Біметали: Визначення, властивості та застосування
Біметал визначається як об'єкт, складений з двох окремих металів, з'єднаних між собою за допомогою металургічного процесу. На відміну від сплавів, які є сумішами двох або більше металів, біметали складаються з шарів різних металів, які зберігають свої індивідуальні властивості. Біметали також можна називати біметалевими продуктами або бікомпонентними матеріалами.
Біметали характеризуються двома відрізняючимися металевими зонами базових металів, які механічно та електрично функціонують як єдине ціле. Перевага біметалів полягає у здатності повністю використовувати найкращі властивості кожного металу в одному продукті. Наприклад, біметали можуть поєднувати міцність одного металу з корозійною стійкістю іншого, або провідність одного металу з економічністю іншого.
Біметали широко використовуються в різних галузях і застосуваннях, таких як електричні провідники, електричні контакти, термостати, термометри, захисні пристрої, годинники, монети, банки, леза і багато іншого. У цій статті ми розглянемо принцип роботи, типові комбінації та основні застосування біметалів.
Як працюють біметали?
Принцип роботи біметалів базується на тому, що різні метали мають різні коефіцієнти лінійного теплового розширення (αL), що означає, що вони розширюються або стискаються з різною швидкістю при нагріванні або охолодженні. Коефіцієнт лінійного теплового розширення визначається як дробове змінення довжини на один градус зміни температури.
Де,
l — початкова довжина об'єкта,
Δl — зміна довжини,
Δt — зміна температури,
Одиниця αL — на °C.
Біметал складається з двох стрічок з двох різних металів, які мають різні коефіцієнти лінійного теплового розширення, сварених разом вздовж довжини. Біметал при нормальній температурі показаний на нижньому малюнку.
При нагріванні, розширення довжин обох металевих стрічок різні. Це призводить до того, що біметалевий елемент гнеться і формує дугу таким чином, що метал з вищим коефіцієнтом лінійного теплового розширення знаходиться на зовнішній стороні дуги, а метал з нижчим коефіцієнтом лінійного теплового розширення знаходиться на внутрішній стороні дуги, як показано на нижньому малюнку.
При охолодженні, біметалевий елемент гнеться і формує дугу таким чином, що метал з нижчим коефіцієнтом лінійного теплового розширення знаходиться на зовнішній стороні дуги, а метал з вищим коефіцієнтом лінійного теплового розширення знаходиться на внутрішній стороні дуги, як показано на нижньому малюнку.
Цей явище можна використовувати для створення корисного пристрою для виявлення та вимірювання змін температури.
Які є типові комбінації для виготовлення біметалів?
Для формування біметалів можна використовувати багато комбінацій металів з різними коефіцієнтами лінійного теплового розширення. Деякі з часто використовуваних комбінацій для виготовлення біметалевих стрічок наведено нижче:
Залізо (високий αL) та нікель (низький αL)
Латунь (високий αL) та сталь (низький αL)
Мідь (високий αL) та залізо (низький αL)
Константан (високий αL) та Інвар (низький αL)
Які є основні застосування біметалів?
Біметали мають багато застосувань у різних галузях. Деякі з них наведено нижче:
Термостати
Біметали дуже корисні для виготовлення термостатів для автоматичного переключення схем для контролю температури певних пристроїв, таких як електричні опалювачі, електроплітки, холодильники, електричні печі тощо. В деяких схемах струм, що проходить через термостат, самостійно виробляє тепло для його роботи.
Типовий біметалевий термостат для цієї операції показаний на нижньому малюнку:
