影響鋁合金力學(xué)性能和電導(dǎo)率的主要因素

隨著國(guó)防和民用工業(yè)的發(fā)展, 對(duì)鋁合金的綜合性能提出了更高的要求。一直用于檢驗(yàn)鋁合金性能的強(qiáng)度、硬度和塑性等指標(biāo)已不能全面地反映其綜合性能。金屬材料的電學(xué)性能作為反映其綜合性能的指標(biāo)之一, 愈來(lái)愈受到人們的重視。特別是作為金屬材料電學(xué)性能指標(biāo)之一的電導(dǎo)率, 不僅反映了材料的導(dǎo)電能力, 而且也與材料的成分和內(nèi)部組織有關(guān), 而材料的內(nèi)部組織又與其熱處理狀態(tài)有關(guān)。所以, 材料的電導(dǎo)率與其熱處理狀態(tài)和力學(xué)性能必然有一定的關(guān)聯(lián)( 因?yàn)椴牧系牧W(xué)性能也決定于材料的成分和內(nèi)部組織) 。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外已有采用測(cè)電導(dǎo)率的方法來(lái)決定鋁合金的熱處理工藝和某些力學(xué)性能的報(bào)道。本文將根據(jù)有關(guān)資料及課題組的實(shí)驗(yàn)情況, 在這方面作一簡(jiǎn)要介紹。

1、合金的成分與組織

一般情況下, 合金的合金化程度愈高, 合金的強(qiáng)度也愈高, 塑性則相反。電導(dǎo)率與合金的塑性變化趨勢(shì)相似, 即合金化程度愈高, 電導(dǎo)率愈低。這是因?yàn)樵刂g形成合金后, 作為溶質(zhì)元素的異類原子會(huì)引起作為溶劑元素的晶格點(diǎn)陣畸變, 增加了電子的散射, 使電阻率增大。此外, 合金組元間的相互作用引起有效電子數(shù)減少, 也會(huì)使電阻率增大。高強(qiáng)鋁合金的組織一般為固溶體的基體上分布著第二相粒子。研究表明: 無(wú)論是高強(qiáng)鋁合金的力學(xué)性能還是電導(dǎo)率都主要取決于它們的基體組織。對(duì)于固溶體基體組織來(lái)講, 固溶程度越高, 其強(qiáng)度越高。但電導(dǎo)率卻相反, 因?yàn)楣倘艹潭仍礁?/span>, 表示溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格的數(shù)量越多, 引起溶劑晶格的畸變?cè)酱?/span>, 電子的散射越大, 電阻率也越大。固溶體的電阻率ρs可用馬基申定律表示: ρs=ρ_s1+ρ_s2 ( 1)

式中: ρ_s1----溶劑的電阻率;

ρ_s2-----溶質(zhì)引起的電阻率,它等于γ·ξ, γ為溶質(zhì)的量比,ξ為百分之一溶質(zhì)量比的附加電阻率。

由( 1) 式可知: 固溶體的電阻由溶劑的電阻和溶質(zhì)的電阻兩部分組成, 并與溶質(zhì)原子的濃度有關(guān); 即使溶質(zhì)元素的電導(dǎo)率比溶劑元素的電導(dǎo)率大, 形成固溶體后, 電阻率也要增大。

合金的均質(zhì)程度和組織形態(tài)對(duì)合金的力學(xué)性能有影響, 同樣對(duì)電學(xué)性能也有影響。如不均勻固溶體( 溶質(zhì)原子產(chǎn)生偏聚) 的電阻率大于均勻固溶體的電阻率; 多相合金的電阻率不僅與組成相的電阻率及相對(duì)量有關(guān), 而且與合金的組織形態(tài)有關(guān)。

2、冷塑性變形

冷塑性變形使鋁合金的晶體缺陷增多、晶格畸變加劇, 引起材料的強(qiáng)度、硬度升高, 塑性、韌性降低。這種晶格畸變和晶體缺陷增加, 特別是空位濃度的增加, 會(huì)造成點(diǎn)陣電場(chǎng)的不均勻而加劇電子波的散射, 結(jié)果引起材料的電阻率增大。所以說(shuō)冷塑性變形對(duì)鋁合金的力學(xué)性能和電導(dǎo)率均有影響, 但影響趨勢(shì)相反。即冷塑性變形使鋁合金的力學(xué)性能產(chǎn)生強(qiáng)化( 加工硬化) , 電學(xué)性能產(chǎn)生弱化( 電導(dǎo)率降低)。

3、回復(fù)與再結(jié)晶

回復(fù)可以減少材料的晶體缺陷, 特別是點(diǎn)缺陷濃度, 使點(diǎn)陣電場(chǎng)的不均勻程度降低, 結(jié)果使鋁合金的電阻率降低。再結(jié)晶可以消除鋁合金冷塑性變形時(shí)形成的晶體缺陷和晶格畸變, 使鋁合金的組織恢復(fù)到冷塑性變形前的狀態(tài), 此時(shí), 電阻率也恢復(fù)到冷塑性變形前的狀態(tài)。對(duì)鋁合金的力學(xué)性能而言, 回復(fù)可以消除材料的內(nèi)應(yīng)力, 再結(jié)晶可以使其力學(xué)性能恢復(fù)到冷塑性變形前的狀態(tài)。所以說(shuō)回復(fù)與再結(jié)晶對(duì)鋁合金的力學(xué)性能和導(dǎo)電率的影響趨勢(shì)相同。

4、溫度

以自由電子為導(dǎo)電機(jī)理的金屬材料, 盡管溫度對(duì)有效電子數(shù)和電子平均速度幾乎沒(méi)有影響, 但由于溫度升高而引起離子振動(dòng)加劇, 原子無(wú)序度增加,會(huì)使電子運(yùn)動(dòng)的自由程減小, 散射幾率增加, 結(jié)果導(dǎo)致材料的導(dǎo)電率降低( 電阻率增大) 。純金屬的電阻率與溫度的關(guān)系見式2: ρ_t =ρ₀(1+αΔT) (2)

式中: ρ_t----電阻率;

ρ₀----標(biāo)準(zhǔn)態(tài)( 通常為20°C) 的電阻率;

α---- 電阻溫度系數(shù);

ΔT---- 溫差( 環(huán)境溫度--標(biāo)準(zhǔn)溫度) 。

金屬材料的強(qiáng)度、硬度一般隨溫度的升高而降低, 鋁合金也是如此。即溫度對(duì)鋁合金強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能的影響與溫度對(duì)鋁合金電導(dǎo)率的影響有相似的趨勢(shì)。

5、熱處理工藝

當(dāng)鋁合金的成分一定時(shí)，其力學(xué)性能和電導(dǎo)率的高低就取決于該材料的內(nèi)部組織， 而材料的內(nèi)部組織又受其熱處理工藝的影響。所以，研究熱處理工藝對(duì)鋁合金力學(xué)性能和電導(dǎo)率的影響有十分重要的意義。鋁合金的熱處理工藝, 主要是固溶和時(shí)效處理， 其次均勻化和再結(jié)晶退火。這些工藝主要是影響合金的均勻性、第二相分布和組織形態(tài), 并以此來(lái)影響合金的力學(xué)性能和電導(dǎo)率。固溶處理的一般情況是: 固溶程度越高, 合金的力學(xué)性能越高, 電導(dǎo)率越低( 因?yàn)楹辖鸬墓倘艹潭仍礁?/span>, 晶格畸變程度越大, 電子散射越嚴(yán)重)。時(shí)效處理的一般情況是：時(shí)效初期合金的強(qiáng)度和電導(dǎo)率變化趨勢(shì)相同，時(shí)效后期二者的變化趨勢(shì)相反, 這主要取決于強(qiáng)化相的析出程度。此時(shí)效方式對(duì)合金的力學(xué)性能和電導(dǎo)率也有影響， 如對(duì)7075 鋁合金的研究表明:雙級(jí)時(shí)效的電導(dǎo)率高于單級(jí)時(shí)效的電導(dǎo)率。

                                            編輯整理：東莞市博望金屬材料有限公司

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                                                                                                             二O一六年八月一日