合金元素添加量對(duì)Al-Mg-Si合金導(dǎo)電性能的影響及計(jì)算研究VIP

1、合金元素添加量對(duì)Al-Mg-Si合金導(dǎo)電性能的影響及計(jì)算研究 The conductive effect and the correlative computing research in Alloy element content on the properties of Al - Mg - Si alloy Aluminum as conductive rate second only to silver and copper metal conductor, with its price and resource advantage, gradually developed into i

2、nstead of copper conductive material, but because of its soft, in the field of important application is still limited. Therefore, Al application in the field of conductive still is given priority to with steel core aluminum stranded wire, this not only increases the application costs, also increased

3、 the recovery is difficult. As the 12th five-year plan for national grid laid the plan and implementation of the aluminum single wire research and development, especially 6xxx series alloy development become the focus of the various research institutions research object. With aluminum alloy conducto

4、r is constantly research and development, especially the great development of the power system in recent years, Al - Mg - Si alloy materials have been central to research in the area. First, since the Mg and Si two element size and Al atoms were small size, lattice distortion caused by the small, th

5、ereby reducing the risk of the electron scattering. Secondly, two elements formed Mg2Si phase is strips or rod with high intensity, to increase the tensile strength of alloy has very obvious effect. Are related in the early 1930 s of alloying elements on the relationship between the resistance and m

6、apping, and through the M T CCEH - EMH rules for aluminum material conductivity has carried on the qualitative and quantitative research, research suggests that aluminum resistance is caused by resistance matrix and alloy element residual resistance, at the same time, using the mathematical model of

7、 quantitative expounds the relationship between the influence of mass ratio and the alloy elements, but in the process of the application of the other effect due to the rolling process of aluminum rod, small resistivity calculated according to the rules. In nearly a decade, the scientific frontier r

8、esearchers through simulation and practice to explore elements effect the performance of the aluminum alloy conductive, there are more and more people realize the importance of quantitative research on conductivity and strength is. Several teachers, such as cai-xia xu and gui-qin wang respectively e

9、xpounds the elements in the alloy and the influence of way fitting curve, with the content of element was given the influence of the size. Based on the predecessors' research results, combined with the M - rules on the properties of conductive paper, introducing the quantitative study of the

10、 impact of space, for M T CCEH - EMH revised rules, to a great extent, improve the conductive calculation accuracy. Key words: aluminum alloy, conductivity, forecast 前 言 鋁作為導(dǎo)電率僅次于銀與銅的金屬導(dǎo)體，以其價(jià)格和資源優(yōu)勢，逐步發(fā)展成為代替銅的導(dǎo)電材料，但由于其質(zhì)地柔軟，在重要領(lǐng)域應(yīng)用仍然受限。故此，Al在導(dǎo)電領(lǐng)域的應(yīng)用仍然以鋼芯鋁絞線為主，這不但增加了應(yīng)用成本，也加大了回收難度。隨著十二五計(jì)劃對(duì)國家電網(wǎng)鋪設(shè)的計(jì)劃實(shí)施，鋁單

11、線的研發(fā)，尤其是6XXX系合金的研發(fā)成為各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究對(duì)象。 隨著鋁合金導(dǎo)線不斷研究發(fā)展，尤其是近些年電力系統(tǒng)的大力發(fā)展下，Al-Mg-Si合金材料成為此領(lǐng)域的研究核心。首先，由于Mg、Si兩種元素原子尺寸與Al原子尺寸相差不大，引起的晶格畸變較小，進(jìn)而減少了電子散射的幾率。其次，兩種元素形成的Mg2Si相是具有高強(qiáng)度的條狀或桿狀相，對(duì)增加合金抗拉強(qiáng)度有非常明顯的作用。 早在上世紀(jì)30年代就有相關(guān)的合金元素與電阻之間的關(guān)系圖譜，并通過MTCCEH-EMH規(guī)則對(duì)鋁材料導(dǎo)電率進(jìn)行了定性和定量研究，研究認(rèn)為鋁材料電阻是由基體電阻和合金元素導(dǎo)致的殘余電阻所決定，同時(shí)用數(shù)學(xué)模型定量的闡述了合金元

12、素質(zhì)量比和元素的影響關(guān)系，但應(yīng)用過程中由于鋁桿的軋制過程的其他影響，根據(jù)該規(guī)則計(jì)算所得的電阻率偏小。 近十年來，科學(xué)前沿的研究者們通過模擬和實(shí)踐結(jié)合來探索元素對(duì)鋁合金導(dǎo)電性能的影響，也有越來越多的人意識(shí)到對(duì)導(dǎo)電率和強(qiáng)度進(jìn)行定量研究的重要性。如徐彩霞與王桂芹等幾位老師，分別闡述了元素在合金中的影響方式并擬合曲線，給出了元素的隨含量增多的影響大小。 本文在前人研究成果之上，結(jié)合M-規(guī)則對(duì)導(dǎo)電性能的闡述，引入對(duì)空位影響的定量研究，針對(duì)MTCCEH-EMH規(guī)則進(jìn)行了修正，在很大程度上提高了導(dǎo)電計(jì)算的精確性。 關(guān)鍵詞：鋁合金，導(dǎo)電性能，預(yù)測 1 實(shí)驗(yàn)試樣材料制取方法 1.1 實(shí)驗(yàn)成分設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)材料為Al

13、-Mg-Si合金材料，參照6063成分，設(shè)計(jì)Al-Mg-Si電工桿實(shí)驗(yàn)用成分6： WSi% WFe% WCu% WMg% 方案1 方案2 方案3 方案4 方案5 0.3 0.4 0.4 0.5 0.5 0.13 0.13 0.13 0.13 0.13 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.4 0.4 0.5 0.6 0.8 1.2 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì) 在型號(hào)坩堝加熱至710，在坩堝中鋁全部熔化后依次加入Si、Mg、Fe、Cu合金，待溫度穩(wěn)定后加溫至730精煉，待坩堝內(nèi)金屬全部熔化，對(duì)液態(tài)金屬進(jìn)行撈渣和攪拌，并進(jìn)行氬氣精煉，靜止且保溫一段時(shí)間后，澆鑄至金屬型中，得到126mm×

14、;300mm錠，將熔鑄錠在400下熱擠壓成12mm的鋁桿，每種成分分別在不同部位截取7組共35個(gè)實(shí)驗(yàn)試樣，為了提高合金性能，進(jìn)行200×1.5h熱處理。對(duì)制備的實(shí)驗(yàn)試樣分別進(jìn)行性能和成分測試，測試結(jié)果如表1. 表1 熱擠壓后Al-Mg-Si電阻數(shù)據(jù) 注：為電阻（×103/m）,為抗拉強(qiáng)度（MPa），W%為合金元素重量百分?jǐn)?shù)，為平均伸長率。 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及導(dǎo)電率數(shù)學(xué)模型建立 2.1 合金元素添加量對(duì)導(dǎo)電率的影響 MTCCEH-EMH規(guī)則認(rèn)為，一切除基體金屬外的合金元素的添加均會(huì)增加合金電阻。因此，通過在合金中不同添加元素重量百分比，研究合金元素量對(duì)合金導(dǎo)電率的影響。通過表

15、1中的測試結(jié)果可以看出隨著合金元素重量百分比的增加，電阻值隨之增加，這也驗(yàn)證了MTCCEH-EMH規(guī)則的正確性。 不同成分下的金相如圖所示： ? ? ? 圖1 Al-Mg-Si導(dǎo)電鋁試樣金相 Mg、Si重量比例的越大，作為第二相Mg2Si的帶有小尖角狀的黑色顆粒越密集，由于Mg2Si在Al中固溶度非常小，在時(shí)效處理后主要以與母相呈半共格或者非共格的形式存在，這樣造成的晶格畸變相對(duì)固溶態(tài)變小，但更加集中，且在變形過程中容易作為釘扎質(zhì)點(diǎn)造成的缺 1陷相對(duì)增多。 時(shí)效后Al中殘余Si會(huì)以塊狀形態(tài)存在，而此時(shí)的Si對(duì)導(dǎo)電率影響非常大，且殘余Si一旦 2超過0.06%便會(huì)引起晶間腐蝕。而添加的Fe元素則

16、會(huì)結(jié)合殘余Si相形成棒狀或針狀的 AlFeSi相，以此來降低過剩Si含量，進(jìn)而有效促進(jìn)Mg2Si富集，熔斷強(qiáng)化相尖角，除了增 5 加基體的抗拉強(qiáng)度外，可以減少裂紋源，進(jìn)而減小微觀晶格畸變所引起的宏觀電阻。 圖2 Al-Fe-Si相電鏡掃描與對(duì)應(yīng)能譜 圖3 過剩Si相電鏡掃描與對(duì)應(yīng)能譜 2.2 MTCCEH-EMH規(guī)則理論值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析 根據(jù)MTCCEH-EMH規(guī)則對(duì)微觀狀態(tài)下合金元素對(duì)電阻的描述，合金元素添加會(huì)引起基體的點(diǎn)陣畸變，雜亂無章的電子分布會(huì)增加電子散射的幾率，從而增加了電阻，規(guī)則 2認(rèn)為合金元素的摩爾分?jǐn)?shù)小于1%時(shí)，電阻的增加與濃度成正比，即可以將合金電阻表示 2為 ： =

17、20+0 （1） 其中20為20下基體金屬的電阻0.2548/m，0為殘余電阻，0=x,x為添加元素的摩爾分?jǐn)?shù)，為添加元素的摩爾電阻系數(shù)。 根據(jù)文獻(xiàn)7記載，電工用鋁包含的主要合金元素隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化產(chǎn)生電阻的電阻系數(shù)（即1mol合金元素增加的電阻）分別為：Mg0.54、Cu0.344、Fe0.0816、Si0.727 由此計(jì)算實(shí)驗(yàn)試樣理論電阻值分別為0.2562x103/m、0.2565x103/m、0.2569x103/m、0.2570x103/m、0.2573x103/m，由此也驗(yàn)證了根據(jù)MTCCEH-EMH規(guī)則計(jì)算的理論值要比實(shí)測數(shù)據(jù)平均值要小。 這是因?yàn)槌撕辖鹪卦诨w中形成的晶格畸變

18、引起電阻升高外，結(jié)晶和變形過程中形成大量的點(diǎn)、線、面缺陷對(duì)電子移動(dòng)也起阻礙作用，而這些缺陷形成的根本原因是原子脫離節(jié)點(diǎn)，以間隙原子、空位或排列成位錯(cuò)等缺陷狀態(tài)存在，那么所有缺陷在每一個(gè)單位體積橫截面上的原子層上反映出來的就是空位和間隙原子，那么就可以通過數(shù)學(xué)模型對(duì)空位形成濃度的描述來量化缺陷的影響。 2.3 MTCCEH-EMH規(guī)則修正 針對(duì)MTCCEH-EMH規(guī)則只是對(duì)合金元素的電子散射能力進(jìn)行了闡述，忽略了隨著合金元素添加產(chǎn)生的空位對(duì)電阻的影響，我們需要對(duì)此規(guī)則進(jìn)行修正。 由于實(shí)驗(yàn)用電工鋁桿檢測前經(jīng)過時(shí)效處理，而時(shí)效處理過程的實(shí)質(zhì)是固溶于基體的合金元素的脫溶過程9 ，故此檢測時(shí)，電工桿可看

19、做內(nèi)部缺陷已經(jīng)處于熱力學(xué)穩(wěn)定階段，即根據(jù)對(duì)點(diǎn)缺陷的基本定義，可將點(diǎn)缺陷平衡濃度描述為： C=Aexp(- 3Ev) （2） kT根據(jù)文獻(xiàn)記載，鋁中形成一個(gè)空位的空位形成能為0.76ev/mol，k為波爾茲曼常數(shù) 8.02x10-5ev/k.，A為振動(dòng)熵的影響參數(shù)，通常取1. 由于實(shí)驗(yàn)試樣經(jīng)過200時(shí)效后過冷度較大，可以近似認(rèn)為空位基本保留，故此根據(jù)平衡濃度公式可計(jì)算鋁基體在200時(shí)的空位形成濃度約為2×10-9/mol，每個(gè)試樣取1m，約為11.304mol，即空位濃度約為22.6×10-9。 可以認(rèn)為基體電阻除元素本身外，空位濃度也是電阻增加的一方面，故此在公式描述時(shí)可表

20、示為： =20+0+C （3） 但我們尚需考慮另一個(gè)問題，合金含量添加必然會(huì)使得基體內(nèi)部熵值增大，混亂度增加，缺陷隨著添加量的增多而增多，尤其是如Mg、Si這種影響因子比較大的元素，故此對(duì)0的描述需要用指數(shù)形式進(jìn)行，這里我們選用e來表達(dá)： =20+0+Ce （4） 通過第一組到第五組實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算修正，確定空位影響參數(shù)大小分別為10.28、12.29、13.61、13.65、13.67。 非常明顯的看到，空位參數(shù)隨著合金元素添加量的增多，參數(shù)逐漸增大，但增大速率逐漸減小，即： ?2?v；2?a （5） ?w?w 其中v為衰減速率，a為減小加速率； 牛頓前插公式計(jì)算： 10.28 12.29?10

21、.28?0.2 10.28 12.29 0.11?0.2?0.45 0.2 13.61 13.65 13.61-12.29?0.11 12.29 13.65?13.61?0.03 13.61 0.014?0.03?0.530.03 13.67?13.65?0.014 13.65 13.67 即可得到數(shù)列公式 ?n?0(1?vn)n （6） vn?v0(1?a)n （7） a?0.49; 故此MTCCEH-EMH規(guī)則修正表達(dá)式可表示為： ： ?20?0?Cexp?0v0(1?a)nn （8） 其中n為添加合金元素次數(shù)（每0.1%添加量認(rèn)為是添加一次），?0與v0在本實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為是第一組試樣計(jì)算出的

22、影響參數(shù)與影響參數(shù)衰減率。 即修正后公式可根據(jù)兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推斷增加或者減少合金含量后的電阻。 所以可以推斷，這種由合金元素所引起的空位變化影響是隨著合金添加量的增長而增長，增長速度則越來越慢，最后趨于平衡，且通過圖3可以明顯的看出修正后的公式對(duì)熱擠壓狀態(tài)下的Al-Mg-Si導(dǎo)電鋁桿預(yù)測會(huì)更加準(zhǔn)確，最大誤差率不超過1.8%。故可以運(yùn)用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。 圖4 M-規(guī)則修正前后曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線對(duì)比 4 結(jié)論 1、任何合金元素s添加都會(huì)導(dǎo)致基體電阻增加，在Al-Mg-Si合金中主要添加元素為影響較大的Mg、Si兩種元素，兩種元素在M-規(guī)則理論值計(jì)算中產(chǎn)生的殘余電阻也較大，但隨著重量百分比的增加，理論

23、值的波動(dòng)非常小，與實(shí)際阻值相差較大。 2、分析發(fā)現(xiàn)，殘余電阻除了元素本身引起的電子散射和晶格畸變外，缺陷也是導(dǎo)致電阻增加的因素，在每個(gè)單位體積橫截面的原子層上，缺陷可以看做是正負(fù)空位，故此可以用空位形成濃度及其影響參數(shù)來描述空位產(chǎn)生的殘余電阻。 3、經(jīng)過計(jì)算和公式推導(dǎo)，修正后的M-規(guī)則在理論值計(jì)算上更加準(zhǔn)確，最大誤差率也小于1.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比原M-規(guī)則更準(zhǔn)確，可以用作熱擠壓下Al-Mg-Si合金電阻率的預(yù)算。 參考文獻(xiàn) 1 Thomas.H. Courtney. Mechanical Behavior of Materials. 機(jī)械工業(yè)出版社. 2004.6：175-210. 2 向凌霄. 原鋁及其合金的熔煉與鑄造. 冶金工業(yè)出版社. 2005.10:16-38. 3 胡望宇,齊衛(wèi)宏,張邦維. 一種估算金屬空位形成能的半經(jīng)驗(yàn)方法. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào). 1999, 26(5): 4 陳逢源，金培鵬，王金輝，等. 超聲波處理對(duì)6061鋁合金晶粒大小的影響.鑄造技術(shù). 2012.33(11):1276-1278 5 徐紅星，程曉農(nóng)，許曉靜，等. 超細(xì)亞晶粒鋁合金的強(qiáng)化機(jī)理. 青海大學(xué)金屬材料研究所，青海. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào). 2011.32(1):51-55. 6 李 晶，金 曼，費(fèi) 明，等. Al-Mg-Si系鋁合金