упругой называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное, полностью обратимое смещение атомов, или поворот блоков кристалла. После снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние, и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры.

При достижении касательными напряжениями предела или порога упругости деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается.

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляется скольжением и двойникованием. Скольжение - смещение отдельных частей кристалла - одной части относительно другой происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины.

Схема упругой и пластической деформаций металла с кубической структурой, подвергнутого действию напряжений сдвига, показана на рис.9..

Скольжение в кристаллической решетки протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу (τ ) наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т.е. связь между ними наименьшая.

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации.

Пластическая деформация металлов с плотноупакованными решетками К12 и Г12, кроме скольжения, может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования (рис. 8). Двойникование, подобно скольжению, сопровождается прохождением дислокации сквозь кристалл.

Изменение структуры металлов при пластической деформации

Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла путем сдвига (скольжения) или двойникования. Формоизменение металла при обработке давлением происходит в результате пластической деформации каждого зерна

При больших степенях деформации вследствие скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. Так, до деформации зерно имело округлую форму. После деформации в результате смещений по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними.

При больших степенях деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформирующихся сил получила название текстура деформации.

Наклеп. С увеличением степени холодной деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (σ_в, σ_{0, 1} твердость и др.), повышаются, а способность к пластической деформации - пластичность(δ и ψ ) уменьшается. Упрочнение металла в процессе пластической деформации получило название наклепа.

Сверхпластичность. Виды, определение, способы получения.

Разрушение металлов

При достаточно высоких напряжениях процесс деформации заканчивается разрушением. Разрушение состоит из двух стадий - зарождения трещины и ее распространения через все сечение образца (изделия). Возникновение микротрещины чаще всего происходит благодаря скоплению движущихся дислокации перед препятствием (границы субзерен, зерен, межфазные границы, всевозможные включения и т. д.), что приводит к концентрации напряжений, достаточных для образования микротрещины.

Разрушение может быть хрупким и вязким. Вязкое разрушение происходит со значительной пластической деформацией; при хрупком разрушении пластическая деформация мала.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины велика - близка к скорости звука. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют "внезапным" или "катастрофическим" разрушением. Вязкому разрушению соответствует большая работа распространения трещины. При хрупком разрушении работа распространения трещины близка к нулю.

По виду микроструктуры различают разрушение транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерен.

Пути повышения прочности, и пластичности, металла

Увеличение прочности металла повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей машин. Реально достигнутая прочность металла (техническая прочность) значительно ниже теоретической.

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны бы иметь материалы согласно физическим расчетам сил сцепления в твердых телах. Низкая прочность (сопротивление деформации) металла объясняется легкой подвижностью дислокации. Следовательно, для повышения прочности или необходимо устранить дислокации или повысить сопротивление их движению. Сопротивление их движению дислокации возрастает при взаимодействии их друг с другом и с различного рода другими дефектами кристаллической решетки, создаваемыми при обработке металла.

Дефекты решетки оказывают на сопротивление металла деформации двоякое влияние. С одной стороны, образование в металле дислокации ослабляет металл. С другой стороны, дефекты кристаллического строения упрочняют его, так как препятствуют свободному перемещению дислокации.

Минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокации А, приближенно оцениваемой – 10 6 -10 8 см -2 . Эта величина относится к отожженным металлам. Если количество дефектов (плотность дислокации) не превышает величины А, то уменьшение их содержания резко увеличивает сопротивление деформации. Прочность в этом случае быстро приближается к теоретической.

В настоящее время удалось получить кристаллы размером 2-10 мм и толщиной от 0, 5 до 2, 0 мкм, практически лишенные дефектов кристаллической решетки (дислокации). Эти нитевидные кристаллы, названные английскими учеными "усами" (whisker), обладают прочностью, близкой к теоретической. Отсутствие дефектов в усах объясняется условиями их роста и малыми размерами. Увеличение размера усов сопровождается резким снижением прочности. При толщине более 0, 25 мкм усы железа по

Механические свойства при статических испытаниях

К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб.

Рис. 8. Диаграмма растяжения металлов

Кривая 1 (рис. 8) характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений, величина которых является условной, ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на первоначальную площадь поперечного сечения образца (F₀).

Кривая 2 описывает поведение (деформацию) металла под действием напряжений S, величина которых является истинной, ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на площадь поперечного сечения образца в этот же момент.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности (σ_п.ц). Обычно определяют условный предел пропорциональности, т.е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью напряжений, увеличивается на 50% от своего значения на линейном (упругом) участке.

Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0, 05% (или еще меньше) от первоначальной длины образца.

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0, 2 %, называют условным пределом текучести (δ_{0, 2}).

Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относятся: относительное удлинение и относительное сужение: δ =(l_k-l₀)*100%/l₀ ; ψ =(F₀-F_k)*100%/F₀, где l₀ и l_k - длина образца до и после разрушения;

F₀ и F_k - площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно.

Определение показателей прочности металла σ_в, σ_т.

Вязкость разрушения (трещиностойкость) К_1С.

Определение твердости HB, HR, HV и микротвердости металлов. Методы, обозначения.

Механические свойства, определяемые при динамических испытаниях: KCV, RCU, KCT.

Порог хладноломкости t₅₀.

Механические свойства при циклических испытаниях: σ_R, σ_-1.

Ответы с Ириными дополнениями, страница 10

Документ из архива "Ответы с Ириными дополнениями", который расположен в категории " ". Всё это находится в предмете "материалы и элементы электронной техники" из раздела "", которые можно найти в файловом архиве МЭИ (ТУ). Не смотря на прямую связь этого архива с МЭИ (ТУ), его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "к экзамену/зачёту", в предмете "материалы и элементы электронной техники" в общих файлах.

Онлайн просмотр документа "Ответы с Ириными дополнениями"

Текст 10 страницы из документа "Ответы с Ириными дополнениями"

17. Зависимость удельного электрического сопротивления металлических проводниковых материалов от их строения и внешних факторов. Влияние частоты напряжения на сопротивление металлических проводников. Скин-эффект.

Влияние примеси на удельное сопротивление

Чистые отожженные металлы имеют менее деформированную кристаллическую решетку, поэтому для них характерны большие значения λ, и, следовательно, у (малая величина ρ). Примеси, растворенные в металлах, деформируют кристаллическую решетку и вызывают большие изменения удельного сопротивления. Отсюда ρ металлов, содержащих растворенную примесь, всегда выше, чем ρ чистых.

Рис. 12.4. Удельное сопротивление ρ меди в зависимости от концентрации N различной примеси в долях процента

Влияние деформации на удельное сопротивление

Влияние размеров проводника на удельное сопротивления

В металлических проводниках в виде тонких пленок, фольги или проволоки образуется мелкозернистая структура. Чем мельче зерно, тем больше суммарная удельная поверхность зерен. Наиболее дефектной частью зерна является его поверхность. С уменьшением размера зерна увеличивается дефектность структуры металла и, следовательно, возрастает его удельное сопротивление р. Для тонких пленок, полученных методом термического напыления в вакууме или химического осаждения, увеличение р наблюдается при уменьшении толщины δ, начиная примерно с δ = 0,1—0,01 мкм. Увеличение удельного сопротивления объясняется тем, что при кристаллизации металла на подложке в образовавшейся мелкозернистой пленке появляются многочисленные дефекты в виде вакансий, дислокаций, межблочных и межзеренных границ, пор и др. В результате уменьшается средняя длина свободного пробега электрона λ, и р возрастает. При дальнейшем уменьшении толщины δ пленки удельное сопротивление δ продолжает расти (рис. 12.6, а).

Для сравнительной оценки удельного сопротивления тонких металлических пленок принято сопротивление квадрата R_D, через противоположные грани которого ток протекает параллельно поверхности

где ρ_δ — удельное (объемное) сопротивление пленки толщиной δ.

Температурный коэффициент удельного сопротивления тонких металлических пленок ТКρ_δ может быть как положительным, так и отрицательным (см. рис. 12.6, б). При увеличении толщины пленки αρ_δ (ТК ρ_δ) стремится к значению α_ρ (ТКр) данного материала в толстых слоях.

Рис. 12.6. Зависимость удельного сопротивления ρ_δ (а) и температурного коэффициента удельного сопротивления αρ_δ (б) металлической пленки от ее толщины δ

Влияние частоты напряжения на сопротивление металлически проводников

Вихревые токи (токи Фуко), возникающие в металлических проводниках, по которым течет переменный ток, направлены таким образом, что ослабевают ток внутри проводника и усиливают его вблизи поверхности. В результате высокочастотный ток оказывается распределенным по сечению проводника неравномерно — большая его часть сосредоточивается у поверхности проводника. Это явление называют скин-эффектом. Из-за скин-эффекта внутренняя часть проводников в высокочастотных цепях оказывается бесполезной. Поэтому в высокочастотных цепях проводники могут быть полыми.

Скин-эффект характеризуется глубиной проникновения электромагнитного поля в металлический проводник: чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. С увеличением глубины проникновения поля плотность тока уменьшается по экспоненте. Глубину, на которой амплитуда электромагнитной волны затухает в е раз (до -37%), называют глубиной проникновения поля ∆. Величина ∆ зависит от частоты напряжения ω, удельной электропроводности γ и магнитной проницаемости μ:

где а — коэффициент затухания электромагнитной волны; μ_o — магнитная постоянная.

Сопротивление проводника, вызванное скин-эффектом, можно оценить сопротивлением квадрата его поверхности Rs, Ом, аналогично рассчитываемому R□ по формуле (12.9), заменив δ на ∆:

Из выражения (12.11) следует, что сопротивление Rs плоского проводника при скин-эффекте равно сопротивлению плоского проводника толщиной ∆ при постоянном токе.

Зависимость Rs и ∆от частоты поля для. некоторых важнейших металлов и сплавов высокой проводимости приведены на рис. 12.7.

Рис. 12.7. Зависимость сопротивления при скин-эффекте Rs и глубины проникновения поля ∆ от частоты для плоских проводников. Значения Rs и ∆ по нижней шкале частоты отсчитываются непосредственно; по верхней шкале частоты значение Rs умножается на 10 —2 , а ∆ - 10 —2

18. Высокоомные сплавы и их свойства. Удельное сопротивление металлических сплавов.

Удельное сопротивление металлических сплавов

У металлических сплавов удельное сопротивление зависит не только от концентрации компонентов, образующих данный сплав, но и от типа образовавшегося сплава. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов друг с другом (от соотношения размеров их атомов и электрохимических констант) могут образовываться следующие основные типы сплавов:

гетерогенные структуры (механические смеси),

твердые растворы с неограниченной или ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии,

химические (интерметаллические) соединения.

Рассмотрим диаграммы состояния каждого из перечисленных типов сплавов и характер зависимости удельного сопротивления и механических свойств от состава сплавов.

В электро- и радиотехнике большой интерес представляют

сплавы, образующие твердые растворы; их широко применяют в производстве проволочных резисторов, реостатов, термопар и др.

При образовании сплава твердый раствор постоянная кристаллической решетки металла-растворителя изменяется, атомы компонентов распределяются по ее узлам беспорядочно. В результате кристаллическая решетка существенно деформируется, что приводит к сильному рассеянию электронов проводимости и увеличению удельного сопротивления. Чем больше разница в значениях валентности металла-растворителя и растворенного металла и в размерах их атомов, тем больше увеличивается удельное сопротивление. Зависимость ρ от состава сплавов, образующих твердые растворы проходит через максимум (см. рис. 10.9, б).

Максимальное значение р проявляется у сплавов, кристаллическая решетка которых максимально деформирована. При этом могут наблюдаться два типа максимума. Если сплавляемые металлы, образующие твердые растворы, принадлежат к одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева, то зависимость р от состава сплавов обычно имеет примерно симметричный максимум. Если оба сплавляемых металла принадлежат к разным группам периодической системы элементов, то максимум зависимости р от состава имеет несимметричную форму и сдвинут от середины диаграммы в сторону металла, удельное сопротивление которого при комнатной температуре больше.

19. Влияние примеси на удельное сопротивление. Влияние размеров проводника на удельное сопротивление. (Пленочные проводники в микросхемах).

Ч Гетерогенные структуры (механические смеси), твердые растворы с неограниченной или ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии, химические (интерметаллические) соединения. Максимальное значение р проявляется у сплавов, кристаллическая решетка которых максимально деформирована.

В Увеличение удельного сопротивления объясняется тем, что при кристаллизации металла на подложке в образовавшейся мелкозернистой пленке появляются многочисленные дефекты в виде вакансий, дислокаций, межблочных и межзеренных границ, пор и др. В результате уменьшается средняя длина свободного пробега электрона λ, и р возрастает. Для сравнительной оценки удельного сопротивления тонких металлических пленок принято сопротивление квадрата R_D, через противоположные грани которого ток протекает параллельно поверхности R_D = ρ_δ /δ.

Читайте также: