Электропроводимость (электрическая проводимость) и электрическое сопротивление для железа, сталей и суперсплавов.

	Адрес этой страницы (вложенность) в справочнике dpva.ru:  главная страница  / / Техническая информация / / Физический справочник / / Электрические и магнитные величины / / Электрическое сопротивление и проводимость проводников, растворов, почв….  / / Электропроводимость (электрическая проводимость) и электрическое сопротивление для железа, сталей и суперсплавов. Поделиться:    Электропроводимость (электрическая проводимость) и электрическое сопротивление для железа, сталей и суперсплавов. Электропроводимость (электрическая проводимость) и электрическое сопротивление для железа, сталей и суперсплавов. Материал Проводимость Сопротивление   (% IACS) (Сименс/м) (Ом*м) Железо и чугун       Железо чистое 18.00 1.044*107 9.579*10-8 В слитке Iron Ingot (непр.назв.ignot) (99.9% Fe) 15.60 9.048*106 1.105*10-7 Низкоуглеродистый белый чугун 3.25   5.300*10-7 Мартенситное хромо-никелевое (стое) железо /martensitic nickel-chromium iron 2.16   8.000*10-7 Высококремнистый чугун / high-silicon iron 3.45   5.000*10-7 Железо-никелевые сплавы/ h igh-nickel iron 1.0-1.2   1.4*10-6—1.7*10-6 Хромо-никелевое кремнистое железо / nickel-chromium-silicon iron 1.0-1.2   1.5*10-6—1.7*10-6 Алюминиево-железные сплавы/ high-aluminum iron 0.72   2.400*10-6 Кремнистый чугун/ medium-silicoon ductile iron 2.0-3.0   5.8*10-7—8.7*10-7 Ниель-железные сплавы / high-nickel ductile (20% Ni) 1.69   1.020*10-6 Углеродистые и низколегированные стали. AISI       1008 (Отожженная) 11.81   1.460*10-7 1010 12.06   1.430*10-7 1015 (Отожженная) 10.84   1.590*10-7 1016 (Отожженная) 10.78   1.600*10-7 1018 (Отожженная) 10.84   1.590*10-7 1020 10.84   1.590*10-7 1022 (Отожженная) 10.84   1.590*10-7 1025 (Отожженная) 10.84   1.590*10-7 1029 (Отожженная) 10.78   1.600*10-7 1030 (Отожженная) 10.39

Суперпровода — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Суперпровода (англ. superwire) — проводящие элементы, прочность на разрыв которых превышает 600 МПа, а электропроводность составляет не менее 40-85 % электропроводности чистой меди (IACS).

Медные провода являются наиболее распространенными проводниками электричества вследствие малого удельного электрического сопротивления, равного 0,0172 мкОм*мм2/м (в ряду чистых металлов медь занимает второе место по удельной электропроводности после серебра). Это стало одной из причин того, что в 1913 году Международная Электротехническая Комиссия (IEC) приняла решение считать проводимость электротехнических проводов в долях IACS (IACS — International Annealed Copper Standard, стандартная величина проводимости, равная 58 мегасименс на метр, соответствующая приведенной выше величине сопротивления провода 1/58 МСм = 0,0172 мкОм для медного провода длиной 1 метр с поперечным сечением площадью 1  мм² при температуре окружающей среды 20°С).

Однако являясь лучшим с точки зрения электропроводности материалом, чистая медь не обладает высокими прочностными характеристиками. Так, прочность чистой меди на разрыв составляет всего 220—270 МПа. В электронной технике (например, в выключателях, в разъёмах) зачастую требуются материалы с большей прочностью, поэтому там получили распространения более прочные, но менее электропроводные сплавы меди с оловом или свинцом (бронза) и цинком (латунь). При этом добавление даже небольшой доли легирующей примеси сильно снижает электропроводность сплава — например, проводимость бронзы, содержащей примерно 7 % олова, падает до 10—15 % IACS при увеличении прочности на разрыв до 400—970 МПа. У латуни удельное сопротивление достигает 0,033-0,043 мкОм*мм2/м (40-52 % IACS) при прочности на разрыв 380—880 МПа. Для сравнения, чистый алюминий обладает прочностью на разрыв 160—170 МПа при проводимости 58 % IACS, поэтому работы по совершенствованию электротехнических проводников велись преимущественно в направлении внедрения армирующих микро- и наноэлементов в медную матрицу. В частности, проводились работы по внедрению в медную матрицу микрофиламентов ниобия (Nb), ванадия (V), железа (Fe), серебра (Ag), хрома (Cr), тантала (Ta), углерода (C). Полученные проводники получили название «суперпровода». Они, с одной стороны, сохраняют хорошую электропроводность, а с другой — обладают высокой механической прочностью, что делает их перспективными для применения в мощных импульсных магнитах и магнито-импульсных индукторах, контактных проводах для высокоскоростных поездов, в авиационной и космической технике, судостроении, электронике.

Медно-ниобиевые суперпровода, в частности, могут быть сформированы путём последовательной сборки биметаллических составных заготовок с их последующим деформированием, что позволяет внедрять в медную матрицу ленточные ниобиевые волокна толщиной 6-10 нм. В получаемом композиционном проводе сечением 2×3 мм присутствует до 400 млн таких волокон, обеспечивающих прочность на разрыв до 1200 МПа. Высокая электропроводность на уровне 65-85 % IACS обусловлена тем, что расстояние между волокнами ниобия сопоставимо со средней длиной пробега электронов в чистой меди.

1. L. Thilly, F. Lecouturier, J. von Stebut, Size-induced enhanced mechanical properties of nanocomposite copper/niobium wires: nanoindentation study // Acta Materialia 50 (2002) 5049-5065
2. X. Sauvage, C. Genevois, G. Da Costa, V. Pantsyrny, Atomic scale characterization of deformation induced interfacial mixing in a Cu/V nanocomposite wire // Scripta Materialia 61 (2009) 660—663
3. Evarice Yama Nzoma, Alain Guillet, and Philippe Pareige, Nanostructured Multifilamentary Carbon-Copper Composites: Fabrication, Microstructural Characterization, and Properties // Journal of Nanomaterials v. 2012 doi: 10.1155/2012/360818

Теплопроводность металлов и сплавов: таблица

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

 

 

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Таблица 1

Металл	Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С
	— 100	0	100	300	700
Алюминий	2,45	2,38	2,30	2,26	0,9
Бериллий	4,1	2,3	1,7	1,25	0,9
Ванадий	—	—	0,31	0,34	—
Висмут	0,11	0,08	0,07	0,11	0,15
Вольфрам	2,05	1,90	1,65	1,45	1,2
Гафний	—	—	0,22	0,21	—
Железо	0,94	0,76	0,69	0,55	0,34
Золото	3,3	3,1	3,1	—	—
Индий	—	0,25	—	—	—
Иридий	1,51	1,48	1,43	—	—
Кадмий	0,96	0,92	0,90	0,95	0,44 (400°)
Калий	—	0,99	—	0,42	0,34
Кальций	—	0,98	—	—	—
Кобальт	—	0,69	—	—	—
Литий	—	0,71	0,73	—	—
Магний	1,6	1,5	1,5	1,45	—
Медь	4,05	3,85	3,82	3,76	3,50
Молибден	1,4	1,43	—	—	1,04 (1000°)
Натрий	1,35	1,35	0,85	0,76	0,60
Никель	0,97	0,91	0,83	0,64	0,66
Ниобий	0,49	0,49	0,51	0,56	—
Олово	0,74	0,64	0,60	0,33	—
Палладий	0,69	0,67	0,74	—	—
Платина	0,68	0,69	0,72	0,76	0,84
Рений	—	0,71	—	—	—
Родий	1,54	1,52	1,47	—	—
Ртуть	0,33	0,09	0.1	0,115	—
Свинец	0,37	0,35	0,335	0,315	0,19
Серебро	4,22	4,18	4,17	3,62	—
Сурьма	0,23	0,18	0,17	0,17	0,21
Таллий		0,41	0,43	0,49	0,25 (400 0)
Тантал	0,54	0,54	—	—	—
Титан	—	—	0,16	0,15	—
Торий	—	0,41	0,39	0,40	0,45
Уран	—	0,24	0,26	0,31	0,40
Хром	—	0,86	0,85	0,80	0,63
Цинк	1,14	1,13	1,09	1,00	0,56
Цирконий	—	0,21	0,20	0,19	—

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

• вида металла;
• химического состава;
• пористости;
• размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

 

 

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

 

Таблица 2

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

• кухонная посуда с различными свойствами;
• оборудование для пайки труб;
• утюги;
• подшипники качения и скольжения;
• сантехническое оборудование для подогрева воды;
• приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Оцените статью:

Рейтинг: 5/5 — 1 голосов

2.5. Электропроводность металлических сплавов

Идеальная решётка металла имеет строго периодический потенциал (рис. 2.2, а).

Если часть атомов меди беспорядочно замещена атомами другого элемента, то поле вблизи примесных атомов не такое, как вблизи собственных. Потенциал решётки становится непериодическим (рис. 2.2, б). Он нарушается беспорядочно распределёнными примесями, что приводит к рассеянию носителей и дополнительному электрическому сопротивлению.

Рис. 2.2. Электропроводность сплавов:

а – строго периодический потенциал идеальной решётки металла;

б – нарушение периодичности потенциала решётки неравномерно распределёнными атомами примеси; в – периодичное распределение потенциала при равномерном распределении примеси

В сплавах примеси вызывают более сильное нарушение периодичности потенциала решётки, чем тепловые колебания. Поэтому сопротивление сплава ρ_сплзначительно больше сопротивления ρ чистых металлов и определяется в основном рассеянием носителей на примесях.

Как показал Нордгейм, подвижность для бинарных сплавов, обусловленная рассеянием их на нарушениях периодичности потенциала решётки, определяется следующим приближённым соотношением

где p и 1  p – относительные доли металлов, образующих сплав.

Подставим в выражение соотношение для подвижности сплава, учитывая, что _{получимвыражение} удельного сопротивления для бинарного (двойного) сплава:

где – коэффициент пропорциональности.

Функция имеет максимум при р=0,5_{,т.е. при равном содержании в сплаве обоих компонентов. Если} сплавляемые металлы при определённом соотношении компонентов образуют соединение с упорядоченной внутренней структурой, то периодичность решётки восстанавливается (рис. 2.2, в) и сопротивление, обусловленное рассеянием на примесях, практически полностью исчезает.

Этот факт является подтверждением квантовой теории электропроводности, согласно которой причиной электрического сопротивления твёрдых материалов является не столкновение свободных электронов с атомами решётки, а рассеяние их на дефектах решётки, вызывающих нарушение периодичности потенциала.

Идеально правильная, бездефектная решётка, имеющая строго периодический потенциал, не способна рассеивать свободные носители заряда и поэтому должна обладать нулевым сопротивлением. Это не явление сверхпроводимости, а естественное поведение всех абсолютно чистых металлов при предельно низких температурах, вытекающее из квантовой природы их электрического сопротивления.

Сопротивление, определяемое рассеянием на примеси, не зависит от температуры и сохраняется при абсолютном нуле.

Поэтому его называют остаточным сопротивлением _ост.

При температуре, отличной от абсолютного нуля, к остаточному сопротивлению _ост прибавляется сопротивление _т, обусловленное рассеянием на тепловых колебаниях решётки, и общее сопротивление проводника

  _ост _т.

Так как для сплавов _ост обычно много больше _т, то вплоть до высоких температур их удельное сопротивление меняется с температурой значительно слабее, чем у чистых металлов, и температурный коэффициент сопротивления сплавов, как правило, значительно ниже температурного коэффициента сопротивления чистых металлов.