合金元素添加量对Al-Mg-Si合金导电性能的影响及计算研究

1、合金元素添加量对Al-Mg-Si合金导电性能的影响及计算研究 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 铝作为导电率仅次于银与铜的金属导体，以其价格和资源优势，逐步发展成为代替铜的导电材料，但由于其质地柔软，在重要领域应用仍然受限。故此，Al在导电领域的应用仍然以钢芯铝绞线为主，这不但增加了应用成本，也加大了回收难度。随着十二五计划对国家电网铺设的计划实施，铝单

11、线的研发，尤其是6XXX系合金的研发成为各个研究机构的重点研究对象。 随着铝合金导线不断研究发展，尤其是近些年电力系统的大力发展下，Al-Mg-Si合金材料成为此领域的研究核心。首先，由于Mg、Si两种元素原子尺寸与Al原子尺寸相差不大，引起的晶格畸变较小，进而减少了电子散射的几率。其次，两种元素形成的Mg2Si相是具有高强度的条状或杆状相，对增加合金抗拉强度有非常明显的作用。 早在上世纪30年代就有相关的合金元素与电阻之间的关系图谱，并通过MTCCEH-EMH规则对铝材料导电率进行了定性和定量研究，研究认为铝材料电阻是由基体电阻和合金元素导致的残余电阻所决定，同时用数学模型定量的阐述了合金元

12、素质量比和元素的影响关系，但应用过程中由于铝杆的轧制过程的其他影响，根据该规则计算所得的电阻率偏小。 近十年来，科学前沿的研究者们通过模拟和实践结合来探索元素对铝合金导电性能的影响，也有越来越多的人意识到对导电率和强度进行定量研究的重要性。如徐彩霞与王桂芹等几位老师，分别阐述了元素在合金中的影响方式并拟合曲线，给出了元素的随含量增多的影响大小。 本文在前人研究成果之上，结合M-规则对导电性能的阐述，引入对空位影响的定量研究，针对MTCCEH-EMH规则进行了修正，在很大程度上提高了导电计算的精确性。 关键词：铝合金，导电性能，预测 1 实验试样材料制取方法 1.1 实验成分设计 实验材料为Al

13、-Mg-Si合金材料，参照6063成分，设计Al-Mg-Si电工杆实验用成分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 实验步骤设计 在型号坩埚加热至710，在坩埚中铝全部熔化后依次加入Si、Mg、Fe、Cu合金，待温度稳定后加温至730精炼，待坩埚内金属全部熔化，对液态金属进行捞渣和搅拌，并进行氩气精炼，静止且保温一段时间后，浇铸至金属型中，得到126mm×

14、;300mm锭，将熔铸锭在400下热挤压成12mm的铝杆，每种成分分别在不同部位截取7组共35个实验试样，为了提高合金性能，进行200×1.5h热处理。对制备的实验试样分别进行性能和成分测试，测试结果如表1. 表1 热挤压后Al-Mg-Si电阻数据 注：为电阻（×103/m）,为抗拉强度（MPa），W%为合金元素重量百分数，为平均伸长率。 2 实验结果分析及导电率数学模型建立 2.1 合金元素添加量对导电率的影响 MTCCEH-EMH规则认为，一切除基体金属外的合金元素的添加均会增加合金电阻。因此，通过在合金中不同添加元素重量百分比，研究合金元素量对合金导电率的影响。通过表

15、1中的测试结果可以看出随着合金元素重量百分比的增加，电阻值随之增加，这也验证了MTCCEH-EMH规则的正确性。 不同成分下的金相如图所示： ? ? ? 图1 Al-Mg-Si导电铝试样金相 Mg、Si重量比例的越大，作为第二相Mg2Si的带有小尖角状的黑色颗粒越密集，由于Mg2Si在Al中固溶度非常小，在时效处理后主要以与母相呈半共格或者非共格的形式存在，这样造成的晶格畸变相对固溶态变小，但更加集中，且在变形过程中容易作为钉扎质点造成的缺 1陷相对增多。 时效后Al中残余Si会以块状形态存在，而此时的Si对导电率影响非常大，且残余Si一旦 2超过0.06%便会引起晶间腐蚀。而添加的Fe元素则

16、会结合残余Si相形成棒状或针状的 AlFeSi相，以此来降低过剩Si含量，进而有效促进Mg2Si富集，熔断强化相尖角，除了增 5 加基体的抗拉强度外，可以减少裂纹源，进而减小微观晶格畸变所引起的宏观电阻。 图2 Al-Fe-Si相电镜扫描与对应能谱 图3 过剩Si相电镜扫描与对应能谱 2.2 MTCCEH-EMH规则理论值计算与实验数据对比分析 根据MTCCEH-EMH规则对微观状态下合金元素对电阻的描述，合金元素添加会引起基体的点阵畸变，杂乱无章的电子分布会增加电子散射的几率，从而增加了电阻，规则 2认为合金元素的摩尔分数小于1%时，电阻的增加与浓度成正比，即可以将合金电阻表示 2为 ： =

17、20+0 （1） 其中20为20下基体金属的电阻0.2548/m，0为残余电阻，0=x,x为添加元素的摩尔分数，为添加元素的摩尔电阻系数。 根据文献7记载，电工用铝包含的主要合金元素随质量分数变化产生电阻的电阻系数（即1mol合金元素增加的电阻）分别为：Mg0.54、Cu0.344、Fe0.0816、Si0.727 由此计算实验试样理论电阻值分别为0.2562x103/m、0.2565x103/m、0.2569x103/m、0.2570x103/m、0.2573x103/m，由此也验证了根据MTCCEH-EMH规则计算的理论值要比实测数据平均值要小。 这是因为除了合金元素在基体中形成的晶格畸变

18、引起电阻升高外，结晶和变形过程中形成大量的点、线、面缺陷对电子移动也起阻碍作用，而这些缺陷形成的根本原因是原子脱离节点，以间隙原子、空位或排列成位错等缺陷状态存在，那么所有缺陷在每一个单位体积横截面上的原子层上反映出来的就是空位和间隙原子，那么就可以通过数学模型对空位形成浓度的描述来量化缺陷的影响。 2.3 MTCCEH-EMH规则修正 针对MTCCEH-EMH规则只是对合金元素的电子散射能力进行了阐述，忽略了随着合金元素添加产生的空位对电阻的影响，我们需要对此规则进行修正。 由于实验用电工铝杆检测前经过时效处理，而时效处理过程的实质是固溶于基体的合金元素的脱溶过程9 ，故此检测时，电工杆可看

19、做内部缺陷已经处于热力学稳定阶段，即根据对点缺陷的基本定义，可将点缺陷平衡浓度描述为： C=Aexp(- 3Ev) （2） kT根据文献记载，铝中形成一个空位的空位形成能为0.76ev/mol，k为波尔兹曼常数 8.02x10-5ev/k.，A为振动熵的影响参数，通常取1. 由于实验试样经过200时效后过冷度较大，可以近似认为空位基本保留，故此根据平衡浓度公式可计算铝基体在200时的空位形成浓度约为2×10-9/mol，每个试样取1m，约为11.304mol，即空位浓度约为22.6×10-9。 可以认为基体电阻除元素本身外，空位浓度也是电阻增加的一方面，故此在公式描述时可表

20、示为： =20+0+C （3） 但我们尚需考虑另一个问题，合金含量添加必然会使得基体内部熵值增大，混乱度增加，缺陷随着添加量的增多而增多，尤其是如Mg、Si这种影响因子比较大的元素，故此对0的描述需要用指数形式进行，这里我们选用e来表达： =20+0+Ce （4） 通过第一组到第五组实际数据计算修正，确定空位影响参数大小分别为10.28、12.29、13.61、13.65、13.67。 非常明显的看到，空位参数随着合金元素添加量的增多，参数逐渐增大，但增大速率逐渐减小，即： ?2?v；2?a （5） ?w?w 其中v为衰减速率，a为减小加速率； 牛顿前插公式计算： 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 即可得到数列公式 ?n?0(1?vn)n （6） vn?v0(1?a)n （7） a?0.49; 故此MTCCEH-EMH规则修正表达式可表示为： ： ?20?0?Cexp?0v0(1?a)nn （8） 其中n为添加合金元素次数（每0.1%添加量认为是添加一次），?0与v0在本实验中认为是第一组试样计算出的

22、影响参数与影响参数衰减率。 即修正后公式可根据两组实验数据推断增加或者减少合金含量后的电阻。 所以可以推断，这种由合金元素所引起的空位变化影响是随着合金添加量的增长而增长，增长速度则越来越慢，最后趋于平衡，且通过图3可以明显的看出修正后的公式对热挤压状态下的Al-Mg-Si导电铝杆预测会更加准确，最大误差率不超过1.8%。故可以运用于指导生产实践。 图4 M-规则修正前后曲线与实验结果曲线对比 4 结论 1、任何合金元素s添加都会导致基体电阻增加，在Al-Mg-Si合金中主要添加元素为影响较大的Mg、Si两种元素，两种元素在M-规则理论值计算中产生的残余电阻也较大，但随着重量百分比的增加，理论

23、值的波动非常小，与实际阻值相差较大。 2、分析发现，残余电阻除了元素本身引起的电子散射和晶格畸变外，缺陷也是导致电阻增加的因素，在每个单位体积横截面的原子层上，缺陷可以看做是正负空位，故此可以用空位形成浓度及其影响参数来描述空位产生的残余电阻。 3、经过计算和公式推导，修正后的M-规则在理论值计算上更加准确，最大误差率也小于1.8%，远远比原M-规则更准确，可以用作热挤压下Al-Mg-Si合金电阻率的预算。 参考文献 1 Thomas.H. Courtney. Mechanical Behavior of Materials. 机械工业出版社. 2004.6：175-210. 2 向凌霄. 原铝及其合金的熔炼与铸造. 冶金工业出版社. 2005.10:16-38. 3 胡望宇,齐卫宏,张邦维. 一种估算金属空位形成能的半经验方法. 湖南大学学报. 1999, 26(5): 4 陈逢源，金培鹏，王金辉，等. 超声波处理对6061铝合金晶粒大小的影响.铸造技术. 2012.33(11):1276-1278 5 徐红星，程晓农，许晓静，等. 超细亚晶粒铝合金的强化机理. 青海大学金属材料研究所，青海. 江苏大学学报. 2011.32(1):51-55. 6 李 晶，金 曼，费 明，等. Al-Mg-Si系铝合金