影响铝合金力學(xué)性能(néng)和電(diàn)导率的主要因素

随着國(guó)防和民(mín)用(yòng)工业的发展, 对铝合金的综合性能(néng)提出了更高的要求。一直用(yòng)于检验铝合金性能(néng)的强度、硬度和塑性等指标已不能(néng)全面地反映其综合性能(néng)。金属材料的電(diàn)學(xué)性能(néng)作為(wèi)反映其综合性能(néng)的指标之一, 愈来愈受到人们的重视。特别是作為(wèi)金属材料電(diàn)學(xué)性能(néng)指标之一的電(diàn)导率, 不仅反映了材料的导電(diàn)能(néng)力, 而且也与材料的成分(fēn)和内部组织有(yǒu)关, 而材料的内部组织又(yòu)与其热处理(lǐ)状态有(yǒu)关。所以, 材料的電(diàn)导率与其热处理(lǐ)状态和力學(xué)性能(néng)必然有(yǒu)一定的关联( 因為(wèi)材料的力學(xué)性能(néng)也决定于材料的成分(fēn)和内部组织) 。近年来, 國(guó)内外已有(yǒu)采用(yòng)测電(diàn)导率的方法来决定铝合金的热处理(lǐ)工艺和某些力學(xué)性能(néng)的报道。本文(wén)将根据有(yǒu)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(fēn)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。電(diàn)导率与合金的塑性变化趋势相似, 即合金化程度愈高, 電(diàn)导率愈低。这是因為(wèi)元素之间形成合金后, 作為(wèi)溶质元素的异类原子会引起作為(wèi)溶剂元素的晶格点阵畸变, 增加了電(diàn)子的散射, 使電(diàn)阻率增大。此外, 合金组元间的相互作用(yòng)引起有(yǒu)效電(diàn)子数减少, 也会使電(diàn)阻率增大。高强铝合金的组织一般為(wèi)固溶體(tǐ)的基體(tǐ)上分(fēn)布着第二相粒子。研究表明: 无论是高强铝合金的力學(xué)性能(néng)还是電(diàn)导率都主要取决于它们的基體(tǐ)组织。对于固溶體(tǐ)基體(tǐ)组织来讲, 固溶程度越高, 其强度越高。但電(diàn)导率却相反, 因為(wèi)固溶程度越高, 表示溶质原子溶入溶剂晶格的数量越多(duō), 引起溶剂晶格的畸变越大, 電(diàn)子的散射越大, 電(diàn)阻率也越大。固溶體(tǐ)的電(diàn)阻率ρs可(kě)用(yòng)马基申定律表示: ρs=ρ_s1+ρ_s2 ( 1)

式中: ρ_s1----溶剂的電(diàn)阻率;

ρ_s2-----溶质引起的電(diàn)阻率,它等于γ·ξ, γ為(wèi)溶质的量比,ξ為(wèi)百分(fēn)之一溶质量比的附加電(diàn)阻率。

由( 1) 式可(kě)知: 固溶體(tǐ)的電(diàn)阻由溶剂的電(diàn)阻和溶质的電(diàn)阻两部分(fēn)组成, 并与溶质原子的浓度有(yǒu)关; 即使溶质元素的電(diàn)导率比溶剂元素的電(diàn)导率大, 形成固溶體(tǐ)后, 電(diàn)阻率也要增大。

合金的均质程度和组织形态对合金的力學(xué)性能(néng)有(yǒu)影响, 同样对電(diàn)學(xué)性能(néng)也有(yǒu)影响。如不均匀固溶體(tǐ)( 溶质原子产生偏聚) 的電(diàn)阻率大于均匀固溶體(tǐ)的電(diàn)阻率; 多(duō)相合金的電(diàn)阻率不仅与组成相的電(diàn)阻率及相对量有(yǒu)关, 而且与合金的组织形态有(yǒu)关。

2、冷塑性变形

冷塑性变形使铝合金的晶體(tǐ)缺陷增多(duō)、晶格畸变加剧, 引起材料的强度、硬度升高, 塑性、韧性降低。这种晶格畸变和晶體(tǐ)缺陷增加, 特别是空位浓度的增加, 会造成点阵電(diàn)场的不均匀而加剧電(diàn)子波的散射, 结果引起材料的電(diàn)阻率增大。所以说冷塑性变形对铝合金的力學(xué)性能(néng)和電(diàn)导率均有(yǒu)影响, 但影响趋势相反。即冷塑性变形使铝合金的力學(xué)性能(néng)产生强化( 加工硬化) , 電(diàn)學(xué)性能(néng)产生弱化( 電(diàn)导率降低)。

3、回复与再结晶

回复可(kě)以减少材料的晶體(tǐ)缺陷, 特别是点缺陷浓度, 使点阵電(diàn)场的不均匀程度降低, 结果使铝合金的電(diàn)阻率降低。再结晶可(kě)以消除铝合金冷塑性变形时形成的晶體(tǐ)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, 電(diàn)阻率也恢复到冷塑性变形前的状态。对铝合金的力學(xué)性能(néng)而言, 回复可(kě)以消除材料的内应力, 再结晶可(kě)以使其力學(xué)性能(néng)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學(xué)性能(néng)和导電(diàn)率的影响趋势相同。

4、温度

以自由電(diàn)子為(wèi)导電(diàn)机理(lǐ)的金属材料, 尽管温度对有(yǒu)效電(diàn)子数和電(diàn)子平均速度几乎没有(yǒu)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,会使電(diàn)子运动的自由程减小(xiǎo), 散射几率增加, 结果导致材料的导電(diàn)率降低( 電(diàn)阻率增大) 。纯金属的電(diàn)阻率与温度的关系见式2: ρ_t =ρ₀(1+αΔT) (2)

式中: ρ_t----電(diàn)阻率;

ρ₀----标准态( 通常為(wèi)20°C) 的電(diàn)阻率;

α---- 電(diàn)阻温度系数;

ΔT---- 温差( 环境温度--标准温度) 。

金属材料的强度、硬度一般随温度的升高而降低, 铝合金也是如此。即温度对铝合金强度、硬度等力學(xué)性能(néng)的影响与温度对铝合金電(diàn)导率的影响有(yǒu)相似的趋势。

5、热处理(lǐ)工艺

当铝合金的成分(fēn)一定时, 其力學(xué)性能(néng)和電(diàn)导率的高低就取决于该材料的内部组织, 而材料的内部组织又(yòu)受其热处理(lǐ)工艺的影响。所以, 研究热处理(lǐ)工艺对铝合金力學(xué)性能(néng)和電(diàn)导率的影响有(yǒu)十分(fēn)重要的意义。铝合金的热处理(lǐ)工艺, 主要是固溶和时效处理(lǐ), 其次均匀化和再结晶退火。这些工艺主要是影响合金的均匀性、第二相分(fēn)布和组织形态, 并以此来影响合金的力學(xué)性能(néng)和電(diàn)导率。固溶处理(lǐ)的一般情况是: 固溶程度越高, 合金的力學(xué)性能(néng)越高, 電(diàn)导率越低( 因為(wèi)合金的固溶程度越高, 晶格畸变程度越大, 電(diàn)子散射越严重)。时效处理(lǐ)的一般情况是: 时效初期合金的强度和電(diàn)导率变化趋势相同, 时效后期二者的变化趋势相反, 这主要取决于强化相的析出程度。此外, 时效方式对合金的力學(xué)性能(néng)和電(diàn)导率也有(yǒu)影响, 如对7075 铝合金的研究表明:双级时效的電(diàn)导率高于单级时效的電(diàn)导率。

本文(wén)摘自由宁爱林等发表的《铝合金的力學(xué)性能(néng)及其電(diàn)导率》一文(wén)

虽然人们已经发现了铝合金的電(diàn)导率与其某些力學(xué)性能(néng)有(yǒu)关联, 但还不十分(fēn)清楚这种关联的内在联系。因此, 用(yòng)铝合金的電(diàn)导率来推测或判断其力學(xué)性能(néng)的可(kě)靠性尚有(yǒu)待进一步研究。

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