第七讲 合金的导电性

冷加工变形
将组织偏离平衡状态的钢加热到适当的温度，经保温后随炉 缓慢冷却下来，以获得接近平衡状态组织。 将淬火钢加热到低于临界点的某一温度保温一定时间，使淬火 组织转变为稳定的回火组织，然后以适当的方式冷却到室温。 将钢加热到一定温度下，保温一段时间，使之完全奥氏体化， 使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。 将钢加热到临界温度以上，保温后以大于临界冷却速度的速 度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。
ρ = ρT + ρ '
2）有序固溶体的电阻
合金有序化后电阻降低
电子结合比无序态时强，导电电子数减少
固溶体有序化
晶体的离子势场更为对称，电子的散射降低
合金电阻降低
完全有序合金在0 K和纯金属一样电阻为零， 只有当原子的有序排列遭破坏时才有电阻。
ρ/ µ cm
1——无序（淬火态） 2——有序（退火态）
金属键 PK 离子键或共价键
中间相金属化合物根据是否存在奇异点分为道尔 顿体和别尔多利体两种。
电阻随成分的变化特征
NiSb相
FeSb相
奇异点的存在与否表示金属相能否形成有序结构。
Mg-Ag系相图和出现道尔顿体的成分—性能图
MgAg相的均质区中电导率的极大值与化学计算成分相对应。
Fe2Ti成分的Laves相电阻率与浓度的关系
固溶体
固溶体的最大特点是保持溶剂的晶体结构。 固溶体的最大特点是保持溶剂的晶体结构。
按溶质原子在溶剂中的分布特点分类
无序固溶体：溶质原子在溶剂中任意分布,无规律性。 无序固溶体：溶质原子在溶剂中任意分布,无规律性。 有序固溶体： 有序固溶体：溶质原子按一定比例有规律分布在溶剂 晶格的点阵或间隙里。 晶格的点阵或间隙里。
合金的应用领域
新型合金
储氢合金 形状记忆合金 非晶合金
第二节 合金的பைடு நூலகம்电性
合金基础知识 固溶体的导电性 金属化合物的导电性 多相合金的导电性 金属与合金导电性的测量
2. 固溶体的导电性
1）无序固溶体的电阻
形成固溶体时，导电性能降低。即使是在低导电性的金属 中溶入高导电性的金属溶质也是如此，但电阻随成分连续 变化而无突变。 对于连续固溶体，当组元A溶入组元B时，电阻由B组元的电 阻值逐渐增大至极大值后再逐渐减小到A组元的电阻。
第二章 材料的电学性能
顾修全
中国矿业大学 材料科学与工程学院
本章内容
金属的导电性 合金的导电性与测量 半导体的导电性 材料的介电性 材料的超导电性
第二节 合金的导电性与测量
合金基础知识 固溶体的导电性 金属化合物的导电性 多相合金的导电性 金属与合金导电性的测量
1. 什么是合金？
两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合 熔合（物理变化） 两种或两种以上 熔合 而成具有金属特性 金属特性的物质叫做合金 合金。 金属特性 合金
T/℃ Cu3Au合金有序化对电阻率的影响
a——淬火态 b——退火态 原因：
合金有序化后，晶体的 离子势场更为对称，电 子散射概率降低。
Cu-Au合金的电阻
3）不均匀固溶体（K 状态）
溶质和溶剂原子在微观区域分布不均匀的固溶体。 在含有过渡族元素时所形成的不均匀固溶体其电阻会出现 反常的变化，表现在三个方面： 第一，固溶体经高温淬火后在加热过程中的某一温度区间 具有反常高的电阻率变化，超过一定温度后才使ρ—T呈线 性变化。 第二，经高温淬火的电阻率比退火态的电阻率低，淬火态 经一定温度回火后，其电阻率增高。 第三，退火态固溶体经冷加工后其电阻率反而下降而在回 火(或再结晶退火)后又反常地增加。
测出的Rx实际上并非真正的待测电阻，它包括A、B 两点间的导线电阻和接触电阻。
不能用于低电阻的测量。
测量电阻范围：10 ~ 106
双电桥法
测量臂 比例臂
使 R1 = K·R3 R2 = K·R4
双电桥工作原理示意图 能够测量很小的电阻，调节R1、 R2 、 R3和R4， 令检流计指零、B、D两点电位相等
1——预先经800℃淬火 2——预先冷加工
在400℃的回火时间 ℃ φ/ %
(a) 400℃回火
(b) 随后冷加工时 电阻率的变化
第二节 合金的导电性
合金基础知识 固溶体的导电性 金属化合物的导电性 多相合金的导电性 金属与合金导电性的测量
3. 金属间化合物的导电性
金属化合物的电阻率要比各组元的电阻率高， 若两组元给出价电子的能力相同，则所形成的 化合物的电阻就低；相反，若两组元的电离势 相差较大，则化合物的电阻就大。
无序固溶体
有序固溶体－ 有序固溶体－短程
有序固溶体－ 有序固溶体－长程
有序固溶体－ 有序固溶体－偏聚
中间相（金属间化合物）
中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相, 它可以是化合物,也可以是以化合物为基的固溶体(二次 固溶体),一般可以用化学分子式来表示,但不一定符合 化合价规律。 中间相中原子的结合方式为金属键与其它结合键相混合 的方式。它们都具有金属特性。 中间相如：钢中Fe3C、铝铜合金中CuAl、黄铜中CuZn、半 导体中GaAs、形状记忆合金中NiTi和CuZn、核反应堆材料 中Zr3Al、储氢能源材料中LaNi5等。 中间相分类：正常价化合物、电子化合物、原子尺寸 有关的化合物(间隙相、间隙化合物、TCP相)。
最大电阻率通常在 50 %浓度处 原因：
晶体点阵畸变； 杂质对理想晶体的局部破坏； 合金化对能带结构的影响； 合金化对弹性常数的影响。
Ag-Cu合金电阻率与成分的关系
铁磁性和强顺磁性金属组成 的固溶体，不仅电阻的极大 值出现在较高浓度处，而且 电阻也异常的高。 原因： 原因：价电子转移使有效导 电的电子数减小。 电的电子数减小。 Cu—Pd、Ag—Pd和Au—Pd合金 电组率与成分的关系
绕线电阻：要求精度高，温度系数小，采用锰铜合金等。 电热合金：要求能耐高温，采用Ni-Cr合金、Fe-Cr-Al合金等。 用来传导输送电流的材料，如电线电缆等。 Cu、Al及其合金，其电导率高、延展性好、阻抗损失小。
电接触材料
纯金属材料 合金材料 复合材料
用来减小接触电阻。 广泛应用于大型电力系统、自动控制系统、 通信系统中。
q ρ = ρ1p ⋅ ρ 2
p、q——组元的体积浓度（p + q = 1）
有限溶解度的合金的电导率变化
T/℃
α
α +β
β
对于任意合金电阻率总是 处于组元电阻率之间； 对处于多相区每一合金的
σB
σA σα σα
电导率可由极限浓度固溶 体的 σ α 和 σ β 值的连线 找出来。
电导功能材料
导电材料 电阻材料
淬火态在随后的加热过程中由于原子活动能 力加强会促使K状态的形成，此时电阻率出现 反常升高，但超过一定温度后，K状态成为不 稳定，将变为均匀固溶体，导致电阻率下降并 按正常规律变化。 冷塑性变形可以破坏K状态使其电阻降低， 变形后的加热使K状态恢复，又使电阻升高。
Ni0.80—Cr0.20合金预先淬火或冷加工后在回火过程中 电阻的变化
基本方法
将一系列成分不同的试样加热到略低于共晶(或共析)转变温 度t0，保温足够时间，然后淬火得到过饱和固溶体，把淬火 的一组组试样再分别加热到低于t0的各个温度，保温足够时 间使组织达到平衡，然后再淬火下来测出各试样的电阻率， 作出ρ－B%关系曲线。找出转折点所对应的浓度，即为各 温度下B在A中的溶解度。将各温度下溶解度连成曲线，即 可得到固溶体的溶解度曲线pq。
与温度和组元浓度的关系
低浓度的固溶体中，固溶体电阻率随温度变化的斜 率与溶质原子的含量无关。固溶体的电阻率温度系 数总是小于纯金属的电阻率温度系数。
应用：工业上，电阻合金 应用：工业上，
高浓度固溶体和一些低浓度固溶体的电阻率随温度 的变化，既取决于温度对溶剂金属电阻的影响，又 取决于温度对溶质元素所提供的附加电阻的影响。 低浓度固溶体的电阻率：
Rx = RN
R1 R (R1 R4 − R2 R3 ) + R2 R2 (R + R3 + R4 )
只要使满足
R1 R3 = R2 R 4
测量范围：10-6 ~ 100 测量精度：0.2 %
R1 R2
则待测电阻
Rx = RN
双电桥法能够清除接触电阻和连续引起的附加电阻的影响。
电位差计是用补偿法测量电位差(电动势)的精密仪器。
测定固溶体的溶解度
电阻分析法是测定状态图中固溶体溶解度曲线的有效 方法。 纯金属具有较小的电阻率。当纯金属中溶入其它元素而 形成固溶体时，固溶体的电阻率随溶质元素量的增加呈 曲线变化而增大。当合金呈两相机械混合物时，合金的 电阻率随第二组元含量的增多呈直线规律变化。
不同温度下电阻率随浓度变化及与 状态图的对应关系
研究合金的时效
合金时效的基本过程是固溶体内溶质原子的偏 聚，形成过渡相和析出稳定相。 脱溶过程，电阻显著变化，所以电阻分析是研 究合金时效最有效的方法之一。
铝铜合金的时效： 铝铜合金的时效： 将合金固溶淬火，于20℃下进行低温时效，发现随着时效 时间的变化电阻升高。但如时效温度提高到225 ℃，则电 阻降低。低温时效电阻升高是由于时效初期溶质原子在铝 的晶体中发生聚集，形成不均匀的固溶体。高温时效电阻 降低，则是由于从固溶体中析出了CuAl2相。所以从电阻的 变化可以说明，铝合金内部存在着不同的组织状态变化。
电位差计法
标准电池
待测电动势 RX RS
电势差 电流 电阻
直流电位差计工作原理图
电位差计法测电阻的线路图
用电位差计法测量电阻时，必须在试样两端接以电 流和电位引线，电流引线触点在被测区段之外，只 要接触稳定，其接触电位差和接触电阻对测量结果 就没有影响。
测量精度比双电桥法高。