劉坤成

關(guān)鍵詞：電阻率，鋁合金，溶質(zhì)，位錯，沉淀

摘要：這篇論文探討的是在鋁合金中使用電阻率測量微觀結(jié)構(gòu)特征時遇到的挑戰(zhàn)。電阻率測量研究實驗是以兩個鋁合金作為實驗試樣進(jìn)行實驗的，它們一個是經(jīng)過熱處理的合金（AA6111），一個是未經(jīng)熱處理的合金（AA5754），這個實驗表明了熱處理工藝技術(shù)是如何被用于表征微觀結(jié)構(gòu)中的變化。AA6111的研究結(jié)果表明對溶質(zhì)原子和精密尺度沉淀的測量的依賴性導(dǎo)致了電阻信號的嚴(yán)重重疊，因此，利用輔助設(shè)備在電阻率測量上是必不可少的。在接下來的試樣中，室溫下電阻率測量作為AA5754冷加工的一個函數(shù)，闡述了與報道的純鋁相比，這種合金從位錯中貢獻(xiàn)的電阻率更大。溶質(zhì)與位錯的相互作用被引證為增加位錯貢獻(xiàn)電阻率作用的可能來源。

介紹

表征鋁合金特征的電阻率/電導(dǎo)率測量的價值是通過持續(xù)、廣泛的工業(yè)和學(xué)術(shù)研究上的應(yīng)用而被認(rèn)識的。舉例來說，它被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)中驗證鋁合金熱處理的一種質(zhì)量控制工具【1】。工藝技術(shù)的更高靈敏度激勵了電阻率/電導(dǎo)率測量的普及，這種普及不僅是在各種合金和顯微結(jié)構(gòu)特征上，還表現(xiàn)在形態(tài)學(xué)和特征的分配上。然而，這種卓越的性質(zhì)是雙面性的，盡管工藝技術(shù)對顯微結(jié)構(gòu)種即使十分細(xì)小的變化都很敏感，但是當(dāng)顯微結(jié)構(gòu)中的多種特征同時并存地作用時，像電子發(fā)散中心一樣，獲得信號的解釋和重疊法就不是一直那么簡單易懂了。不同的是，例如X射線衍射，各發(fā)散中心往往不能輕易區(qū)別與其他發(fā)散中心。這就是更高效的應(yīng)用這種實驗程序的主要挑戰(zhàn)，即大多常見的輔助工藝設(shè)備與電阻率方法并行使用。此外，簡單化的假設(shè)也必須作出，以方便詮釋復(fù)雜工業(yè)相關(guān)合金研究的結(jié)果。

接下來，在金屬和合金中，一個與電阻機(jī)制主題有關(guān)的精密處理是一開始就提及的。精密處理是在展示價值與挑戰(zhàn)的部分之后，這個部分是用于電阻率技術(shù)的高靈敏度的，最后，得出結(jié)論。

鋁中的電阻機(jī)制

化學(xué)雜質(zhì)：晶體不完整性如空位，位錯，晶界等和晶格熱振動（聲子）是破壞晶體理想周期的全部因素，因此，導(dǎo)致金屬具有一定的電阻率【2】。鋁中主要發(fā)散中心的電阻系數(shù)被統(tǒng)計見表1.這些數(shù)據(jù)是通過很多來源收集到的，讀物涉及到F.R.Fickett【3，4】對這些的全部列表的兩篇優(yōu)秀評論以及另外的許多參考書目。

精確的電阻系數(shù)值存在相當(dāng)大的不確定性，這是因為條件的困難：?。┻m當(dāng)?shù)膶嶒灅悠返臏?zhǔn)備（一般要求超純試樣）；ⅱ）微觀結(jié)構(gòu)特征的精確表示。盡管如此，給出的表1的值對于用于評價各種機(jī)制提供了一系列重要的價值。

靈敏度與分析質(zhì)量的對比

對于表1給出的系數(shù)，很大數(shù)量的冷加工金屬的位錯阻力（亦即位錯密度為）可以被計算為0.20nΩm， 而鋁中30μm等軸晶粒尺寸的晶界阻力為0.02nΩm（每單位體積的晶界面積為）。相比之下，由于聲子散射對電阻率的貢獻(xiàn)可近似地認(rèn)為在300K時為30 nΩm.由于最近電阻率/電導(dǎo)率測量儀器的發(fā)展，電阻率在0.05 nΩm范圍內(nèi)變化時更容易測量得到，這樣就可能進(jìn)一步了解位錯密度的特征。因此，精確的電阻率研究的技術(shù)能力是確實有用的，這種能力也同樣是精確的數(shù)據(jù)分析的能力?？紤]到很少有一個單一的微觀結(jié)構(gòu)涉及到電子散射過程，成功的電阻率研究的執(zhí)行完成局限與解釋測量方法的能力。這是在許多事例中的進(jìn)一步的挑戰(zhàn)，因為單一貢獻(xiàn)的價值是同樣重要的，例如：與上述的0.20 nΩm位錯貢獻(xiàn)的電阻率相比較，由0.01at%空位貢獻(xiàn)的電阻率為0.25nΩm。使問題更復(fù)雜的是技術(shù)的靈敏度對散射中心的分配。熱處理過的鋁合金（見例5【5】）在沉淀早期觀察到的所謂的電阻異常是這種行為的典型例子。這種有案可查的現(xiàn)象表明，該溶質(zhì)原子的分配（無論它們是隨機(jī)分布或成簇分布）對電阻率有重要的影響。疊加與一切，這是各種電阻機(jī)制與其他電阻機(jī)制的模糊與交互。例如，通過觀察可知，表1的系數(shù)依賴于溫度【3，4】，聲子散射于其他散射形式有相互作用。

上述的模棱兩可的解釋明確地向質(zhì)量和一個電阻調(diào)查的成功提出挑戰(zhàn)。隨后的，研究這個問題的是上文提及的兩個例子；一個是靈敏度阻礙，另一個是方便材料的電阻行為的理解。

例Ⅰ─沉淀對電阻率的貢獻(xiàn)。在這方面研究中用到的鋁合金AA6111是由Novelis全球技術(shù)中心提供的，形式為1毫米厚度的冷軋板。合金的化學(xué)成分的重量百分比為0.8 Mg， 0.6 Si， 0.7Cu， 0.25 Fe和 0.2 Mn。熱處理（亦即固溶處理和人工時效）在鹽浴中完成。電阻測量是通過使用慣用的探測技術(shù)為在四個點上探測的裝備上獲得的，使用的試樣規(guī)格為100×10×1毫米。應(yīng)用的電流為20毫安交流電（即足夠低到不使試樣產(chǎn)生熱），頻率為30赫茲。為了盡量減低溫度的影響，所有的測量試樣都浸在液氮中（即溫度為77K）。材料的屈服應(yīng)力是通過使用一臺MTS伺服水壓測試機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗測得的。屈服應(yīng)力是以殘余伸長量為0.2%時的應(yīng)力來表示。

所有試樣在560℃都進(jìn)行了10分鐘的固溶處理，然后進(jìn)行水淬。試樣中的一部分然后立即在250℃時效，剩下的先在一定溫度的氣氛中時效一天然后在250℃人工時效。圖1a表示了固溶處理和自然時效試樣的電阻率變化過程。

與固溶處理的材料相比，自然時效材料的電阻率曲線向更高值轉(zhuǎn)移。自然時效材料包含位于材料前部的溶質(zhì)簇，這種溶質(zhì)簇與單一溶質(zhì)相比，它們是更高效的電子散射中心，因此，在這種情況下它們被用作更大的電阻率來源。盡管兩種試樣的電阻率起始值不一樣，然而在250℃退火時的前10分鐘電阻率的減少是一致的，但是10分鐘以后，自然時效材料曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折（這個點是通過圖1的箭頭被描繪出來的）。電阻率減小速率的這個變化不與溶質(zhì)簇的形成有關(guān)而是由于涉及的高時效溫度。事實上，溶質(zhì)簇在圖1b自然時效材料的起始屈服應(yīng)力降低被觀察到時就溶化了。在許多并發(fā)的過程中，沉淀的形成很有可能是這種行為發(fā)生的原因，而這個階段是活潑的。

散射中心的沉淀和預(yù)沉淀（如溶質(zhì)簇，GP區(qū)）的作用受到重視，尤其是鋁鋅系中（【6，7】），但是這種作用的完整理解卻很匱乏。在可以預(yù)期的情況下，沉淀間隔是電子的平均自由程有序的場所，而沉淀對電阻率的貢獻(xiàn)不能忽略。實際上，作者對AA6111【8】進(jìn)行的近期工作中，10-100nm范圍的沉淀間隔被觀測到，沉淀可以提供10-15%的大致上的電阻率值。這種影響可在當(dāng)前的例子中觀察到，這個例子是傳輸顯微鏡學(xué)研究中的，而這項研究是從對固溶處理和一天自然時效工件進(jìn)行250℃高峰時效（見圖1b的電阻率曲線轉(zhuǎn)折點）而顯示出自然時效材料細(xì)小的沉淀結(jié)構(gòu)的研究（見圖2【9】）。自然時效中觀察到的細(xì)小的微觀結(jié)構(gòu)與較高的電阻率值有關(guān)。這也可以在自然時效材料的強(qiáng)度更高峰值中反映出來，如圖1b所示。

轉(zhuǎn)折處合金電阻率的取代和考慮與純鋁的電荷密度相同，即，電子的平均自由程達(dá)到25nm。因此，平均自由程與沉淀間隔同序，以及因此，沉淀引起轉(zhuǎn)折的可能。十分清楚的是，在這個例子中的分析是很有價值的。在這里，為得到令人滿意的解釋而使用與電阻率測量相似的輔助技術(shù)是必要的。另一方面，電阻率測量的高靈敏度表現(xiàn)了鑒別有趣現(xiàn)象的有力審查工具。

例Ⅱ─位錯對電阻率的貢獻(xiàn)。用于這項研究中的連鑄AA5754熱傳送帶是在Novelis全球技術(shù)中心的一臺試驗性的尺度設(shè)備上生產(chǎn)出來的。導(dǎo)電率測量是在室溫下使用一臺Verimet4900C導(dǎo)電率儀得到的，所得的導(dǎo)電率的倒數(shù)即為電阻率。材料的位錯密度從電荷流變應(yīng)力中運(yùn)用泰勒關(guān)系估計。讀者為詳細(xì)說明實驗程序可參考Sarkar et al.【10】的工作。圖3表示了以材料的位錯密度為代表的冷變形材料的電阻率增加過程。我們可清楚地看到圖3是線性的。

電阻率增加和位錯密度的估計之間的關(guān)系是我們研究工作中所要觀察的。不過，有趣的一點是，這種依賴性的斜率是高純鋁的文獻(xiàn)值大約七倍以上（從圖3固相線中可見）。Sarkar et al.【10】推測鎂向位錯核心偏析是含鎂鋁合金中位錯的電子散射水平增加的可能來源。

最后，值得注意的是，如果位錯對電阻率的貢獻(xiàn)與報道中的純鋁一樣時，這種微觀結(jié)構(gòu)演變的檢測也不會可能是同一設(shè)備。這個例子表明電阻率設(shè)備的靈敏度是如何促進(jìn)健全的分析。

結(jié)論

電阻率方法的價值來自于各種顯微結(jié)構(gòu)參數(shù)的高靈敏度。然而，盡管在這方面的大量的工作被完成，但技術(shù)應(yīng)用卻因為一些不明確的因素而仍是挑戰(zhàn)，其中，視乎測量的客觀性可代表一個重大障礙。實際上，在各種抵抗機(jī)制的相互作用上，知識的缺乏是這種不明確的主要來源。這通常，但并非總是如此，需使用輔助技術(shù)。不過，即使在這些案例中，由于這些測量的相對緩和，電阻率測量提供了強(qiáng)大的篩檢工具。研究結(jié)果可用于指導(dǎo)其他測量，諸如電子顯微鏡研究，并減少一些必要意見。

致謝

作者感謝加拿大NSERC的財力支持，是他們使這項工作成為可能。特別感謝X.Wang對TEM電子透射顯微鏡顯微照相和S.Sarker對提供AA5754電阻率數(shù)據(jù)上的幫助。

參考文獻(xiàn)

【1】Department of Defense： Electrical Conductivity Test for Verification of Heat Treatment of Aluminum Alloys， Eddy Current Method （DOD， Military Standard 1537C， USA 2002）.

【2】J.S. Dugdale： The Electrical Properties of Metals and Alloys （Edward Arnold， UK 1977）.

【3】F.R. Fickett： Cryogenics Vol. 11 （1971）， p. 349.

【4】F.R. Fickett： Electrical Properties of Materials and Their Measurement at Low Temperatures（National Bureau of Standards Technical Note 1053， USA 1982）.

【5】C. Panseri and T. Federighi： J. Inst. Metals Vol. 94 （1966）， p. 99.

【6】P.L. Rossiter and P. Wells： J. Phys. C Vol. 4 （1971）， p. 354.

【7】A.J. Hillel， J.T. Edwards and P. Wilkes： Phil. Mag. Vol. 32 （1975）， p. 189.

【8】B. Raeisinia， W.J. Poole and D.J. Lloyd： Mat. Sci. Eng. A （2006）， in press.

【9】X. Wang： McMaster University， Ontario， Canada （2004）， private communication.

【10】S. Sarkar， M.A. Wells and W.J. Poole： Mat. Sci. Eng. A （2006）， in press.