149885 (Электрические свойства сплавов типа твердых растворов), страница 2

Зависимость ddT от состава твердого раствора на основе Cu (a) и остаточного сопротивления (b)

Коэффициент давления электросопротивления сплавов изучен очень мало. Сравнительно подробно изучен коэффициент слаболегированных твердых растворов меди, серебра и золота.

Коэффициент давления ₀ для твердых растворов, так же как и температурный коэффициент (см. формулу (4)), можно представить себе состоящим из двух частей, характеризующих изменение под влиянием давления, электрического сопротивления растворителя и остаточного сопротивления, т.е.

где ₀ и ₀ – удельное электросопротивление и его коэффициент давления для металла-растворителя; _ - коэффициент давления остаточного сопротивления, равный ;  - остаточное сопротивление, равное _С.

У

Рисунок 4.

Электрическое сопротивление сплавов Cu и Al

порядочение твердых растворов следует рассматривать как усилие химического взаимодействия компонентов, в результате чего электроны связываются сильнее, чем в статическом твердом растворе. Это должно привести к уменьшению числа электронов проводимости и увеличению остаточного сопротивления. Однако электрическое поле ионного остова решетки становиться при упорядочивании более симметричным, что уменьшает остаточное электросопротивление. Как правило, электросопротивление при упорядочивании уменьшается, т.к. второе воздействие преобладает.

На рисунке 4 показана кривая сопротивления Cu – Al сплавов в зависимости от концентрации. Кривая a аналогична кривым на рисунке 1, соответствует закаленным сплавам, имеющим неупорядоченную структуру твердого раствора. Сплавы были закалены с температурой выше точки Курнакова, т.е. выше температуры, при которой в процессе нагрева твердый раствор полностью переходит из упорядоченного в неупорядоченное состояние. Если произвести отжиг этих сплавов при температуре несколько ниже точки Курнакова, то электрическое сопротивление их вблизи концентраций Cu₃Au и CuAu понизится (кривая b). Если бы в полностью упорядоченных сплавах CuAu и Cu₃Au не было остаточного сопротивления, то точки m и n на кривой b, соответствующие этим сплавам, опустились бы еще ниже и легли бы на штриховую линию c, характеризующую температурно зависящую часть электрического сопротивления, аддитивно сложенную из сопротивлений золота и меди. Расстояние этих точек от штриховой линии характеризует остаточное сопротивление упорядоченных сплавов CuAu и Cu₃Au.

По-видимому, это остаточное сопротивление обусловлено не только усилием ковалентной связи, но и неполнотой упорядочивания, т.е. асимметрией поля решетки. Этим объясняется тот факт, что при исследовании монокристаллов упорядоченных твердых растворов при низких температурах было обнаружено значительное остаточное сопротивление.

При наклепе удельное электрическое сопротивление твердых растворов, так же как и чистых металлов, повышается, а при отжиге очень часто сопротивление изменяется больше, чем при наклепе. По-видимому, существенным является влияние, оказываемое напряженным состоянием металла или сплава до наклепа. Для количественного совпадения изменений электросопротивления под влиянием рекристаллизационного отжига и наклепа нужно перед пластической деформацией отжигать образец в тех же условиях, что и после наклепа.

П

Рисунок 5.

Зависимость электросопротивления сплава Cu₃Au от степени деформации

ри наклепе и отжиге твердых растворов, даже слабо концентрированных, их электросопротивление изменяется в большей степени, чем сопротивление чистых металлов в тех же условиях.

При отжиге наклепанной  - латуни с 35.11 % Zn показано, что уменьшение сопротивления происходит в три стадии: при 90 – 120, 180 – 240, 300 – 360⁰ С. Было обнаружено, что уже при отдыхе, до начала рекристаллизации, электросопротивление уменьшается почти до исходного значения.

Еще более значительно изменение электрического сопротивления при наклепе упорядоченных твердых растворов. При наклепе порядок в расположении атомов вследствие относительного перемещения пачек скольжения и отдельных атомных плоскостей нарушается. при этом электросопротивление повышается на десятки, а иногда и на сто с лишним процентов. Из рисунка 5 видно, что электросопротивление сплава Cu₃Au повышается тем больше, чем больше степень обжатия. При значительной деформации сопротивление отожженного сплава приближается к сопротивлению закаленного сплава, находящегося в неупорядоченном состоянии. На рентгенограммах, снятых с предварительно отожженных образцов, при этом исчезают сверхструктурные линии, что является доказательством исчезновения упорядоченности твердого раствора. Если при проведении опыта наблюдается значительное увеличение сопротивления при наклепе однофазного сплава, то это указывает на наличие в нем упорядочения.

Таким образом, изучение электрического сопротивления и изменения его при наклепе имеет большое значение при исследовании упорядочивающихся твердых растворов.

Неоднородные твердые растворы

Сформулированное правило С(1-С) об изменении избыточного электросопротивления твердого раствора с концентрацией примесей справедливо для всех идеально неупорядоченных твердых растворов, то есть растворов, в которых ионы примеси распределены по узлам решетки растворителя строго статистически.

В ряде сплавов, однофазных по данным металлографического и рентгеновского анализов, были обнаружены отклонения от этого правила. Линде исследовал обширное число твердых растворов на основе меди, серебра или золота. Автор выразил зависимость избыточного электросопротивления твердого раствора  от концентрации растворенной примеси С в виде

с=(1-с/100)

где =lim(с)_с;  - коэффициент, характеризующий степень отклонения от правила С(1-С).

При =1 концентрационная зависимость избыточного электросопротивления твердого раствора удовлетворяет этому правилу.

В ряде сплавов, содержащих в своем составе переходные металлы, однофазные по данных металлографического и рентгеновского анализа, было обнаружено, что при наклепе их электросопротивление падает. Структурное состояние таких сплавов было названо К-состоянием.

По-видимому, это состояние характеризуется внутрикристаллической неоднородностью твердого раствора.

Изучение физических свойств достоверно указывает на наличие особого фазового превращения и особой структуры некоторых твердых растворов. К ним относятся никельхромовые, никельмедные, никельмедьцинковые, железоалюминевые и другие.

Было обнаружено также, что в сплавах, в которых электрическое сопротивление при наклепе уменьшается, оно снова возрастает при рекристаллизационном отжиге. Эти изменения нельзя связать с нарушением при наклепе порядка в расположении атомов и восстановлением его при отжиге; при разрушении упорядоченной структуры электросопротивление должно было бы возрастать, а при рекристаллизации – уменьшаться.

Н

Рисунок 6.

Влияние наклепа на электрическое сопротивление

Ni-Fe-Mo сплавов

еобычное изменение электросопротивления наблюдается также и при температурной обработке железоникелевых сплавов, содержащих до 6% молибдена.

На рисунке 6 приведено изменение удельного электросопро-тивления однофазных сплавов состава Ni₃Fe (приблизительно) с различным содержанием молибдена (от 0 до 6%) в зависимости от степени обжатия при холодной деформации. В исходном состоянии были отожжены с очень медленным охлаждением от 550 до 200С (в течении недели) для получения структуры, стабильной при низкой температуре.

Из рис.6 следует, что электросопротивление сплава Ni₃Fe без Мо увеличивается на 35% после холодной деформации, что соответствует разупорядочению. Поскольку холодная деформация приводит вновь к статистическому распределению атомов по узлам решетки, принимается, что увеличение электросопротивления после сильного обжатия,, грубо говоря, пропорционально степени порядка, существовавшей в сплаве после отжига, до наклепа. Уже при 0,5% Мо значительно уменьшается исходная степень порядка сплава Ni₃Fe, а при 1% Мо почти полностью отсутствует упорядоченное расположение атомов.

Предполагается, что при низких температурах под влиянием Мо упорядочение Ni₃Fe устраняется и заменяется сегрегацией в виде скоплений размером порядка длины свободного пробега, причем увеличивается остаточное сопротивление. Переход к сегрегации происходит непрерывно с возрастанием содержания молибдена.

Деформация «разгоняет» эти скопления и приводит к статистическому распределению атомов, причем электросопротивление понижается; последующий отпуск при температуре до 450С снова его восстанавливает. Нагрев до более высоких температур, также как и в упорядочивающемся сплаве Ni₃Fe, сообщает решетке твердого раствора статистическую однородность.

Усиление рассматриваемого эффекта с концентрацией третьего компонента принципиально отличает этот процесс от упорядочения.

Исследованием кинетики превращения однородного раствора в неоднородный (сплав с 79% Ni, 5% Мо, 16% Fe) установлено, что энергия активации этого процесса равна 294000 Дж/моль. Эта величина и общие черты описываемого превращения свидетельствуют о том, что оно происходит обычным диффузионным путем. Об этом говорит также и обратимость изменений электросопротивления при наклепе и рекристаллизации, при закалке и отпуске.

Судя по изменению электросопротивления, неоднородный твердый раствор найден в сплавах как с объемноцентрированной, так и с гранецентрированной кубической решеткой.

Влияние ближнего порядка на электрическое сопротивление.

Рассмотрим сначала причины изменения электросопротивления при повышении температуры отжига предварительно хорошо отожженных образцов. Хорошо отожженные образцы получались путем медленного (со скоростью  50 град/час) охлаждения образцов после отжига их при 600-800 °С. В таких образцах степень порядка соответствует примерно состоянию, достигаемому отжигом при 200°С (ниже диффузные процессы идут крайне медленно). Учет разницы в  (в -Cu – A₁F₁/G » 4%, F₂/G » 3%, F₃/G » 1,3%, но, поскольку a₃ в отожженных сплавах весьма мало и С₂/С₁=1/2) повышает электросопротивление на 1-3% при повышении температуры отжига до 400°С. кроме того, за счет понижения n^*, достигающего 11-12%, рост электросопротивления должен составить » 8%. Таким образом, суммарное повышение электрического сопротивления при повышении температуры отжига до 400°С должно достигать 9-11%. Измеренный же экспериментально эффект составляет » 5-6%. Это различие между расчетом и экспериментом может быть обусловлено рассасыванием неоднородностей, возможно возникших в a-Cu-A₁ при медленном охлаждении образцов, а возможно, и влиянием фоновой части электросопротивления.

Картина изменения электросопротивления при термической обработке деформированных образцов сложнее и, что весьма существенно, в значительной мере зависит от всей истории исследованного образца (например, электросопротивления предварительно отожженных образцов или деформированных, совпадают между собой при Т  350⁰ С). В связи с этим здесь будет рассмотрена лишь общая схема возможной интерпретации изменения электрического сопротивления в сплаве  - Cu – Al и указанны основные факторы, определяющие поведение электросопротивления при термической обработке этого сплава после деформации. В различных конкретных условиях комбинации основных факторов могут, разумеется, оказаться различными.

Понижение электросопротивления при отжиге деформированных сплавов  - Cu – Al в интервале температур 20 – 250⁰ С происходит за счет следующих факторов: 1) роста |₁|, приводящего к понижению электросопротивления на 5-10%; 2) роста n^*, вызывающего понижение  на 6-7%; 3) отжига обычных дефектов, возникающих при деформации; 4) рассасывания малых некогерентных областей, появляющихся при деформации скорее всего за счет восходящей диффузии при локальных разогревах и приводящих к появлению дополнительного диффузного рассеяния рентгеновских лучей. Кроме того, r должно изменяться за счет образования малых концентрационных неоднородностей и областей с различным типом упорядочения, обнаруженных при низкотемпературном отжиге, что должно вызвать рост r вследствие отражения электронов от границ этих областей. Экспериментально обнаруженное понижение r составляет в этом случае 18-20%. Это означает, что примерно 2/3 наблюдаемого экспериментально обусловлено изменением параметров порядка и связанного в известной степени n*. На долю остальных факторов приходится примерно 1/3, то есть 6-8%.

Отметим, что эти представления позволяют объяснить по-новому эффект повышения электросопротивления при продолжительном низкотемпературном отжиге образцов  - Cu – Al. Такой отжиг вызывает, вследствии переупорядочения в обогащенных Al областях твердого раствора уменьшение |₁|. Уменьшение |₁| и образование границ между областями с разной степенью порядка и обуславливают обнаруженный эффект.