Твёрдость. Сверхпроводимость

О главление 1. Твёрдость ………………………………………………………………….…… 2 2. Методы измерения твёрдости……………………………………….…… ..2 3. Сверхпроводимость………………………………………………….……… .9 4. Основные характеристики композитных ВТСП-проводников…… .10 5. 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( D 2 – d 2 ) ), где D – диаметр шарика (10; 5; 2.5 мм ); d – измеренный д иаметр отпечатка , мм ; h – глубина отпечатка ; при нагрузках , равных 30· D 2 ; 10· D 2 ; 2,5· D 2 твёрдость определяют по таблицам без вычислений ; метод при НВ не выше 450 кгс /мм 2 . 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 / D 2 ), где D – диагональ отпечатка ; Определение твёрдости по Роквеллу – условная характеристика , значение которой отсчитывают по шкале тв ёрдомера ; 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 экс плуатации 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 . Ме тоды 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 возраст а ет 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 к оторого 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 м еньше 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 . В еличина 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 результ аты 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 об р аботки 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 , 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 материало в : 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 /мм 2; · 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 /мм 2 (зависит от группы материалов ); Индикация : 4-х разрядный ЖК-индикатор для величины твердо сти и символов статуса ; Разрешающая способность индикации : 1,0 HL; 1,0 HV; 1,0 HB; 5,0 Н /мм 2 ; 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 значен ия ; 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 п рибором ; Рабочая температура : от -10 0 С до + 50 0 С (более низкие температуры при дополнительном испытании ); Температура хранения : от -20 0 С до + 50 0 С ; 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 изм ерения 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 измерите льные 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 , автомати ческой 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 /мм 2 (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 н а 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 относительн ое 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 /мм 2; 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 /мм 2; 0,1; 0,5; 1 HRC и HRB (по выбору ); Испытуемые мат ериалы : 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 : ба тарейное 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 бол ьшой 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 поверхно стях , 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 ко леблющимся 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 27 0 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 , напри мер , 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 ну ль 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 ниж е 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 з амкнутом 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 ). Из у чение 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 в лиянием 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 достат очно 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 одно роднее 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 с верхпроводимость называется критическим магнитным полем . Зависимость критического поля от температуры описывается эмпирической формулой. В с = B 0 [ 1 - (T/T с ) 2 где В 0 - критическое поле , экстраполированное к абсолютному нулю температуры. Сверхпроводим ость 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 выдвинут а 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 . Лонд о на 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 сверхпрово д ящего 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 охлажде н ия 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 Nb 3 Sn сменился Nb - Al - Ge, затем наибольшая температура была обнаружена d 1973-81гг . у Nb 3 Ge (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 температу ры 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 приме н ения 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 прим е нения 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 проблем а 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 выделен и ем 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 р аботе подвергаются действию различного рода возмущений как механического , так и электромагнитного характера , тоже сопровождающиеся выделением энергии. Основные характеристики композитных ВТСП-проводников. Традиционные сверхпроводники второго рода (спла вы Nb - Ti, соединение Nb 3 Sn ) 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 то нких 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 д иаметром 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 норма л ьного 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 : к роме 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 насто ящее 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 сигнал о в . (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 искажен иями. 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 металла м и 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 ве личине 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 обл асти 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 бро н зовая 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 Прим енение 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 уст ройства 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 Яп онии использует НТСП. другие статические применения а ) передача энергии б ) аккумулирование в ) вращающиеся электрические машины г ) вычислительные устройства Прототипные линии НТСП продемонстрировали свою перспективность. Возможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании аппаратуры. Литература. 1. “Сверхпроводимость” ; Павлов Ю.М , ШугаевВ.А. 2. Советский Энциклопедическ ий Словарь 3. “Общетехнический справочник” ; под ред . Скороходова Е . А . 4. Всемирная сеть Интернет