Биметаллы: определение свойства и применения

Биметалл определяется как объект, состоящий из двух отдельных металлов, соединенных вместе металлургическим процессом. В отличие от сплавов, которые являются смесью двух или более металлов, биметаллы состоят из слоев различных металлов, сохраняющих свои индивидуальные свойства. Биметаллы также могут называться биметаллическими продуктами или двухкомпонентными материалами.

Биметаллы характеризуются двумя различными металлическими зонами исходных металлов, которые механически и электрически работают как единое целое. Преимущество биметаллов заключается в возможности полного использования лучших качеств каждого металла в одном продукте. Например, биметаллы могут сочетать прочность одного металла с коррозионной стойкостью другого, или проводимость одного металла с экономичностью другого.

Биметаллы широко используются в различных отраслях и приложениях, таких как электрические проводники, электрические контакты, термостаты, термометры, защитные устройства, часы, монеты, банки, лезвия и многое другое. В этой статье мы рассмотрим принцип работы, распространенные комбинации и основные применения биметаллов.

Как работают биметаллы?

Принцип работы биметаллов основан на том, что разные металлы имеют разные коэффициенты линейного теплового расширения (αL), что означает, что они расширяются или сжимаются с разной скоростью при нагреве или охлаждении. Коэффициент линейного теплового расширения определяется как доля изменения длины на градус изменения температуры.

Где,

l - начальная длина объекта,

Δl - изменение длины,

Δt - изменение температуры,

Единица αL - на °C.

Биметалл состоит из двух полос двух разных металлов, имеющих разные коэффициенты линейного теплового расширения, сваренных вместе по длине. Биметалл при нормальной температуре показан на рисунке ниже.

При нагревании изменения в длине обеих металлических полос различны. Это приводит к тому, что биметаллический элемент изгибается и образует дугу таким образом, что металл с большим коэффициентом линейного теплового расширения находится на внешней стороне дуги, а металл с меньшим коэффициентом линейного теплового расширения - на внутренней стороне дуги, как показано на рисунке ниже.

При охлаждении биметаллический элемент изгибается и образует дугу таким образом, что металл с меньшим коэффициентом линейного теплового расширения находится на внешней стороне дуги, а металл с большим коэффициентом линейного теплового расширения - на внутренней стороне дуги, как показано на рисунке ниже.

Это явление можно использовать для создания полезного устройства для обнаружения и измерения изменений температуры.

Какие распространенные комбинации используются для изготовления биметаллов?

Многие комбинации металлов с разными коэффициентами линейного теплового расширения могут использоваться для формирования биметаллов. Некоторые из наиболее часто используемых комбинаций для изготовления биметаллических полос перечислены ниже:

• Железо (высокий αL) и никель (низкий αL)

• Латунь (высокий αL) и сталь (низкий αL)

• Медь (высокий αL) и железо (низкий αL)

• Константан (высокий αL) и Инвар (низкий αL)

Какие основные применения у биметаллов?

Биметаллы имеют множество применений в различных областях. Некоторые из них перечислены ниже:

Термостаты

Биметаллы очень полезны для изготовления термостатов для автоматического переключения цепей, чтобы контролировать температуру определенных устройств, таких как электрические нагреватели, утюги, холодильники, электрические печи и т.д. В некоторых цепях ток, проходящий через термостат, сам производит тепло для его работы.

Типичный биметаллический термостат для этой операции показан на рисунке ниже:

В работе как термостат, один конец биметалла фиксируется и подключается к источнику питания. Другой конец свободен для движения. Электрический контакт прикреплен к свободному концу биметалла, который движется вместе с его расширением и изгибом.

При нормальной температуре этот движущийся контакт соприкасается с фиксированным контактом, как