Твёрдость. Сверхпроводимость.

Министерство общего и профессионального образования НовГУ

кафедра ПТР

Контрольная работа по материаловедению

Твёрдость.

Сверхпроводимость.

Выполнил студент гр. 9021з

Дроздов С. В.

Проверил:

Великий Новгород

2002

Оглавление

Твёрдость ………………………………………………………………….……2
Методы измерения твёрдости……………………………………….……..2
Сверхпроводимость………………………………………………….……….9
Основные характеристики композитных ВТСП-проводников…….10
Список литературы…………………………………………………………...13

Твёрдость.

Определение твёрдости по Бринеллю – отношение нагрузки, вдаливающей стальной шарик в испытуемый металл или сплав, к площади поверхности сферической лунки в металле (в сплаве) :

HB = P / F = P / ( ¶·D·h ) = 2·P / ( ¶·D sqr( D² – d²) ),

где D – диаметр шарика (10; 5; 2.5 мм); d – измеренный диаметр отпечатка, мм; h – глубина отпечатка; при нагрузках, равных 30·D²; 10·D²; 2,5·D²твёрдость определяют по таблицам без вычислений; метод при НВ не выше 450 кгс/мм².

Определение твёрдости по Виккерсу – отношение нагрузки на стандартную пирамиду при вдавливании её вершины в испытуемый материал к площади поверхности пирамидального отпечатка:

HV = P / F = 1.8544 ( P / D² ),

где D – диагональ отпечатка;

Определение твёрдости по Роквеллу – условная характеристика, значение которой отсчитывают по шкале твёрдомера; в зависимости от условий определения различают твёрдость HRA – для очень твёрдых материалов (по шкале А); HRB – дла мягкой стали (по шкале В); HRC – для закалённой стали ( по шкале С).

Измерения твердости изделия непосредственно на месте его эксплуатации статическим UCI методом и динамическим методом отскока обеспечивают высокую достоверность результатов, простоту и чрезвычайное удобство выполнения измерений. Широкий выбор измерительных зондов позволяет охватить почти все области применения.

Методы измерения твёрдости

UCI метод

UCI (Ultrasonic Contact Impedance) метод позволяет осуществлять быстрое и удобное измерение твердости по Виккерсу без применения микроскопа.

Принцип измерения твердости прост: алмазная пирамидка для измерений по Виккерсу закреплена на конце металлического стержня, который под действием пьезоэлектрического устройства колеблется на определенной частоте. Если алмазная пирамидка внедряется в материал, то металлический стержень меняет резонансную частоту. Это изменение возрастает с увеличением площади контакта. Так как эта площадь контакта является мерой для оценки твердости, то существует прямая связь между изменением частоты и твердостью материала. Процесс измерения завершается за 6 мс.

Метод отскока

Ударное тело, на конце которого закреплен шарик из твердого материала, под действием пружины падает на исследуемую поверхность. После своего падения вследствие суммарной пластической деформации падающее тело теряет часть своей энергии (как уменьшение скорости) и тем больше, чем меньше твердость исследуемого материала. Бесконтактным методом измеряются начальная скорость и скорость при отскоке. Для этого служит небольшой постоянный магнит, соединенный с ударным телом. Этот магнит, проходя через катушку, наводит в ней ЭДС индукции. Величина ее пропорциональна скорости движения магнита (ударного тела). По соотношению скоростей падения и отскока оценивается величина твердости.

Независимость результата измерений от пространственного положения зонда.

Оба метода позволяют получить результаты измерения, независящие от направления измерений (пространственного положения зонда). Ранее это являлось преимуществом UCI-метода, теперь это относится и к методу отскока. Несмотря на то, что во втором случае речь идет об измерении энергии (скорости), и по физическому смыслу на результаты измерения, в зависимости от направления измерений, сила тяжести должна оказывать различное влияние, введение поправки не требуется. Результаты измерения автоматически корректируются путем запатентованной специальной обработки сигналов

ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ
DynaPOCKET

Это самый компактный и легкий из твердомеров для экспресс-анализа, работающих по методу отскока, сочетающий в одном блоке и индикатор с электронной частью и ударное устройство. Результаты измерения не зависят от пространственного положения прибора, даже в случае измерения на потолочной поверхности. Может быть использован для измерения твердости больших изделий с крупнозернистой структурой, включая литье, изделий сложной конфигурации с затрудненным доступом.

измерения твердости по методу отскока в соответствии с нормами DIN A956 ASTM;
использование стандартного ударного тела типа D с шариком из карбида вольфрама диаметром 3 мм и энергией 12 Н/мм;
программа коррекции показаний для 9-ти групп материалов: легированная и нелегированная сталь, стальное литье, инструментальная сталь, коррозионностойкая сталь, серый чугун, чугун со сфероидальным графитом, алюминиевое литье, латунь, бронза, сплавы на основе меди;
оценка и представление величины твердости в шкалах HL, HS, HV, HB, HRC, HRB и предела прочности в Н/мм2;
измерения на цилиндрической или сферической поверхности с применением дополнительных насадок.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Диапазон измерений:

150 – 1000 HL; 75 - 700 HB;
75 – 1000 HV; 35 - 100 HRB;
20 – 70 HRC; 75 - 700 HB;
30 – 100 HS; 250 - 2200 Н/мм² (зависит от группы материалов);

Индикация:

4-х разрядный ЖК-индикатор для величины твердости и символов статуса;

Разрешающая способность индикации:

1,0 HL; 1,0 HV; 1,0 HB; 5,0 Н/мм²; 0,1 HS; 0,1 HRC;

Пересчет значений твердости:

0,1 HRB;
по DIN 50150, ASTM E140 и Dyna (специфика прибора);

Статистическая обработка:

Индикация среднего значения;

Питание:

Батарейное питание (2 элемента типа MICRO AAA), сухие батареи или аккумуляторы;

Продолжительность работы от комплекта батарей:

более 400 измерений, зависит от типа батарей;

Автоматическое отключение:

через 3 мин после окончания операций с прибором;

Рабочая температура:

от -10⁰ С до + 50⁰С (более низкие температуры при дополнительном испытании);

Температура хранения:

от -20⁰ С до + 50⁰С;

Размеры:

38 х 170 мм (диаметр х длина);

Масса:

ок. 200 грамм

ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ
MIC 10

MIC 10 - это самый компактный и легкий из твердомеров для экспресс-анализа, работающих по UCI-методу, причем результаты измерения не зависят от пространственного положения зонда, даже в случае измерения на потолочной поверхности. Может быть использован для измерения твердости изделий из мелкозернистых материалов практически любой формы и размера, особенно при локальном исследовании свойств материала.

С ним могут быть использованы различные измерительные зонды с разной длиной стержней, что позволяет проводить измерения на изделиях сложной геометрической формы.

Два исполнения прибора - стандартное и DL с внутренней памятью, имеющей дополнительную магнитную карточку, для результатов измерения, автоматической настройки и специализированного формата протокола.

Высокая точность измерения, обеспеченная постоянным слежением за процессом внедрения в контролируемое изделие путем непрерывного измерения частоты;
оценка и представление величины твердости в шкалах HV, HB, HRC, HRB и предела прочности в Н/мм2 (только при работе с зондом усилием 98 Н);
возможность конфигурирования прибора по индивидуально вы- бранным функциям (возможность блокировки их);

Дополнительно для MIC 10 DL:

встроенная память на 1800 измерений, дополнительная память на магнитной карточке на 590 измерений;
возможность распечатки статистических данных (максимальный и минимальный результат измерения, среднее значение, абсолютный и относительный разброс, абсолютное и относительное нормальное отклонение);
последовательный интерфейс RS 232C для дистанционного управления от ПК или документирования результатов на принтере.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Диапазон показаний:

0 - 9999 HV; 48 - 105 HRB;
20 - 68 HRC; 76 - 618 HB
5 - 2250 Н/мм2;

Диапазон измерений:

20-1740 HV (или соответствующие значения);

Индикация:

4-х разрядный ЖК-индикатор с подсветкой подложки;

Разрешающая способность индикации:

1 HV; 1 HB; 1 Н/мм2; 0,1; 0,5; 1 HRC и HRB (по выбору);

Испытуемые материалы:

все металлические материалы;

Запоминание результатов:

встроенная память до 1800 измерений, карточка
магнитной памяти до 590 измерений,
зависит от числа измерений в ряде (группе);

Интерфейс:

RS 232C (двухсторонний) для принтера и ПК;

Питание:

батарейное питание
(2 х 1,5 В типа 316);

Размеры (Ш х В х Г):

ок. 160 мм х 70 мм х 45 мм;

Масса:

ок. 300 грамм

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ
Измерительные зонды

Широкая гамма измерительных зондов и большой выбор принадлежностей увеличивает возможности применения измерения твердости импедансным методом и методом отскока.

Измерительные зонды для импедансного метода и принадлежности:

ручной измерительный зонд MIC 201 (усилие 10 H, измерение на поверхностях, где ограничены размеры отпечатка), MIC 205 (усилие 50 Н, средняя нагрузка для большинства случаев измерения) и MIC 2010 (усилие 100 Н, для крупнозернистых материалов и шероховатой поверхности);
MIC 201-AL (10 Н) и MIC 20-AL (50 Н) с удлиненным колеблющимся стержнем (37 мм) для измерений на сложной поверхности или в углублениях изделий сложной геометрии, например, на шнеках или зубчатых колесах;
моторные зонды MIC 2103 (3 H) и MIC 211 ( 10 H) с моторным приводом и стержнем с алмазной пирамидкой по Виккерсу для очень достоверных измерений;
аттестованные эталоны твердости;
разнообразные вспомогательные средства и штативы для повышения точности при измерениях, например, призматическая насадка MIC 271 и насадка для плоской поверхности MIC 270 для ручных зондов; штатив MIC 222 - штатив для точного позиционирования зонда; специальные штативы, например, MIC 225 для измерений на шейках валов.

Метод отскока ударного тела

Dyna D для стандартных измерений;
Dyna G для массивных изделий, например, литые и кованые детали;
Dyna E c алмазным индентором для измерений на изделиях с твердостью выше 650 HV;
Насадки для лучшего позиционирования на криволинейных поверхностях: для сферической, сферической вогнутой, цилиндрической и цилиндрической вогнутой;
Аттестованные эталоны твердости.

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость - физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры T_с, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца ( эффект Мейснера). Явление открыто в 1911 г. Х. Каммерлинг-Оннесом. Изучая температурный ход электросопротивления Hg, он обнаружил, что при температуре ниже 4,22К Hg практически теряет сопротивление.

Далее оказалось, что при крайне низких температурах целый ряд веществ обладает сопротивлением по крайней мере в 10-12 раз меньше, чем при комнатной температуре. Эксперименты показывают, что если создать ток в замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает циркулировать и без источника ЭДС. Токи Фуко в сверхпроводниках сохраняются очень долгое время и не затухают из-за отсутствия джоулева тепла (токи до 300А продолжают течь много часов подряд). Изучение прохождения тока через ряд различных проводников показало, что сопротивление контактов между сверхпроводниками также равно нулю. Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие явления Холла. В то время, как в обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток в металле смещается, в сверхпроводниках это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.

Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:

1) повышение температуры;

2) действие достаточно сильного магнитного поля;

3) достаточно большая плотность тока в образце;

С повышением температуры до некоторой T_с почти внезапно появляется заметное омическое сопротивление. Переход от сверхпроводимости к проводимости тем круче и заметнее, чем однороднее образец ( наиболее крутой переход наблюдается в монокристаллах).

Переход от сверхпроводящего состояния в нормальное можно осуществить путем повышения магнитного поля при температуре ниже критической T_с. Минимальное поле B_с, в котором разрушается сверхпроводимость называется критическим магнитным полем. Зависимость критического поля от температуры описывается эмпирической формулой.

В_с= B₀[ 1 - (T/T_с)²

где В₀- критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю температуры.

Сверхпроводимость наблюдается как у элементов, так и у сплавов и металлических соединений. Сверхпроводимость есть у Hg, Sn(белое), Pb, Tl, Tn, Ga, Ta, Th, Ti, Nb (иногда Cd).

Идея высокотемпературной сверхпроводимости ( ВТСП ) в органических соединениях была выдвинута в 1950г. Ф.Лондоном и лишь 14 лет спустя появился отклик на эту идею в работах американского физика В.Литтла, вызвавший критические отзывы, отрицающие возможность ВТСП в неметаллических системах. Таким образом, хотя идея ВТСП родилась ы работе Ф. Лондона в 1950г., годом рождения проблемы следует считать время появления первых, пока, правда, малочисленных потоков информации по ВТСП - 1964г.. Если рассмотреть эволюцию температуры сверхпроводящего перехода,, то станет ясно, что рост температуры сверхпроводящего перехода приводил к возможности использования хладагентов со все более высокой температурой кипения ( жидкий гелий, водород, неон, азот). Хотя до азотных температур перехода, открытых недавно в металлокерамиках, практически использовался для охлаждения жидкий гелий, однако скачки в росте температуры перехода дают право положить их в основу периодизации ВТСП о гелиевом, водородном, неоновом и, наконец, азотном периодах ВТСП. Так Nb₃Sn сменился Nb - Al - Ge, затем наибольшая температура была обнаружена d 1973-81гг. у Nb₃Ge (23,9 K), которая оставалась рекордной вплоть до сверхпроводимости металлокерамиками. La - Sr - Cu - O при 30 К в 86г., вырастая до 100 К на материале I - Ba - Cu - O.

Ключевым для проблемы ВТСП является вопрос критической температуры от характеристики вещества. С открытием в 86 нового класса сверхпроводящих материалов с более высокими, чем ранее критическими температурами, во всем мире развернулись работы по изучению по изучению свойств ВТСП с целью определения возможности их применения в различных областях науки и техники. Интерес к ВТСП объясняется в первую очередь тем, что повышение рабочей температуры до азотной позволит существенно упростить и удешевить системы криогенного обеспечения, повысить их надежность. Для успешного применения ВТСП в сильноточных устройствах (соляноидах, накопителях энергии, электромагнитах, транспорте с магнитным подвесом) необходимо решить ряд вопросов. Одной из важнейших проблем при создании сильноточных устройств с использованием ВТСП является проблема обеспечения устойчивой работы обмоток с током. Проблема стабилизации ВТСП включает в себя несколько аспектов. Внутренним свойством сверхпроводимости является скачкообразный характер проникновения в них магнитного поля. Этот процесс сопровождается выделением части запасенной энергии магнитного поля при его распределении. Поэтому, наиболее важное направление стабилизации сверхпроводников - их стабилизация против сигналов потока. Крое того, проводники, внутренне стабилизированные против сигналов потока, при работе подвергаются действию различного рода возмущений как механического, так и электромагнитного характера, тоже сопровождающиеся выделением энергии.

Основные характеристики композитных ВТСП-проводников.

Традиционные сверхпроводники второго рода (сплавы Nb - Ti, соединение Nb₃Sn ) применяются в сверхпроводящих магнитных системах в виде композитов с матрицей из нормального метала с высокими тепло- и электропроводностью. Наличие пластичной матрицы (чаще всего медной) значительно облегчает изготовление тонких длинномерных проводников волочением или прокаткой, то есть сверхпроводящие материалы отличаются хрупкостью. Стабильность сверхпроводимости - состояние относительно скачков магнитного потока - достигается путем изготовления проводников с весьма малым диаметром отдельных сверхпроводящих или же лент с малой толщиной сверхпроводящего слоя. По этим же причинам ВТСП-проводники в большинстве случаев изготавливаются в форме композитов, имеющих малую толщину или диаметр. Дополнительная причина применения нормального металла связана с необходимостью защиты ВТСП-материала от влажности и других факторов окружающей Среды, вызывающих деградацию оксидного сверхпроводника. Наилучшие результаты получены при использовании серебряной матрицы или обмотки сверхпроводника: кроме того, что серебро лишь в минимальной степени реагирует с ВТСП или его исходной продукции даже при высокой температуре синтеза, серебро отличается высокой диффузионной проницательностью для кислорода, что необходимо при синтезе и обжиге ВТСП.

В настоящее время все усилия в области ВТСП наряду с совершенствованием их свойств и способов получения направлены на создание изделий на основе ВТСП, пригодных для применения в радиоэлектронных системах для детектирования, аналоговой и цифровой обработки сигналов. (см. рис.1).

Основными достоинствами ВТСП являются отсутствие потерь на постоянном и сравнительно небольшие потери на переменном токах, возможность экранирования магнитных и электромагнитных полей, возможность передачи сигналов с крайне малыми искажениями.

Параметром, непосредственно определяющим высокочастотные свойства ВТСП материалов является их поверхностное сопротивление. В обычных металлах поверхностное сопротивление увеличивается пропорционально квадратному корню из частоты в то время, как в ВТСП - пропорционально ее квадрату. Однако, благодаря тому, что начальное значение поверхностного сопротивления ( на постоянном токе) у ВТСП на несколько порядков ниже, чем у металлов, высококачественные ВТСП сохраняют преимущества по сравнению с металлами при частоте до нескольких сотен гигагерц.

Интерес к вопросу практического использования сверхпроводников появился в 50-х гг, когда были открыты сверхпроводники второго рода с высокими критическими параметрами как по значению плотности тока, так и по величине магнитной индукции. В настоящее время использования явления сверхпроводимости приобретает все больше практическое значение.

Применение сверхпроводников потребовало решения ряда новых задач, в частности, интенсивного развития материаловедения в области низких температур. При этом исследовались не только сверхпроводники собственно, но и конструкции и изоляционные материалы.

Наибольшее распространение из сверхпроводящих материалов в электротехнике получили сплав ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово. Технологические процессы изготовления исключительно тонких ниобий-титановых нитей и их стабилизации достигли весьма высокого уровня развития. При создании многожильных проводников на основе ниобий-олова широкое применение находит так называемая бронзовая технология.

Развитие сверхпроводниковой техники также связано с созданием ожижителей и рефрижераторов все большей хладопроизводительности на уровне температур жидкого гелия

В таблице 1 показаны сферы применения сверхпроводимости.

Таблица 1

Применение

Примечания

крупномасштабное

а) экранирование

Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых устройствах, защита от излучения при ядерном взрыве.

сильноточные устройства

а) магниты

- научно-исследовательское оборудование

- магнитная левитация

НТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтеза.

Интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке. Прототип в Японии использует НТСП.

другие статические применения

а) передача энергии

б) аккумулирование

в) вращающиеся электрические машины

г) вычислительные устройства

Прототипные линии НТСП продемонстрировали свою перспективность.