影响铝合金力学性能和电导率的主要因素

随着国防和民用工业的发展, 对铝合金的综合性能提出了更高的要求。一直用于检验铝合金性能的强度、硬度和塑性等指标已不能全面地反映其综合性能。金属材料的电学性能作为反映其综合性能的指标之一, 愈来愈受到人们的重视。特别是作为金属材料电学性能指标之一的电导率, 不仅反映了材料的导电能力, 而且也与材料的成分和内部组织有关, 而材料的内部组织又与其热处理状态有关。所以, 材料的电导率与其热处理状态和力学性能必然有一定的关联( 因为材料的力学性能也决定于材料的成分和内部组

织) 。近年来,  国内外已有采用测电导率的方法来决定铝合金的热处理工艺和某些力学性能的报道。本文将根据有关资料及课题组的实验情况, 在这方面作一简要介绍。

1、合金的成分与组织

一般情况下, 合金的合金化程度愈高, 合金的强度也愈高, 塑性则相反。电导率与合金的塑性变化趋势相似, 即合金化程度愈高, 电导率愈低。这是因为元素之间形成合金后, 作为溶质元素的异类原子会引起作为溶剂元素的晶格点阵畸变, 增加了电子的散射, 使电阻率增大。此外, 合金组元间的相互作用引起有效电子数减少, 也会使电阻率增大。高强铝合金的组织一般为固溶体的基体上分布着第二相粒子。研究表明: 无论是高强铝合金的力学性能还是电导率都主要取决于它们的基体组织。对于固溶体基体组织来讲, 固溶程度越高, 其强度越高。但电导率却相反, 因为固溶程度越高, 表示溶质原子溶入溶剂晶格的数量越多, 引起溶剂晶格的畸变越大, 电子的散射越大, 电阻率也越大。固溶体的电阻率 ρs 可用马基申定律表示:

ρs=ρs1+ρs2 ( 1)

式中: ρs1 溶剂的电阻率;

ρs2 溶质引起的电阻率,它等于 γ·γ, γ 为溶质的量比,γ 为百分之一溶质量比的附加电阻率。

由( 1) 式可知: 固溶体的电阻由溶剂的电阻和溶质的电阻两部分组成, 并与溶质原子的浓度有关; 即使溶质元素的电导率比溶剂元素的电导率大, 形成固溶体后, 电阻率也要增大。

合金的均质程度和组织形态对合金的力学性能有影响, 同样对电学性能也有影响。如不均匀固溶体( 溶质原子产生偏聚) 的电阻率大于均匀固溶体的电阻率; 多相合金的电阻率不仅与组成相的电阻率及相对量有关, 而且与合金的组织形态有关。

2、冷塑性变形

冷塑性变形使铝合金的晶体缺陷增多、晶格畸变加剧, 引起材料的强度、硬度升高, 塑性、韧性降低。这种晶格畸变和晶体缺陷增加, 特别是空位浓度的增加, 会造成点阵电场的不均匀而加剧电子波的散射, 结果引起材料的电阻率增大。所以说冷塑性变形对铝合金的力学性能和电导率均有影响, 但影响趋势相反。即冷塑性变形使铝合金的力学性能产生强化( 加工硬化) , 电学性能产生弱化( 电导率降低)。

3、回复与再结晶

回复可以减少材料的晶体缺陷, 特别是点缺陷浓度, 使点阵电场的不均匀程度降低, 结果使铝合金的电阻率降低。再结晶可以消除铝合金冷塑性变形时形成的晶体缺陷和晶格畸变, 使铝合金的组织恢复到冷塑性变形前的状态, 此时, 电阻率也恢复到冷塑性变形前的状态。对铝合金的力学性能而言, 回复可以消除材料的内应力, 再结晶可以使其力学性能恢复到冷塑性变形前的状态。所以说回复与再结晶对铝合金的力学性能和导电率的影响趋势相同。

4、温度

以自由电子为导电机理的金属材料, 尽管温度对有效电子数和电子平均速度几乎没有影响, 但由于温度升高而引起离子振动加剧, 原子无序度增加,会使电子运动的自由程减小, 散射几率增加, 结果导致材料的导电率降低( 电阻率增大) 。纯金属的电阻率与温度的关系见式 2: ρt =ρ0(1+ααT) (2)

式中: ρt 电阻率;

ρ0----标准态( 通常为 20°C) 的电阻率;

α 电阻温度系数;