ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ (Лабораторные работы)

1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ

МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ (С, М)

Целью работы является ознакомление с методикой определения электросопротивления металлов и сплавов.

Электросопротивление металлов является структурно-чувствитель­ным параметром. Экспериментальные исследования показывают, что весьма небольшие изменения в структуре металлов, обусловленные, например, наличием точечных дефектов или дислокаций, приводят к за­метным изменениям величины электросопротивления. Электросопро­тивление весьма чувствительно также к наличию в металлах атомов примесей. Заметно меняется оно и при изменении фазового состава материалов, в частности, в условиях термического и деформационного старения. В связи с этим прецизионное измерение электросопротивле­ния является весьма эффективным макроскопическим методом изучения структурного состояния металлов.

1. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ 1.1. Закон Ома

В соответствии с законом Ома электропроводность определяется со­отношением

E = I/V, (1.1)

где I— сила тока, V— разность потенциалов; удельная электропровод­ность — выражением

σσσσ = Lo E/S» (1..2)

где Lo — длина, Е — электропроводность, S — сечение проводника.

Исходя из соотношений (1.1) и (1.2), сопротивление R и удельное сопротивление р, соответственно, равны:

R = V/I = SR/Lo (1.3)

1.3. Зависимость электрического сопротивления металлов от температуры

Электрическое сопротивление металлов изменяется пропорциональ­но температуре, а при низких температурах — пропорционально темпе­ратуре в пятой степени. Во многих металлах при криогенных (гелиевых) температурах электрическое сопротивление практически становится равным нулю (явление сверхпроводимости здесь не рассматривается (см. список литературы)).

В диапазоне средних и высоких температур характеристикой темпе­ратурной зависимости электрического сопротивления является темпера­турный коэффициент электрического сопротивления

α = 1/ρ (ρ2-ρ1)/(T2-T1) = 1/ρ1 dρ/dt

где ρ1 и ρ2 — удельное электрическое сопротивление материала при температурах Т1 иT2 соответственно. Для большинства металлов вбли­зи 290 К величина =4•10^-3К^-1 .

Для изотропных металлов температурная зависимость электрическо­го сопротивления в диапазоне 0,2 < T/ Θ_D < 1.2 вполне удовлетвори­тельно описывается соотношением R_T / R_Θ = 1. 17 T/ Θ_D T –0,17.

Остаточное электрическое сопротивление ρо определяется наличием в кристаллической решетке атомов примеси и дефектов, поэтому на практике отношением ρ290/ ρ4.2 (удельного электрического сопротивле­ния при 290 К и 4,2 К соответственно) часто пользуются как мерой чис­тоты металла.

1.7. Электрическое сопротивление сплавов

Для сплавов из компонентов, практически не растворимых друг в друге, концентрационная зависимость электрического сопротивления имеет вид кривых, приведенных на рис. 7. Отклонения от аддитивности незначительны.

а б

Рис. 7. Концентрационная зависимость удельного электрического сопротивле­ния сплавов: а — компоненты сплава ограниченно растворимы друг в друге (кривые рассчитаны из предположения аддитивности логарифмов значений электрического сопротивления, прямые — из предположения аддитивности самих значений; точки — эксперимент); б — компоненты сплава с взаимной неограниченной растворимостью

Для неограниченно растворимых друг в друге компонентов и полно­стью разу поря доменного состояния кристаллической решетки твердого раствора на кривой зависимости электрического сопротивления сплава от концентрации есть максимум (рис. 8).

Электрическое сопротивление металла, таким образом, всегда воз­растает при добавлении атомов легирующего элемента. При этом мак­симум электрического сопротивления зачастую соответствует составу, содержащему примерно 50 % атомных долей компонентов.

При образовании в сплаве определенного состава интерметалличе­ской фазы с упорядоченным распределением атомов электрическое сопротивление уменьшается значительно (рис. 8).

3. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

3.1. Общее описание методов измерения электрического сопротивления

Для точных измерений электрического сопротивления металлов и сплавов используется классическая четырехпроводная (пара токовых и пара потенциалометрических проводов) схема (рис. 11). В качестве измеряющего прибора применяется высокочувствительный (10^-9-10^-8) потенциометр постоянного тока 10. Последовательно с исследуемым образцом 7 в схему включается эталонное сопротивление 5. Эталон 5 и образец 7 помещены в термостат б. С помощью резистора 3 задают рабочий ток образца и эталона, контролируют этот ток по амперметру1. Переключателем 4 можно изменять направление тока в образце и этало­не. С помощью переключателя 9 и потенциометра 10 попеременно из­меряется падение напряжения на образце Vo и на эталоне Vэ.

Рис. 11. Схема измерения электросопротивления:

1 — амперметр,

2 — источник питания,

3 — реостат,

4,9 — переключатели,

5 — эталон,

б — термостат,

7 — образец,

8 — измеритель температуры,

10 — потенциометр

Значение электрического сопротивления образца вычисляется по формуле

Rо=Vo/Vэ Rэ (3.1)

где R3 — электрическое сопротивление эталона. Эффект паразитных ЭДС в измерительной цепи устраняется усреднением значений электри­ческого сопротивления образца, полученных из двух измерений при противоположных направлениях тока. Условием прецизионного изме­рения электрического сопротивления являются надежное термостатиро-вание образца и контроль температуры. Токовые и потенциалометрические провода либо приваривают к образцу точечной микросваркой, либо крепят специальными прижимными контактами. Для высокоточных измерений желательно использовать потенциалометрические провода из того же материала, что и исследуемый образец, поскольку его состав вследствие припайки инородного материала может измениться. Для мягких металлов используют зажимы, прижимные контакты.

Для определения электростатического сопротивления хрупких ме­таллов, из которых сложно изготовить образец определенного сечения, используют методику "фактора формы". По имеющемуся образцу изго­тавливается литейная форма, в которую заливается расплавленный лег­коплавкий металл (олово, свинец). Из соотношения электрического сопротивления отлитого эталона и эталона с известным сечением уста­навливается "фактор формы", который учитывается при измерении электрического сопротивления хрупкого материала. Для хрупких мате­риалов измерения следует проводить на нескольких образцах с целью получения воспроизводимых результатов. Их воспроизводимости могут препятствовать дефекты типа пор, трещин и т.п. Дефектность образца можно установить путем сопоставления данных по плотности материа­ла, полученных рентгеновским методом и методом гидростатического взвешивания.