材料的電學(xué)性能資料

會(huì)計(jì)學(xué)1材料的電學(xué)性能資料本章內(nèi)容金屬的導(dǎo)電性合金的導(dǎo)電性與測(cè)量半導(dǎo)體的導(dǎo)電性材料的介電性材料的超導(dǎo)電性第1頁(yè)/共57頁(yè)第二節(jié)合金的導(dǎo)電性與測(cè)量

合金基礎(chǔ)知識(shí)

固溶體的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電性多相合金的導(dǎo)電性金屬與合金導(dǎo)電性的測(cè)量第2頁(yè)/共57頁(yè)1.什么是合金？?jī)煞N或兩種以上的金屬（或金屬與非金屬）熔合（物理變化）而成具有金屬特性的物質(zhì)叫做合金。合金的特點(diǎn)：

熔點(diǎn)低于任一組分的金屬；硬度大，耐磨損；導(dǎo)電性低于任一組分的金屬；具有較強(qiáng)的抗腐蝕性。

由于合金的許多優(yōu)于純金屬的性能，因而在實(shí)際應(yīng)用中多使用合金。第3頁(yè)/共57頁(yè)合金的分類固溶體金屬間化合物（中間相）多相合金（共熔混合物）無(wú)序固溶體有序固溶體不均勻固溶體（K狀態(tài)）置換型間隙型第4頁(yè)/共57頁(yè)固溶體的最大特點(diǎn)是保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)。固溶體第5頁(yè)/共57頁(yè)按溶質(zhì)原子在溶劑中的分布特點(diǎn)分類無(wú)序固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑中任意分布,無(wú)規(guī)律性。有序固溶體：溶質(zhì)原子按一定比例有規(guī)律分布在溶劑晶格的點(diǎn)陣或間隙里。第6頁(yè)/共57頁(yè)無(wú)序固溶體第7頁(yè)/共57頁(yè)有序固溶體－短程

第8頁(yè)/共57頁(yè)有序固溶體－長(zhǎng)程

第9頁(yè)/共57頁(yè)有序固溶體－偏聚

第10頁(yè)/共57頁(yè)中間相（金屬間化合物）中間相是合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相,它可以是化合物,也可以是以化合物為基的固溶體(二次固溶體),一般可以用化學(xué)分子式來(lái)表示,但不一定符合化合價(jià)規(guī)律。

中間相中原子的結(jié)合方式為金屬鍵與其它結(jié)合鍵相混合的方式。它們都具有金屬特性。

中間相如：鋼中Fe3C、鋁銅合金中CuAl、黃銅中CuZn、半導(dǎo)體中GaAs、形狀記憶合金中NiTi和CuZn、核反應(yīng)堆材料中Zr3Al、儲(chǔ)氫能源材料中LaNi5等。

中間相分類：正常價(jià)化合物、電子化合物、原子尺寸有關(guān)的化合物(間隙相、間隙化合物、TCP相)。第11頁(yè)/共57頁(yè)常見(jiàn)合金鐵基合金（如Fe-C合金，即鋼、鑄鐵等）銅基合金（如黃銅、青銅等、白銅等）鈦合金（如鈦鋁合金等）鎂合金（變形鎂合金、鑄造鎂合金）鋁合金（防銹鋁、硬鋁、超硬鋁、鍛鋁等）鋅合金第12頁(yè)/共57頁(yè)常見(jiàn)的合金加工工藝時(shí)效冷加工變形退火回火正火淬火將淬火鋼加熱到低于臨界點(diǎn)的某一溫度保溫一定時(shí)間，使淬火組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，然后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s到室溫。將組織偏離平衡狀態(tài)的鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，?jīng)保溫后隨爐緩慢冷卻下來(lái)，以獲得接近平衡狀態(tài)組織。將鋼加熱到一定溫度下，保溫一段時(shí)間，使之完全奧氏體化，使珠光體含量增多并細(xì)化，從而提高鋼的強(qiáng)度、硬度和韌性。將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝。在室溫或加熱到一定溫度下保溫一段時(shí)間以使過(guò)飽和固溶體分解的一種熱處理方式。第13頁(yè)/共57頁(yè)合金的應(yīng)用領(lǐng)域第14頁(yè)/共57頁(yè)新型合金儲(chǔ)氫合金形狀記憶合金非晶合金第15頁(yè)/共57頁(yè)第二節(jié)合金的導(dǎo)電性

合金基礎(chǔ)知識(shí)

固溶體的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電性多相合金的導(dǎo)電性金屬與合金導(dǎo)電性的測(cè)量第16頁(yè)/共57頁(yè)2.固溶體的導(dǎo)電性1）無(wú)序固溶體的電阻形成固溶體時(shí)，導(dǎo)電性能降低。即使是在低導(dǎo)電性的金屬中溶入高導(dǎo)電性的金屬溶質(zhì)也是如此，但電阻隨成分連續(xù)變化而無(wú)突變。對(duì)于連續(xù)固溶體，當(dāng)組元A溶入組元B時(shí)，電阻由B組元的電阻值逐漸增大至極大值后再逐漸減小到A組元的電阻。第17頁(yè)/共57頁(yè)Ag-Cu合金電阻率與成分的關(guān)系最大電阻率通常在50%濃度處原因：

晶體點(diǎn)陣畸變；雜質(zhì)對(duì)理想晶體的局部破壞；合金化對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響；合金化對(duì)彈性常數(shù)的影響。第18頁(yè)/共57頁(yè)Cu—Pd、Ag—Pd和Au—Pd合金電組率與成分的關(guān)系鐵磁性和強(qiáng)順磁性金屬組成的固溶體，不僅電阻的極大值出現(xiàn)在較高濃度處，而且電阻也異常的高。原因：價(jià)電子轉(zhuǎn)移使有效導(dǎo)電的電子數(shù)減小。第19頁(yè)/共57頁(yè)與溫度和組元濃度的關(guān)系低濃度的固溶體中，固溶體電阻率隨溫度變化的斜率與溶質(zhì)原子的含量無(wú)關(guān)。固溶體的電阻率溫度系數(shù)總是小于純金屬的電阻率溫度系數(shù)。高濃度固溶體和一些低濃度固溶體的電阻率隨溫度的變化，既取決于溫度對(duì)溶劑金屬電阻的影響，又取決于溫度對(duì)溶質(zhì)元素所提供的附加電阻的影響。低濃度固溶體的電阻率：應(yīng)用：工業(yè)上，電阻合金第20頁(yè)/共57頁(yè)2）有序固溶體的電阻

合金有序化后電阻降低完全有序合金在0K和純金屬一樣電阻為零，只有當(dāng)原子的有序排列遭破壞時(shí)才有電阻。固溶體有序化電子結(jié)合比無(wú)序態(tài)時(shí)強(qiáng)，導(dǎo)電電子數(shù)減少晶體的離子勢(shì)場(chǎng)更為對(duì)稱，電子的散射降低合金電阻降低第21頁(yè)/共57頁(yè)T/℃ρ/μΩcm1——無(wú)序（淬火態(tài)）2——有序（退火態(tài)）Cu3Au合金有序化對(duì)電阻率的影響第22頁(yè)/共57頁(yè)a——淬火態(tài)b——退火態(tài)Cu-Au合金的電阻原因：合金有序化后，晶體的離子勢(shì)場(chǎng)更為對(duì)稱，電子散射概率降低。第23頁(yè)/共57頁(yè)3）不均勻固溶體（K狀態(tài)）在含有過(guò)渡族元素時(shí)所形成的不均勻固溶體其電阻會(huì)出現(xiàn)反常的變化，表現(xiàn)在三個(gè)方面：第一，固溶體經(jīng)高溫淬火后在加熱過(guò)程中的某一溫度區(qū)間具有反常高的電阻率變化，超過(guò)一定溫度后才使ρ—T呈線性變化。第二，經(jīng)高溫淬火的電阻率比退火態(tài)的電阻率低，淬火態(tài)經(jīng)一定溫度回火后，其電阻率增高。第三，退火態(tài)固溶體經(jīng)冷加工后其電阻率反而下降而在回火(或再結(jié)晶退火)后又反常地增加。溶質(zhì)和溶劑原子在微觀區(qū)域分布不均勻的固溶體。第24頁(yè)/共57頁(yè)不均勻固溶體的電阻率與溫度的關(guān)系示意圖K狀態(tài)最早在Ni80Cr20合金中發(fā)現(xiàn)。第25頁(yè)/共57頁(yè)◆固溶體中存在原子的偏聚區(qū)域◆固溶體中存在著短程有序區(qū)域無(wú)論哪種情況形成的K狀態(tài)，其原子富集區(qū)的尺寸約為幾個(gè)納米，它與電子波的波長(zhǎng)(2nm)相當(dāng)，故能強(qiáng)烈地散射電子而使不均勻固溶體具有高的電阻值。對(duì)某些成分中含有過(guò)渡族金屬的合金，盡管金相分析和Ｘ射線分析的結(jié)果認(rèn)為其組織仍是單相的，但在回火中發(fā)現(xiàn)合金電阻有反常升高，而在冷加工時(shí)發(fā)現(xiàn)合金的電阻明顯降低，這種合金組織出現(xiàn)的反常狀態(tài)稱為K狀態(tài)。第26頁(yè)/共57頁(yè)

淬火態(tài)在隨后的加熱過(guò)程中由于原子活動(dòng)能力加強(qiáng)會(huì)促使K狀態(tài)的形成，此時(shí)電阻率出現(xiàn)反常升高，但超過(guò)一定溫度后，K狀態(tài)成為不穩(wěn)定，將變?yōu)榫鶆蚬倘荏w，導(dǎo)致電阻率下降并按正常規(guī)律變化。冷塑性變形可以破壞K狀態(tài)使其電阻降低，變形后的加熱使K狀態(tài)恢復(fù)，又使電阻升高。第27頁(yè)/共57頁(yè)Ni0.80—Cr0.20合金預(yù)先淬火或冷加工后在回火過(guò)程中電阻的變化1——預(yù)先經(jīng)800℃淬火2——預(yù)先冷加工在400℃的回火時(shí)間φ/%(a)400℃回火(b)隨后冷加工時(shí)電阻率的變化第28頁(yè)/共57頁(yè)第二節(jié)合金的導(dǎo)電性

合金基礎(chǔ)知識(shí)

固溶體的導(dǎo)電性

金屬化合物的導(dǎo)電性多相合金的導(dǎo)電性金屬與合金導(dǎo)電性的測(cè)量第29頁(yè)/共57頁(yè)3.金屬間化合物的導(dǎo)電性

金屬化合物的電阻率要比各組元的電阻率高，若兩組元給出價(jià)電子的能力相同，則所形成的化合物的電阻就低；相反，若兩組元的電離勢(shì)相差較大，則化合物的電阻就大。

中間相金屬化合物根據(jù)是否存在奇異點(diǎn)分為道爾頓體和別爾多利體兩種。金屬鍵PK離子鍵或共價(jià)鍵第30頁(yè)/共57頁(yè)電阻隨成分的變化特征NiSb相FeSb相奇異點(diǎn)的存在與否表示金屬相能否形成有序結(jié)構(gòu)。第31頁(yè)/共57頁(yè)Mg-Ag系相圖和出現(xiàn)道爾頓體的成分—性能圖MgAg相的均質(zhì)區(qū)中電導(dǎo)率的極大值與化學(xué)計(jì)算成分相對(duì)應(yīng)。第32頁(yè)/共57頁(yè)Fe2Ti成分的Laves相電阻率與濃度的關(guān)系反常行為4.2K低溫下接近Fe2Ti化學(xué)比的殘余電阻出現(xiàn)極小值。1——室溫（4.2K淬冷后）2——室溫（淬冷前）3——4.2K超導(dǎo)效應(yīng)第33頁(yè)/共57頁(yè)第二節(jié)合金的導(dǎo)電性

合金基礎(chǔ)知識(shí)

固溶體的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電性

多相合金的導(dǎo)電性金屬與合金導(dǎo)電性的測(cè)量第34頁(yè)/共57頁(yè)4.多相合金的導(dǎo)電性合金的導(dǎo)電性是由組成相的導(dǎo)電性來(lái)決定的；當(dāng)一種相（如夾雜物）的晶粒大小與電子波長(zhǎng)同一數(shù)量級(jí)時(shí)，電子在夾雜物上要發(fā)生附加散射導(dǎo)致電阻升高；合金電導(dǎo)率與組元的體積濃度呈線性關(guān)系。p、q——組元的體積濃度（p+q

=1）第35頁(yè)/共57頁(yè)

對(duì)處于多相區(qū)每一合金的電導(dǎo)率可由極限濃度固溶體的和值的連線找出來(lái)。有限溶解度的合金的電導(dǎo)率變化T/℃

對(duì)于任意合金電阻率總是處于組元電阻率之間；第36頁(yè)/共57頁(yè)電導(dǎo)功能材料導(dǎo)電材料電阻材料電接觸材料用來(lái)傳導(dǎo)輸送電流的材料，如電線電纜等。Cu、Al及其合金，其電導(dǎo)率高、延展性好、阻抗損失小。繞線電阻：要求精度高，溫度系數(shù)小，采用錳銅合金等。電熱合金：要求能耐高溫，采用Ni-Cr合金、Fe-Cr-Al合金等。純金屬材料合金材料復(fù)合材料用來(lái)減小接觸電阻。廣泛應(yīng)用于大型電力系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)中。第37頁(yè)/共57頁(yè)第二節(jié)合金的導(dǎo)電性

合金基礎(chǔ)知識(shí)

固溶體的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電性多相合金的導(dǎo)電性

金屬與合金導(dǎo)電性的測(cè)量第38頁(yè)/共57頁(yè)5.金屬導(dǎo)電性的測(cè)量與分析單（雙）電橋法直流電位差計(jì)法電阻分析的應(yīng)用第39頁(yè)/共57頁(yè)單電橋法單電橋工作原理示意圖R2——標(biāo)準(zhǔn)電阻R3、R4——已知可調(diào)電阻調(diào)節(jié)R2、R3，使通過(guò)檢流計(jì)中的電流值為零，則RxR2R3R4未知臂比較臂第40頁(yè)/共57頁(yè)不能用于低電阻的測(cè)量。

測(cè)出的Rx實(shí)際上并非真正的待測(cè)電阻，它包括A、B兩點(diǎn)間的導(dǎo)線電阻和接觸電阻。測(cè)量電阻范圍：10~106

Ω第41頁(yè)/共57頁(yè)雙電橋法能夠測(cè)量很小的電阻，調(diào)節(jié)R1、R2

、R3和R4，令檢流計(jì)指零、B、D兩點(diǎn)電位相等雙電橋工作原理示意圖測(cè)量臂比例臂使R1=K·R3R2=K·R4第42頁(yè)/共57頁(yè)只要使?jié)M足則待測(cè)電阻雙電橋法能夠清除接觸電阻和連續(xù)引起的附加電阻的影響。測(cè)量范圍：10-6~100Ω測(cè)量精度：0.2%第43頁(yè)/共57頁(yè)電位差計(jì)法電位差計(jì)是用補(bǔ)償法測(cè)量電位差(電動(dòng)勢(shì))的精密儀器。直流電位差計(jì)工作原理圖電位差計(jì)法測(cè)電阻的線路圖標(biāo)準(zhǔn)電池待測(cè)電動(dòng)勢(shì)電勢(shì)差電流電阻RSRX第44頁(yè)/共57頁(yè)用電位差計(jì)法測(cè)量電阻時(shí)，必須在試樣兩端接以電流和電位引線，電流引線觸點(diǎn)在被測(cè)區(qū)段之外，只要接觸穩(wěn)定，其接觸電位差和接觸電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果就沒(méi)有影響。測(cè)量精度比雙電橋法高。第45頁(yè)/共57頁(yè)電阻分析的應(yīng)用研究合金的時(shí)效測(cè)定固溶體的溶解度研究合金的有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變研究材料的疲勞過(guò)程第46頁(yè)/共57頁(yè)合金時(shí)效的基本過(guò)程是固溶體內(nèi)溶質(zhì)原子的偏聚，形成過(guò)渡相和析出穩(wěn)定相。脫溶過(guò)程，電阻顯著變化，所以電阻分析是研究合金時(shí)效最有效的方法之一。

研究合金的時(shí)效第47頁(yè)/共57頁(yè)鋁銅合金的時(shí)效：將合金固溶淬火，于20℃下進(jìn)行低溫時(shí)效，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)效時(shí)間的變化電阻升高。但如時(shí)效溫度提高到225℃，則電阻降低。低溫時(shí)效電阻升高是由于時(shí)效初期溶質(zhì)原子在鋁的晶體中發(fā)生聚集，形成不均勻的固溶體。高溫時(shí)效電阻降低，則是由于從固溶體中析出了CuAl2相。所以從電阻的變化可以說(shuō)明，鋁合金內(nèi)部存在著不同的組織狀態(tài)變化。第48頁(yè)/共57頁(yè)測(cè)定固溶體的溶解度電阻分析法是測(cè)定狀態(tài)圖中固溶體溶解度曲線的有效方法。純金屬具有較小的電阻率。當(dāng)純金屬中溶入其它元素而形成固溶體時(shí)，固溶體的電阻率隨溶質(zhì)元素量的增加呈曲線變化而增大。當(dāng)合金呈兩相機(jī)械混合物時(shí)，合金的電阻率隨第二組元含量的增多呈直線規(guī)律變化。第49頁(yè)/共57頁(yè)不同溫度下電阻率隨濃度變化及與狀態(tài)圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系第50頁(yè)/共57頁(yè)基本方法將一系列成分不同的試樣加熱到略低于共晶(或共析)轉(zhuǎn)變溫度t0，保溫足夠時(shí)間，然后淬火得到過(guò)飽和固溶體，把淬火的一組組試樣再分別加熱到低于t0的各個(gè)溫度，保溫足夠時(shí)間使組織達(dá)到平衡，然后再淬火下來(lái)測(cè)出各試樣的電阻率，作出