1、合金元素添加量對Al-Mg-Si合金導電性能的影響及計算研究 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 鋁作為導電率僅次于銀與銅的金屬導體，以其價格和資源優勢，逐步發展成為代替銅的導電材料，但由于其質地柔軟，在重要領域應用仍然受限。故此，Al在導電領域的應用仍然以鋼芯鋁絞線為主，這不但增加了應用成本，也加大了回收難度。隨著十二五計劃對國家電網鋪設的計劃實施，鋁單

11、線的研發，尤其是6XXX系合金的研發成為各個研究機構的重點研究對象。 隨著鋁合金導線不斷研究發展，尤其是近些年電力系統的大力發展下，Al-Mg-Si合金材料成為此領域的研究核心。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相是具有高強度的條狀或桿狀相，對增加合金抗拉強度有非常明顯的作用。 早在上世紀30年代就有相關的合金元素與電阻之間的關系圖譜，并通過MTCCEH-EMH規則對鋁材料導電率進行了定性和定量研究，研究認為鋁材料電阻是由基體電阻和合金元素導致的殘余電阻所決定，同時用數學模型定量的闡述了合金元

12、素質量比和元素的影響關系，但應用過程中由于鋁桿的軋制過程的其他影響，根據該規則計算所得的電阻率偏小。 近十年來，科學前沿的研究者們通過模擬和實踐結合來探索元素對鋁合金導電性能的影響，也有越來越多的人意識到對導電率和強度進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，結合M-規則對導電性能的闡述，引入對空位影響的定量研究，針對MTCCEH-EMH規則進行了修正，在很大程度上提高了導電計算的精確性。 關鍵詞：鋁合金，導電性能，預測 1 實驗試樣材料制取方法 1.1 實驗成分設計 實驗材料為Al

13、-Mg-Si合金材料，參照6063成分，設計Al-Mg-Si電工桿實驗用成分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 實驗步驟設計 在型號坩堝加熱至710，在坩堝中鋁全部熔化后依次加入Si、Mg、Fe、Cu合金，待溫度穩定后加溫至730精煉，待坩堝內金屬全部熔化，對液態金屬進行撈渣和攪拌，并進行氬氣精煉，靜止且保溫一段時間后，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個實驗試樣，為了提高合金性能，進行200×1.5h熱處理。對制備的實驗試樣分別進行性能和成分測試，測試結果如表1. 表1 熱擠壓后Al-Mg-Si電阻數據 注：為電阻（×103/m）,為抗拉強度（MPa），W%為合金元素重量百分數，為平均伸長率。 2 實驗結果分析及導電率數學模型建立 2.1 合金元素添加量對導電率的影響 MTCCEH-EMH規則認為，一切除基體金屬外的合金元素的添加均會增加合金電阻。因此，通過在合金中不同添加元素重量百分比，研究合金元素量對合金導電率的影響。通過表

15、1中的測試結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，這也驗證了MTCCEH-EMH規則的正確性。 不同成分下的金相如圖所示： ? ? ? 圖1 Al-Mg-Si導電鋁試樣金相 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固溶態變小，但更加集中，且在變形過程中容易作為釘扎質點造成的缺 1陷相對增多。 時效后Al中殘余Si會以塊狀形態存在，而此時的Si對導電率影響非常大，且殘余Si一旦 2超過0.06%便會引起晶間腐蝕。而添加的Fe元素則

16、會結合殘余Si相形成棒狀或針狀的 AlFeSi相，以此來降低過剩Si含量，進而有效促進Mg2Si富集，熔斷強化相尖角，除了增 5 加基體的抗拉強度外，可以減少裂紋源，進而減小微觀晶格畸變所引起的宏觀電阻。 圖2 Al-Fe-Si相電鏡掃描與對應能譜 圖3 過剩Si相電鏡掃描與對應能譜 2.2 MTCCEH-EMH規則理論值計算與實驗數據對比分析 根據MTCCEH-EMH規則對微觀狀態下合金元素對電阻的描述，合金元素添加會引起基體的點陣畸變，雜亂無章的電子分布會增加電子散射的幾率，從而增加了電阻，規則 2認為合金元素的摩爾分數小于1%時，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數，為添加元素的摩爾電阻系數。 根據文獻7記載，電工用鋁包含的主要合金元素隨質量分數變化產生電阻的電阻系數（即1mol合金元素增加的電阻）分別為：Mg0.54、Cu0.344、Fe0.0816、Si0.727 由此計算實驗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，由此也驗證了根據MTCCEH-EMH規則計算的理論值要比實測數據平均值要小。 這是因為除了合金元素在基體中形成的晶格畸變

18、引起電阻升高外，結晶和變形過程中形成大量的點、線、面缺陷對電子移動也起阻礙作用，而這些缺陷形成的根本原因是原子脫離節點，以間隙原子、空位或排列成位錯等缺陷狀態存在，那么所有缺陷在每一個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，那么就可以通過數學模型對空位形成濃度的描述來量化缺陷的影響。 2.3 MTCCEH-EMH規則修正 針對MTCCEH-EMH規則只是對合金元素的電子散射能力進行了闡述，忽略了隨著合金元素添加產生的空位對電阻的影響，我們需要對此規則進行修正。 由于實驗用電工鋁桿檢測前經過時效處理，而時效處理過程的實質是固溶于基體的合金元素的脫溶過程9 ，故此檢測時，電工桿可看

19、做內部缺陷已經處于熱力學穩定階段，即根據對點缺陷的基本定義，可將點缺陷平衡濃度描述為： C=Aexp(- 3Ev) （2） kT根據文獻記載，鋁中形成一個空位的空位形成能為0.76ev/mol，k為波爾茲曼常數 8.02x10-5ev/k.，A為振動熵的影響參數，通常取1. 由于實驗試樣經過200時效后過冷度較大，可以近似認為空位基本保留，故此根據平衡濃度公式可計算鋁基體在200時的空位形成濃度約為2×10-9/mol，每個試樣取1m，約為11.304mol，即空位濃度約為22.6×10-9。 可以認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，故此在公式描述時可表

20、示為： =20+0+C （3） 但我們尚需考慮另一個問題，合金含量添加必然會使得基體內部熵值增大，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0的描述需要用指數形式進行，這里我們選用e來表達： =20+0+Ce （4） 通過第一組到第五組實際數據計算修正，確定空位影響參數大小分別為10.28、12.29、13.61、13.65、13.67。 非常明顯的看到，空位參數隨著合金元素添加量的增多，參數逐漸增大，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 即可得到數列公式 ?n?0(1?vn)n （6） vn?v0(1?a)n （7） a?0.49; 故此MTCCEH-EMH規則修正表達式可表示為： ： ?20?0?Cexp?0v0(1?a)nn （8） 其中n為添加合金元素次數（每0.1%添加量認為是添加一次），?0與v0在本實驗中認為是第一組試樣計算出的

22、影響參數與影響參數衰減率。 即修正后公式可根據兩組實驗數據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熱擠壓狀態下的Al-Mg-Si導電鋁桿預測會更加準確，最大誤差率不超過1.8%。故可以運用于指導生產實踐。 圖4 M-規則修正前后曲線與實驗結果曲線對比 4 結論 1、任何合金元素s添加都會導致基體電阻增加，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-規則理論值計算中產生的殘余電阻也較大，但隨著重量百分比的增加，理論

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