電阻率測量：研究鋁合金的一種敏感工具

劉坤成

關(guān)鍵詞：電阻率，鋁合金，溶質(zhì)，位錯(cuò)，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(shí)遇到的挑戰(zhàn)。電阻率測量研究實(shí)驗(yàn)是以兩個(gè)鋁合金作為實(shí)驗(yàn)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，它們一個(gè)是經(jīng)過熱處理的合金（AA6111），一個(gè)是未經(jīng)熱處理的合金（AA5754），這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(hào)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(gè)函數(shù)，闡述了與報(bào)道的純鋁相比，這種合金從位錯(cuò)中貢獻(xiàn)的電阻率更大。溶質(zhì)與位錯(cuò)的相互作用被引證為增加位錯(cuò)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(jià)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(shí)的。舉例來說，它被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)中驗(yàn)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(lì)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(duì)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(shí)并存地作用時(shí)，像電子發(fā)散中心一樣，獲得信號(hào)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(jià)值與挑戰(zhàn)的部分之后，這個(gè)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(cuò)，晶界等和晶格熱振動(dòng)（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(jì)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(duì)這些的全部列表的兩篇優(yōu)秀評(píng)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?yàn)闂l件的困難：?。┻m當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)樣品的準(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(duì)于用于評(píng)價(jià)各種機(jī)制提供了一系列重要的價(jià)值。

靈敏度與分析質(zhì)量的對(duì)比

對(duì)于表1給出的系數(shù)，很大數(shù)量的冷加工金屬的位錯(cuò)阻力（亦即位錯(cuò)密度為）可以被計(jì)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(duì)電阻率的貢獻(xiàn)可近似地認(rèn)為在300K時(shí)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(shí)更容易測量得到，這樣就可能進(jìn)一步了解位錯(cuò)密度的特征。因此，精確的電阻率研究的技術(shù)能力是確實(shí)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(gè)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?yàn)閱我回暙I(xiàn)的價(jià)值是同樣重要的，例如：與上述的0.20 nΩm位錯(cuò)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(duì)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(duì)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(gè)電阻調(diào)查的成功提出挑戰(zhàn)。隨后的，研究這個(gè)問題的是上文提及的兩個(gè)例子；一個(gè)是靈敏度阻礙，另一個(gè)是方便材料的電阻行為的理解。

例Ⅰ─沉淀對(duì)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(shí)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(gè)點(diǎn)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(tái)MTS伺服水壓測試機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)測得的。屈服應(yīng)力是以殘余伸長量為0.2%時(shí)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(shí)效，剩下的先在一定溫度的氣氛中時(shí)效一天然后在250℃人工時(shí)效。圖1a表示了固溶處理和自然時(shí)效試樣的電阻率變化過程。

與固溶處理的材料相比，自然時(shí)效材料的電阻率曲線向更高值轉(zhuǎn)移。自然時(shí)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(shí)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(shí)效材料曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折（這個(gè)點(diǎn)是通過圖1的箭頭被描繪出來的）。電阻率減小速率的這個(gè)變化不與溶質(zhì)簇的形成有關(guān)而是由于涉及的高時(shí)效溫度。事實(shí)上，溶質(zhì)簇在圖1b自然時(shí)效材料的起始屈服應(yīng)力降低被觀察到時(shí)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(gè)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(duì)電阻率的貢獻(xiàn)不能忽略。實(shí)際上，作者對(duì)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(gè)例子是傳輸顯微鏡學(xué)研究中的，而這項(xiàng)研究是從對(duì)固溶處理和一天自然時(shí)效工件進(jìn)行250℃高峰時(shí)效（見圖1b的電阻率曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)）而顯示出自然時(shí)效材料細(xì)小的沉淀結(jié)構(gòu)的研究（見圖2【9】）。自然時(shí)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(shí)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(gè)例子中的分析是很有價(jià)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(cuò)對(duì)電阻率的貢獻(xiàn)。用于這項(xiàng)研究中的連鑄AA5754熱傳送帶是在Novelis全球技術(shù)中心的一臺(tái)試驗(yàn)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(tái)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(cuò)密度從電荷流變應(yīng)力中運(yùn)用泰勒關(guān)系估計(jì)。讀者為詳細(xì)說明實(shí)驗(yàn)程序可參考Sarkar et al.【10】的工作。圖3表示了以材料的位錯(cuò)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(cuò)密度的估計(jì)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(diǎn)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(cuò)核心偏析是含鎂鋁合金中位錯(cuò)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(cuò)對(duì)電阻率的貢獻(xiàn)與報(bào)道中的純鋁一樣時(shí)，這種微觀結(jié)構(gòu)演變的檢測也不會(huì)可能是同一設(shè)備。這個(gè)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(jià)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?yàn)橐恍┎幻鞔_的因素而仍是挑戰(zhàn)，其中，視乎測量的客觀性可代表一個(gè)重大障礙。實(shí)際上，在各種抵抗機(jī)制的相互作用上，知識(shí)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(duì)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(cái)力支持，是他們使這項(xiàng)工作成為可能。特別感謝X.Wang對(duì)TEM電子透射顯微鏡顯微照相和S.Sarker對(duì)提供AA5754電阻率數(shù)據(jù)上的幫助。

參考文獻(xiàn)

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