Al-Te合金；微观组织；力学性能；导电率

引言当今社会快速发展，智慧物联网、无人蔬菜种植大棚、新能源电动汽车等新兴产业迅速崛起，但是新兴产业的崛起需求巨大能源的同时也要尊重与保护自然。同时，人们对电力的需求日益增加，扩大电网的建设以及研制高导高强度的导电材料迫在眉睫。低损环保同时有着不错性能的输电材料随着科学材料技术、制造工艺水平的不断进步，开始崭露头角。铝合金导线具有强度高、重量轻、导电性能及耐磨损性较好以及环境友好等优点，因此铝合金新型材料一经研发究极易引起人们的关注，具有不可估量的经济科学研究价值。

第1章绪论1.1铝及铝合金的发展与应用

铝元素资源丰富，占整个地壳金属元素的8.3%，由于铝化合物的弱氧化性，人类想要从其化合物中还原铝极为不易，故而更难提取具有更高纯度的金属铝。直到1854年，德维尔利用钠代替钾还原氯化铝，第一次制得了纯度较高的铝锭，他的这一成就为后来铝及铝合金的大批量生产打下了坚实基础。纯铝密度较低，为2.7g/cm3，有良好的导热性，导电性，具有的高的塑性和延展性，广泛用作导电体。铝由于其活性化学性质而具有良好的耐腐蚀性，同时容易氧化，但其表面的氧化膜非常致密。由于纯铝的强度较低，在现实生活中难以直接应用，故而常以铝为基体与其他合金结合，集各种优点制成铝合金使用。铝合金的突出特点是密度小、强度高。各种铝合金性能不同，例如Al-Mn、Al-Mg等防锈铝合金，具有优异的耐蚀性、塑性和较高的强度，油箱、铆钉等地方常常能见到它的身影。Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系铝合金作为硬铝合金，其强度较之更高，但其防蚀性能一般。1.1.1铝合金在国外的发展情况国际上通常使用两种类型的铝合金作为导电用铝：具有更好导电性的1350合金和具有更高强度的E-AlMgSi0.5型合金。为了使导电材料满足在新环境下的性能需求，国外已开研制出一些具有一定特殊性能的导电铝合金，例如美国的5005合金和意大利的Almhoflex合金，其次日本也是该领域中最较为活跃的国家，并且在高强度超耐热铝合金方向上取得了一定成果。1350合金相当于我国的L3铝，标准规定1350合金的铝含量应大于99.5％。1350合金导电率高于大部分导电铝合金，根据国际电工委员会标准规定，电工用铝的最大电阻率为2.8264*10-8Ω*m，所以各国电网所用1350铝的电阻率基本在2.8264*10-8Ω*m的国际标准水平[1]。然而，合金1350的杂质含量具有广泛的变化范围。如果没有限制，它将无法满足电导率要求，因此某些国家/地区已经限制了某些杂质的含量，如奥地利规定Cr+Mn+Ti+V<0.03％，日本的标准规定电工用铝中杂质含量Fe<0.25%，Si<0.10%，(Ti+V)<0.005%。E-AlMgSi0.5型合金是一种低合金化程度的铝、镁、硅系合金，其强度不高。6201和6101具有更好的抗拉强度，常作为高强度铝合金绞线使用。铝、镁、硅系合金具有Mg2Si强化析出相，通过时效处理能使其抗拉强度提升超过250MPa。为了达到强度和导电率的最佳组合，必须逐渐改善合金的成分并仔细控制工艺过程。国外最初用于架空输电线路的主要材料是钢芯青铜绞线，钢绞线和钢芯铝绞线。在1950年代和1960年代，材料科学的发展和加工技术的发展促进了架空导线的发展。传统的钢绞线通常被新的导体代替[2]。1956年，法国率先采用钢芯铝合金绞线，美国，日本，德国，加拿大紧随其后逐渐广泛使用了主要以Al-Mg-Si系列为主的钢芯铝合金绞线。自60年代以来，国际电工委员会一直建议在架空导线中采用钢芯铝合金线。钢芯铝合金线的载流能力一般为钢芯铝绞线的94.6％~95.9％，功率损耗为1.18~1.28倍，但强度要高出30％以上，弧垂特性(拉断力与单位长度之比)为后者的1.3~1.4倍，虽然在耐蚀性、载流量这两方面略微逊色，但钢芯铝合金绞线仍是一种在世界范围内广泛使用且性能优良的架空导线[3]。Al-Fe-Si系合金的主要是意大利铝业公司(Alumeta)开发的Almhoflex合金，Fe含量为0.3~1.0%，Si含量则达到了0.2~0.5%，在加工硬化状态下，由于铁的固溶，其导电率只有42.6%IACS。部分退火的含铁合金有较好的综合性能，但是在完全退火状态下，Al-Fe-Si合金性能因FeAl3化合物粗大化,所以性能还不如1350铝的性能[4]。在硼，铍，钇，金，银，铁，镉，锑，镧系元素和act系元素对铝性能的影响方面，日本有着其独特的研究与发现，日本利用锆来提高铝的耐热性，并据此制成了一批特别添加锆的耐热导电铝合金，如58TAI、60TAI耐热铝合金，UTAI超耐热铝合金、XTAI特别耐热铝合金、KTAI高强度耐热铝合金等。1.1.2铝合金在国内的发展情况在较早以前，我国就对稀土铝合金展开了研究，也取得了一定的成果，电工用铝导体和某些方面铝合金的应用开发达到工业规模。目前有三种稀土铝导体研制成功并投入使用[5,6]①高导电稀土铝合金（Al-RE），添加0.15%-0.3%的稀土含量就能将电导率提高到61%-63%IACS，同时提高抗腐蚀性。②高强度稀土铝合金（Mg-Al-Si-RE），这种铝合金有着出色的冷加工性能，将成材率提高到80%以上（将近过去的一倍），且机械性能、导电性和耐蚀性均得到改善。③高导电耐热稀土铝合金（Al-Zr-Y），在150℃以下使电导率从最初的的58%IACS增加到60%IACS，载流量几乎是纯铝导线的两倍，常作为大电流导线来使用。1.2铝合金的性能及其影响因素1.2.1铝合金导电性能铝合金的导电性能具体体现在铝合金导线的应用上，各国研究和应用铝合金导线已有90多年的历史，上世纪20年代，美国、瑞士和德国率先在高压输电线路中使用铝合金导线；30年后法国和日本也相继应用；再经过10年我国才正式开始研究铝合金导线[7]。列入我国国家标准的铝合金导线有3种：(1)所有绞线均由均质铝合金线组成的全铝合金绞线；(2)线芯由铝合金制成，外层绞制电工圆铝线的铝合金芯铝绞线；(3)线芯由高强度钢线制成，外层绞制铝合金线的钢芯铝合金绞线[8]。与铝线相比，传统的铝芯钢丝具有较低的导电性，因此传输能力受到限制。[11]。高强度全铝合金导线强度达到295Mpa，但其导电率较低(53%IACS)[12]。以高导电率钢芯铝绞线、铝合金芯铝绞线和中强度全铝合金绞线为代表的新型节能导线，具有导电率高，节能效果好，生命周期成本低，可更换的特点，有取代常规钢芯铝绞线的推广价值[13]。例如，中强度全铝合金导线，虽然导电率较高，达到58.5~59%IACS，但其强度仅在230~265MPa之间，不适合大跨度、远距离输电[8，9，10]。最近，国网智能电网研究院研制出一种配方为Al-Fe-Cu-Mg-B-Er体系新型中强铝合金导线其导电率达到59.2%IACS以上，其他性能满足国家电网企业标准《中强度铝合金绞线》的要求[14]。全铝合金节能导线导电率较高，但其耐热性差，不适用于线路的增容扩容。耐热铝合金导线弧垂低、可增容，可以在不改变塔架的情况下对生产线进行改造。工作温度可以提高到120℃以上，载流量可以提高40％以上，特别适合在人口稠密的地区开发新的大容量和旧线路传输线的增容改造[15]。但是耐热铝合金导线的导电率和强度均较低，仅用于扩大城网线的容量。只有提高耐热铝合金导线的导电率和强度，才能改变兼容电缆的性能，并且具有高容量传输的优点，可用作高架长距离传输线[16]。金属导电机理经典电子学理论认为，由金属离子构成的点阵就是金属晶体，电流是自由电子在金属在外部电场作用下自由运动的结果。在自由电子运动期间，它与晶格中的原子核碰撞，从而阻碍了电子的定向运动，从而产生了电阻和电流热效应。金属电导率可由公式(1-1)表示[17]。（1-1）式中:σ-金属电导率;e-自由电子电量;m一自由电子质量;λ-自由电子平均自由程;v-自由电子平均运动速度。n一金属中自由电子数密度;实验测得的平均电子自由程比经典电子理论期望值要大一个数量级，因此引入量子力学和固体理论来描述金属中的导电过程。由能带理论导出金属电导率，可由公式(1-2)表示（1-2）式中:τF-费米面附近电子两次散射的时间间隔;n'-单位体积中导电的电子数密度。据电子金属理论，如果温度达到绝对零度以下，电子波通过理想晶格时，将不会发生散射，此时电阻为零。由温度引起的晶格离子热振动、位错、空位等都会破坏理想点阵的周期性，电子波在这些地方发生散射而产生电阻，降低金属的导电性。影响铝合金导电性能的因素.1化学成分铝的导电率通常高于61%IACS，在工业中用作导电材料。但是纯铝不能达到百分百的纯度，杂质元素的存在会导致铝的导电率下降，通常杂质含量越多则导电率越低[18]。Fe、Si、Ti、V、Mn、Cr等是工业纯铝中主要的杂质元素。其中Fe和Si不可避免，Mn、Cr、V、Ti是微量的过渡族杂质元素。铝中杂质元素对其电阻率的影响程度见表1-1。表1-1铝中杂质元素对铝电阻率的影响[18]据上表可知，Ti、Mn、Cr铝中达到最大固溶度时，使铝的平均电阻率增加较多，Fe其次，Si最小。国际标准化组织规定，电工铝的电阻率需低于2.8264x10-8Ω*m，因此电工用铝必须要严格控制其中的杂质元素类型及其含量。目前国外主要是通过硼化处理来提高Al合金的性能，国内主要是用稀土处理，这是因为虽然我国Al资源丰富，但纯度太低，夹杂大量的Si元素。虽然从表数据看，在达到最大固溶度时，Fe使工业纯铝的平均电阻率增加2.75%，而Si只使工业纯铝平均电阻率增加了0.947%，远远小于杂质元素Fe对电阻率的影响，但是在共晶温度时，Si的最大固溶度达到了1.65%，是铁最大固溶度的33倍，在杂质元素中排第二，所以在实际中，Si对工业纯铝的影响程度远大于Fe，是影响导电率的主要杂质元素，且Fe可以在不显著降低导电率的情况下提高铝的抗拉强度。但兰江冶炼厂的吴克义研究发现[19]，在实际生产中，Fe/Si比应为1.3~1.5，过高则会使电阻率显著升高，所以也应该注意控制Fe的含量。以上是从铝自身所含杂质来看，如果从研究的角度，人为添加合金元素，则结果如下。向铝基体中添加不同种类的元素将影响其电学和力学性能，如图1-1和1-2所示。图1-1不同种类元素对高纯铝导电率的不利影响[20，21]图1-2不同种类元素对铝合金导线硬度的影响[22]结合图1-1和1-2可知，随着Cu和Mg添加量的增加，铝合金导线硬度显著增大的同时其电导率略微降低，并且Cu和Mg相对稀土性价比更高，所以在铝基体中添加微量的Cu，Mg有助于开发出新的铝合金导线。.2熔体精炼工艺由上一小节可知，杂质元素对铝合金的力学性能和导电性影响极大，所以除了要加的元素之外，还应严格控制杂质元素的成分含量。在合金化过程中，铝熔体的纯度会受到原材料，所用工具和所处环境的影响。需对熔体进行合理清洁以确保铸造质量。[23]。为提高铝合金导电性能，我们常采用一些精炼工艺来净化铝熔体。对铝熔体的净化方法可大致归为两类[24]：一是吸附法，即采用氯盐、氯气、氮气或其他惰性介质对铝熔体进行吸附过滤；二是通过其他设备熔炼，例如真空熔炼、超声波处理等。另外，还可以在铝熔体中加入熔体净化剂。实际上，由于许多稀土元素对氢具有很高的亲和力，可从熔体中除去氢，还可以与铝中的Si形成稳定的化合物，且自身在铝中的固溶度很小，对合金电性能的损害也很小。.3热处理及成型工艺目前制铝杆主要采用轧制法和挤压法，轧制法又分连铸连轧和回线式轧制两种形式。一般轧制杆比挤压杆的导电率高，而且回线式轧制杆的导电率优于连铸连轧杆。但从杆的质量、强度、生产率、劳动条件和节约能源等总体来看，我们更愿意选择连铸连轧杆。另外，轧制时由于冷加工对导体电阻率产生的影响可以通过轧制后的热处理来消除。Al杆在拉线过程中，由于加工硬化效应，Al杆的抗拉强度会略微增加，同时Al杆各部分温度不一，其局部温度上升，产生局部热效应，使Al杆各部分的组织性能产生差异，对其导电率乃至综合性能产生影响。1.2.2铝合金的力学性能金属的增强机理强度是指材料在外力作用下承受损坏的能力，是判断性能优劣的重要指标。提高材料的强度可以节约材料，降低成本，提高使用过程中材料的可靠性并延长使用寿命。从理论上讲，有两种方法可以提高金属材料的强度，一种方法是完全消除内部的缺陷，以达到理论强度,但以这种方式获得的高强度是不稳定的，并且在实际应用中仍然存在困难。而在实际生产线上，主要遵循第二种强化方式，在金属中引入大量的缺陷，让缺陷来阻碍位错的进一步发展，此类强化方式主要有固溶强化、细晶强化、位错强化、沉淀相颗粒强化等。.1固溶强化固溶体的强化是指在纯金属中添加微量的其他元素后，纯金属的强度和硬度增加的现象。其原理是溶解的物质在特定温度下获取能量以进入晶格，替换晶格原子或填充晶格中的间隙。不同半径的溶解原子将导致晶格产生局部点阵的不同程度的变形，从而提高金属抵抗变形的能力，这可归因于溶解物质原子与位错的相互作用。由Mott-Nabarro理论，固溶体的均匀增强主要是由溶质与基体原子不匹配而产生的内应力场造成，运动时位错线的弯曲的程度反应了溶质原子作用的强弱，而且每一段溶质原子间距都能对位错运动构成不同大小的阻力。在一般的低浓度固溶体中，流变(屈服)应力随溶质浓度的变化规律，Mott-Nabarro的理论，可用公式(1-3)表示。σ=σ0+kCm(1-3)式中:σ一合金屈服强度;σ0-纯金属屈服强度;C一溶质原子浓度;k、m一常数（0.5~1）铝合金中常见的固溶元素有Ag、Cu、Li、Mg、Mn、Zn、Si和Fe等。引起固溶强化的因素包括弹性、电子浓度、化学及结构因素，另外，溶入大量的异质原子可能会改变基体的键合力。固溶强化对高电导率和高强度的耐热铝合金效果不但不明显，还可能产生副作用，大幅度降低合金的导电性，因此不能将固溶强化用作主要强化导电铝合金的手段。.2细晶强化多晶体金属晶粒的晶界一般角度较大。当不同方向的相邻晶粒发生塑性变形时，一些晶粒由于施密特因子较大，其位错源先开始运动，然后沿着一定的晶面滑动并增殖。晶界会阻挡滑移到此处的位错。晶粒的这种塑性变形不能直接扩展到相邻的晶粒，并且导致位错塞积在塑变晶粒内。通过外力作用，晶粒边界处的位错塞积会产生应力场，该应力场可用作驱动力来激活相邻晶粒中的位错源。当作用在位错源上的应力场的力等于能使位错源移动的的临界应力时，相邻晶粒中的位错源开始滑移并增殖，从而导致塑性变形。塞积位错应力场的强度与外加切应力和位错书目有关，塞积位错的数量与晶粒尺寸成正比。激活相邻细晶粒中的位错源需要更大的外力，这意味着细晶粒的塑性变形需要更高的强度，这也反映了细晶粒在细晶强化中所发挥的作用。一般情况下，多晶体强度及其晶粒尺寸间关系符合(1-4)式所表达的Hall-Petch公式[25]。σs=σi+kd1/2(1-4)式中:σs-多晶体的屈服强度;σi-晶格摩擦力;k-常数;d一平均晶粒直径。由公式(1-4)可知，多晶体屈服强度反比于其晶粒平均尺寸(d)，细化铝合金晶粒，减小晶粒尺寸，可以使材料的强度和塑性同时提高。造成这种现象的主要原因是结晶材料的协同变形能力，这取决于晶粒的尺寸。在相同的体积下，晶粒尺寸越小，数量越大，将外力作用分解开来，就降低了每个晶粒所受应力，从而有效地减轻了材料变形时由晶界处的位错塞积引起的应力集中，并且塑性变形更加均匀。除此之外，晶粒数量增多意味着晶界同样增多，晶界较小且曲折，能够有效阻碍裂纹的扩展。因此，细化晶粒不仅提高了材料的强度和硬度，其塑韧性也有所改善，因此细晶强化可以作为金属材料的主要强化方式。.3位错强化金属晶体的缺陷理论表明，晶体中的位错密度ρ达到达到某些特定值时也可以较大程度地提高金属的强度，位错间的弹性交互作用会增加位错运动的阻力。流变应力τ和位错密度ρ之间的关系符合Bailey-Hirsch关系,如公式(1-5)所示[26]。τ=τo+αμbρ1/2(1-5)式中:α-系数;μ-切变模量;b-位错强度。由上式可知，位错密度ρ和柏氏矢量越大，位错强化效果越显著，但这会导致塑性下降，这是一种由于导电电子的分散而对导电性有害的现象[27,28]。此外，塑性变形通常会改变晶粒的尺寸，或者累积应变形成具有特定织构或再结晶晶粒的新微结构，从而提高材料的强度和导电性。由于位错强化对电导率的影响小于固溶强化对电导率的影响，因此，冷作可以增加导体的强度而不大幅度降低金属的导电性。但是，单一的位错强化只能在一定程度上提高合金的强度，在实际处理中，常将其它强化方式与之联合使用。.4沉淀相颗粒强化由位错与沉淀析出相的交互作用多相合金才能有高的强度，分散分布的沉淀相颗粒能有效阻碍位错运动。满足以下条件时，沉淀相颗粒才能发挥其强化作用:①金属基体需具备一定的塑性变形能力。②析出物应分散均匀且不连续分布。③析出物应小而多，增加阻碍位错滑移的可能性，提高合金的强度。由于第二相在许多性质，如成分组成、晶粒结构、有序度等方面都与基体有差异，故而第二相粒子的强度、粒子的形状和分布情况等都对强化效果有影响。根据颗粒的形变特性，我们将颗粒分成两大类，一种是易变形的颗粒，另一种是不易变形的颗粒，包括分散强化颗粒和通过沉淀强化的大尺寸颗粒，由于它们各自与位错有着独特的交互作用，这两种类型的颗粒的增强机理也存在较大不同。当小尺寸的第二相粒子，与基体共格时，位错与粒子以切割方式完成交互作用，按照Fleisher模式，析出粒子引起临界剪应力增量可用公式(1-6)表示。（1-6）式中:c一常数(一般为2.6-3.7);ε-共格晶界处的错配应变;G-基体的剪切模量;b-位错的Burgers矢量;R-粒子的半径;f一粒子体积分数当大尺寸第二相粒子，与基体半共格或非共格时，位错与粒子以绕过方式完成交互作用。位错线弯曲自身需要做功，而且每当一个位错通过晶粒后还要产生一个位错环，对位错源产生反向应力，如果位错要继续前进，就要加大外力作用，起到了弥散强化的作用，其临界剪应力可用公式(1-7)表示。Δτ≈1.19(T/RB)f1/2(1-7)式中:T一位错线的线张力;R一粒子的半径。由公式(1-7)可知，沉淀强化合金的屈服强度不仅与沉淀颗粒的类型、大小、数量有关，还与颗粒和基体的界面结构有关，在基体中弥散分布的沉淀相颗粒有效地阻碍了晶界和位错的移动，进而保证了合金具有较高的强度和抗软化温度。沉淀相颗粒强化的优点同细晶强化相似，在不大幅度降低导电性的基础上，能较大程度地提高材料的强度。虽然沉淀相颗粒均匀弥散分布在基体中会引起电子产生附加散射，会导致电导率一定程度降低，但析出的弥散相引起的电子附加散射要比固溶在基体中的原子所引起的散射作用要小得多，并且在脱溶处理后，合金一般能获得较高的电导率。因此我们在采用沉淀相颗粒强化时，合理控制合金成分，选择合适的制造工艺，使之形成适量沉淀相颗粒，就可以改善合金的强度以及耐热性。影响铝合金力学性能的因素金属材料的力学性能指标主要包括强度、硬度、塑韧性、耐热耐磨性等性能。而决定这些性质的主要因素分为内在和外在两类：（1）内在因素：材料的化学组成、组织结构类型、残余应力及缺陷等。（2）外在因素：载荷性质、应力状态、温度、环境等。1.3课题研究的意义和目的1.3.1研究意义综上所述：（1）虽然目前为止，世界各国已经研发出了许多种导电铝合金，他们各有所长，已经在世界范围内大规模使用，但是，电工电器行业的发展速度远远超乎我们的想象，我们需要更高导高强，耐热性能更好的铝合金。这需要我们开展更加基础的研究，从元素出发，寻找各种元素与铝合金的可能性，探究它们对导电铝合金导电性能以及力学性能的影响。（2）铝合金的强度和导电性常常是一对难以兼顾的矛盾体，提升抗拉强度的因素往往会导致电导率的降低，而提升电导率的因素往往也会导致抗拉强度的下降。而铝合金导线不仅需要材料具有良好的电导率，还应有一定的抗拉强度，所以我们需要进一步实验研究，找到最合适的添加元素，最合适的合金元素添加量，使导电铝合金在有较高导电率的同时也具有理想的抗拉强度在广泛查阅国内外文献的基础上，我们了解到美国已经有了一个添加Te的铜合金牌号-C14500[29]，该合金具有良好的切削加工性能，同时具有较高的导电率。此外，德国Simense开发了一种含Te的电气开关触头材料[30]，国内的几家单位进行了跟踪研究，结果发现，Te的加入，能够降低电触头的截流值，提高铜合金的抗熔焊性能[31]。由这些信息不难看出，Te元素与铜合金已经有了非常不错的化学反应，能够在保持较高导电率的同时很好地改善铜的抗拉强度，塑韧性等性质。由于铝相对于铜资源更加丰富，价格更加便宜，且在电力传输，电讯方面有着其独特的应用形式。为此，我们选择Al-Te合金作为应用基础研究的一个重点，研究其独特的性能，探讨铝碲合金应用于导线或其他方面的可能性。国内外鲜有关于Al-Te合金的研究和报告，我们认为有以下几个问题值得我们进一步研讨：（1）Te在Al-Te合金导电过程中，有着怎样的作用效应。（2）Te在Al中的强化效应。（3）Te的加入对Al-Te合金耐热耐蚀性能的影响。（4）Te的加入对工业纯铝的宏微观组织性能的影响。1.3.2研究目的由于关于Al-Te合金的相关研究鲜有报道，且电导率和抗拉强度是一对难以同时兼顾的性能，我们期望在提升抗拉强度的同时保持其良好的电导性。本文主要研究合金元素Te对工业纯铝力学性能和导电性能的影响，为设计高强高导铝合金提供依据。通过制备不同成分的Al-Te合金，进行电导率测试、拉伸试验、宏观组织观察等研究Te的加入对工业纯铝组织性能的影响，并制备出不仅有良好的电导率，还有一定的抗拉强度的铝合金。通过Te的加入，在不大幅度降低铝合金电导率的基础上提升抗拉强度。

第2章材料制备及实验2.1材料与设备2.1.1实验材料该实验我们的实验原材料为Te，以及工业纯铝铝锭，铝锭的纯度在99.7%以上，工业纯铝中主要的杂质元素有：Fe、Si、Ti、Mn、V、Cr等，Mn、Cr、V、Ti是微量的过渡族杂质元素含量各异，但Fe和Si却是两个主要且不可避免的杂质元素。2.1.2实验设备在实验过程中，用睿鸿HJ1光学显微镜（OM）观察金相组织结构；EM-30Plus型扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织；用DX-2000BH型多功能X射线衍射仪(XRD)进行物相分析；力学性能测试用到了WOW-50E电子式万能试验机测试其抗拉强度；采用HVS-1000型显微硬度计测量其表面硬度；导电率则使用7501A涡流电导仪进行测试。2.2材料制备以碲和铝锭为原料，分别配置碲含量为1#0.05%、2#0.10%、3#0.15%、4#0.20%、5#0.25%、6#0.30%、共6组铝碲合金。将铝置于干燥箱中预热至去除吸附的水分和气体。温度加热至720℃使铝锭全部熔化得到铝液，然后加入覆盖剂，并用铝箔将碲包裹住，在720℃下分5次将Te用钟罩压入铝液内，每次加入总量五分之一的Te含量，待碲全部加入并熔化后，在720℃下保温30分钟后搅拌扒渣，再静置保温10分钟得到铝碲中间合金，浇注成型。图2-1熔炼设备示意图2.3实验方案与技术路线图2-2实验流程图（1）磨光：试样在每一号砂纸上磨制时，均沿同一个方向磨，用力适中。将试样倒角后分别用80#，100#，180#，240#，360#，600#，800#，1000#，1200#，1500#，2000#，W5砂纸分别进行粗磨，细磨，预抛光。抛光：采用金相试样抛光机、金刚石抛光膏进行抛光，抛光至磨面呈光滑的镜面即可，用水或有机溶液冲洗掉表面残留的抛光液，用电吹风吹干，而后放入到干燥器中保存。侵蚀：用0.5%HF溶液侵蚀20-30s，浸蚀完毕后立即用清水冲洗，最后用吹风机吹干。将制备好的金相试样放在睿鸿HJ1金相显微镜下观察其组织结构，拍摄电子照片。采用EM-30Plu型扫描电子显微镜进行显微组织观察，用DX-2000BH型多功能X射线衍射仪对合金的相组成进行分析，在20-90度进行扫描，扫描速度为0.01°/s。图2-3EM-30Plu型多功能X射线衍射仪注意事项：（a）开机前必须先开启循环冷却水，否则仪器将报警。（b）开门、关门动作应轻缓，以免震动过大导致X射线自动关闭。（c）测角仪角度限制：广角≤110°，小角≥0.5°，否则将造成探测器和测角仪的损坏。（2）在WOW-50E电子式万能试验机上测试其抗拉强度。试样为Φ5mm×30mm的圆柱试棒，拉伸速度为2mm/min，最大拉力Fm(单位/KN)由计算机自动采集。用千分尺测量出金属试棒的直径，计算出横截面积S(精确至小数点后两位，单位/cm2)，运用公式σ=Fm/S计算出其抗拉强度(单位/MPa)。每组试样分别测量6次抗拉强度，取平均值，将其与铸态试样的平均值进行比较。同时记录夹头位移量，根据GB/T228-2002金属材料室温拉伸方法进行图像和数据处理，去掉夹持段滑移部分的位移量，试棒标距为80mm，伸长率δ按下面的公式计算:

式中δ为伸长率%，0为试样标距长度，1为样品断后标距部分的长度。图2-4WOW-50E电子式万能试验机采用HVS-1000型显微硬度仪测量铝碲合金表面的硬度，实验载荷为0.98N，加载后保持15s。为了使数据更加准确，测试前将待测样品用180#砂纸按顺序磨到2000#砂纸，磨光后在抛光机上先后使用W2.5-4000目、W1.5-6000目、W0.5-10000目的金刚石抛光膏进行抛光，随后用0.5%HF溶液侵蚀15S，侵蚀后用棉花蘸取无水乙醇进行擦拭，随后用电吹风与样品表面呈30°斜向吹干后测试显微硬度。为了尽可能降低误差，我们采取多次测量去除极值后求去平均数的方式确定显微硬度。在样品表面随机均匀选择7个位置测定其显微硬度值，统计数据后，除去最大和最小的数据，最后取剩下5个数据的平均值作为实验研究数据。（3）使用7501A涡流电导仪测试其导电性。测试前将待测试样用180#粗砂纸磨去表面氧化层，随后逐步更换目数更高的砂纸将表面打磨平整，随后抛光处理至平滑光亮。测定前还需对仪器进行多次校准。为了使数据结果更加精确，测试时随机且均匀选取五个位置进行测量，如有某次涡流电导仪显示数据与其他测试数据差异较大则应作废本次测量，并重新选点测量，最后求取数据平均值作为实验研究数据。图2-57501A涡流电导仪

第3章试验结果与讨论3.1微观组织样品的宏观组织结构，其观察结果参考图3-1[32]所示。图3-1不同镧含量对宏观组织的影响[32]图3-1为加入不同La含量后的铝镧合金宏观组织。类比预测不同Te含量铝碲合金的宏观组织：粗大的柱状晶占据了大部分；当Te的添加量达到0.05%wt时，柱状晶基本消失，同时大量尺寸较小的等轴晶聚集在心部附近。在Te的添加量达到0.15wt%时，柱状晶完全消失，铝合金的组织完全转变成等轴晶，且尺寸更小；当Te含量超过0.15wt%以后，组织仍为细小的等轴晶且随着Te含量的增加，晶粒尺寸不断减小。当Te的添加量达到0.3wt%时，等轴晶晶粒尺寸变的更小，且均匀分布在组织中，此时已经无法直接观察出晶粒的宏观尺寸。100um100um图3-2为加入不同Ce含量后的显微组织图（SEM）[33]。100um100um图3-2不同Ce加入量对应的微观形貌（SEM）[33](a)0%Ce;(b)0.10%Ce;(c)0.2%Ce;(d)0.30%Zr;(e)(f)0.5%Ce据参考数据预测：在加入Te后晶粒明显细化，随着Te含量的增加，晶粒逐渐细化的同时晶界析出物增多。Te属于半金属元素，与铝基体的润湿性较差，它几乎不溶于铝，因此Te在铝中的溶解度非常低，未溶解的Te密集地近程排列在原子团的表面上，降低了表面张力，也就降低了临界晶核的形核功，使相同条件的液相中临界晶核增加，从而产生细化晶粒的作用。另一方面，由于Te的分配系数远小于1，在铝中的固溶度小于0.05%，并且大部分Te富集在界面前部的液相边界层中，Te的存在使Fe、Si等原子更难以进入固溶体中，并且在界面前沿液相中的Te和其它元素原子的浓度梯度增加，形成了成分过冷区。当成分过冷度大于形成新晶核所需的过冷度时，再加上大量的异质晶核，则大量的新晶核会限制柱状晶的成长，从而获得大量的等轴晶并造成界面溶质富集，减小晶粒尺寸，产生成分过冷再造成枝晶细化。3.2力学性能3.2.1拉伸试验参考图3-3稀土元素对铝合金的抗拉强度以及图3-4对延伸率的影响[34]图3-3稀土对铝导线抗拉强度的影响[34]图3-4稀土对铝导线延伸率的影响[34]据以上内容进行不同成分Al-Te合金拉伸试验结果的预测，预测结果如表3-1表3-1预测不同成分Al-Te合金拉伸试验结果次数成分123456平均值/MpaAl60.561.261.360.862.561.9=AVERAGE(LEFT)61.37Al-0.05Te65.266.566.168.265.766.8=AVERAGE(left)66.42Al-0.10Te66.268.467.567.266.168.7=AVERAGE(left)67.35Al-0.15Te70.171.871.572.371.169.571.05Al-0.20Te62.161.962.863.164.261.8=AVERAGE(left)62.65Al-0.25Te58.859.459.161.860.560.7=AVERAGE(left)60.05Al-0.30Te58.157.958.856.856.157.6=AVERAGE(left)57.55图3-5不同成分Al-Te合金抗拉强度曲线图由预测数据可知，Te的添加量在0-0.15wt%之间时，Al-Te合金的抗拉强度随着Te的添加量的增加而上升，当Te的添加量达到0.15wt%时，其抗拉强度达到峰值为71.05Mpa；在继续增加Te的添加量后，Al-Te合金的抗拉强度开始逐渐下降。伸长率预测结果如图3-6所示。图3-6预测不同成分Al-Te合金伸长率曲线图由上图我们可以清楚而直观的看到不同成分下Al-Te合金的伸长率，以及其随着Te含量增加的变化情况。与抗拉强度变化情况相似，拉伸率峰值处的Te含量在0.15wt%，为39.1%，随着Te含量的进一步增加，伸长率呈逐步下降趋势，且0.15wt%Te之后的Al-Te合金伸长率下降程度较0.15wt%Te之前的增加程度更快。分析原因可能是Te的加入使Al-Te合金的晶粒迅速细化，晶界面积增大，晶界更加曲折，不利于裂纹的扩展，使其塑韧性提高而使其伸长率增加；当Te添加量达到0.15%wt时，晶界析出物增多。断裂方式研究表明，晶界处较大的析出化合物一般都是产生各种裂纹的源头，由于外力以及化合物自身内应力在局部应力集中，化合物周围会产生裂纹。合金中产生裂纹和裂纹扩展的能力主要由晶界析出物的尺寸决定，析出物尺寸越大，越容易产生裂纹并扩展，合金的伸长率就越低，由于晶粒细化，产生大量新相，较多位错在其周围塞积，逐渐形成裂纹源，并产生应力集中现象，使合金提前断裂，降低其塑性，强度和伸长率。3.2.2硬度试验参考图3-7Ce对铝合金导电率和硬度的影响[35]预测试验结果见下表3-2图3-7Ce对铝合金导电率和硬度的影响[35]次数成分1234567平均值/HVAl28.927.529.228.630.228.431.229.1Al-0.05Te35.534.736.534.635.438.239.436.1Al-0.10Te39.539.438.540.542.5Al-0.15Te44.647.544.246.745.8Al-0.20Te49.548.449.248.849.7Al-0.25Te54.554.655.159.656.551.356.755.5Al-0.30Te62.263.261.458.259.662.161.861.4表3-2预测维氏硬度试验结果图3-8添加不同成分Te后合金的维氏硬度变化曲线由预测实验结果，Te在铝合金中含量较低时，小部分固溶在Al中，部分偏聚在晶界和枝晶界中，大部分富集在界面前沿的液相边层中；Te含量较高时，主要以化合物等形式存在。Te固溶在铝基体中，产生畸变场，但是由于Te在铝中的固溶度很小，固溶强化作用效果甚微。Te的强化效应主要是Te会偏聚在晶相界附件，增加晶粒的抗变形能力，同时Te分布在枝晶和晶界中，形成间断连接的网膜，增强晶界的强度。随着晶界强度的提升，裂纹在晶粒与晶粒之间的传播受到限制，从而增强了合金的抗拉强度。所以随着Te含量的增加，合金硬度趋于稳定上升。当Te的添加量足以与铝合金中的各种元素形成金属间化合物时，许多新产生的相都出现了粒子化、球化的现象，往细小化发展，并具有良好的耐热性、热稳定性。同时Te元素能与工业纯铝中部分杂质元素形成化合物，随后从晶界析出，提升铝基体的整体纯度，强化稳定了晶界，提高了材料的强度。3.3导电性能参考图3-7Ce对铝合金导电率和硬度的影响后，对不同成分Al-Te合金电导率的预测结果如表3-3表3-3不同成分Al-Te合金导电率测试试验结果位置成分12345平均值/IACS%Al63.0263.2263.1161.5461.24=AVERAGE(LEFT)62.43Al-0.05Te63.5564.2262.8862.9462.41=AVERAGE(LEFT)63.20Al-0.10Te64.2863.1163.5563.8863.89=AVERAGE(left)63.74Al-0.15Te64.2264.2164.2863.5463.96=AVERAGE(left)64.04Al-0.20Te60.2860.1760.1561.2259.87=AVERAGE(LEFT)60.34Al-0.25Te59.7759.6160.2160.1158.92=AVERAGE(LEFT)59.72Al-0.30Te59.7558.9858.9159.7759.09=AVERAGE(left)59.30图3-9不同成分Al-Te合金导电率曲线图据预测结果可以发现Al-Te合金导电率的变化趋势与其伸长率，抗拉强度变化趋势几乎相同，均是在添加0.15wt%Te时达到峰值，随后随着wt%Te的进一步增加，开始逐渐降低。经典金属导电电子理论认为，自由电子在定向运动额过程中会受到正离子发生的干扰，发生碰撞而使其正常的定向运动受阻，受到阻碍的强弱即电阻的大小；量子自由电子理论认为，因为金属内部存在大量的杂质和缺陷，它们导致的静/动态点阵畸变，会对电子波造成散射，从而产生电阻。而且相较于杂质元素的析出态，当其固溶在金属中时，对金属导体的电导率降低作用更为明显。阻碍电子运动或是增加电子波散射几率都会导致电阻率增大，电导率降低。纯铝的基体为α-Al，存在Ti、V、Mn、Cr（微量）Fe、Si（主要）等杂质元素，未加Te前，大部分杂质以游离态溶于基体中。虽然铝基体中Fe、Si的溶解度不大，但是对工业纯铝电阻率的影响却不容小觑。据SEM、BSE、EDS及能谱分析等实验发现，位于晶界处的片状相为Fe-A1相，正面证实了将少量的Te加入纯铝中可以减少其基体上的杂质相起到提纯的作用。Te与Fe、Si元素交互作用较强，固溶于铝中的Fe、Si容易与Te形成了稳定的化合物，并在晶界处发生偏聚，原来固溶在铝中的Fe、Si从固溶态变为析出态，这将大幅度降低杂质元素对铝合金导电性能的影响，降低电阻率，从而提升铝合金的导电性。我们发现，Te与固溶于铝中的Fe、Si杂质形成的金属间化合物呈不定形片状或鱼骨骼状沿晶界不连续分布，其定量分析可能Al12Fe3Si2Teo.1相。此外，Te还可以与铝中的O元素发生交互作用，降低气孔的生成率，减少缺陷，变相净化了铝基体，使电导率上升。所以，添加少量的Te有助于降低纯铝的电阻率。由于Te在铝基体中固溶度非常小，晶格畸变程度小，因此添加少量Te时铝合金的电阻率基本不发生变化。随着wt%Te增加，晶粒更加细小，晶界增多，晶格畸变程度增大，增大了电子散射几率，从而导致电阻率的增大。晶界引起的附加电阻率的增加程度远小于铝中的Fe、Si从固溶态变为析出态减小的电阻率。随着wt%Te的进一步增加，过量的Te与铝基体形成金属间化合物，这些化合物的导电率远小于铝基体的导电率，也就是说这些金属间化合物的存在降低了有效的导电面积，使得合金的导电率下降。同时晶粒细化程度也在进一步提高，当添加0.3wt%Te时，组织中等轴晶变的更加细小而均匀。此时在Al-Te合金中存在大量短而宅的晶界，阻碍电子运动，增加电子散射波的几率，电阻上升，电导率下降。表4-1为各项数据汇总表表4-1不同Te含量对Al组织、力学性能及电导率的影响Alloygrainsize(µm)grain

degreea(Å)σ(MPa)δ(%)HVIACS(%)Al2200-44.04855=AVERAGE(LEFT)61.3736.829.1=AVERAGE(LEFT)62.43Al-0.05Te35904.05288=AVERAGE(left)66.4237.536.1=AVERAGE(LEFT)63.20Al-0.1Te16824.05364=AVERAGE(left)67.3539.140.5=AVERAGE(LEFT)63.74Al-0.15Te1532.54.0541571.0541.245.864.04Al-0.2TeAl-0.25Te1471412.534.055614.05600=AVERAGE(left)62.65=AVERAGE(left)60.0527.222.649.755.5=AVERAGE(LEFT)60.34=AVERAGE(LEFT)59.72Al-0.3Te13634.0562157.5518.461.459.30

第4章结论本文以碲和工业纯铝为原料，分别配置碲含量为1#0.05%、2#0.10%、3#0.15%、4#0.20%、5#0.25%、6#0.30%、共6组铝碲合金，同时在实验中以工业纯铝作为单独的一组对照，采用睿鸿HJ1光学显微镜（OM）观察金相组织结构；日立S-2500型扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织；物相分析用到的设备有D8ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)；力学性能测试用到了WOW-50E电子式万能试验机测试其抗拉强度；采用HVS-1000型显微硬度计测量其表面硬度；导电率则使用7501A涡流电导仪进行测试。对不同成分Al-Te合金的一系列性能做了实验，并对其微观组织，力学性能，导电性进行了观察和分析研究后得出了以下结论：（1）Te对Al-Te合金组织主要是起到了细化晶粒的作用，在工业纯铝中添加Te后，细化效果明显，使晶粒尺寸直接从2200μm降到了359μm，随着Te含量的逐渐增加，晶粒尺寸进一步降低，但降低速率放缓，细化效果减弱。（2）Al-Te合金的抗拉强度、伸长率以及导电率，都随着Te含量的增加而增加，当Te的添加量为0.15wt%时，该三项数据均达到峰值；随着Te含量的进一步提高，该三项数据均呈下降趋势，逐渐降低。说明少量Te的添加，能使工业纯铝的抗拉强度、伸长率以及导电率得到提高。（3）由硬度试验表格可以看出，随着Te含量的增加，Al-Te合金的硬度随之增大。（4）Te的最佳添加量为0.15wt%，此时在提升Al-Te合金的抗拉强度达到71.05Mpa的同时其电导率也保持在65.50%IACS这一较高的数值。

参考文献[1]刘顺华．高导电率含硼铝合金．电器工业(材料专辑)，2002(12)：36-37[2]史志远,温景林,白光润.架空导线(OverheadLine)的发展.轻合金加工技术,1996,24(8):5-8[3]李玉华.微合金元素对铝圆杆性能的影响:[硕士学位论文],昆明:昆明理工大学，2005[4]HufnagelW.Manualdelaluminio.Aluminium-Verlay,1992[5]汪良宣.稀土铝合金导体材料在电线电缆中的应用概况[J].中国稀土学报，1995,7，Vo1.13:404-407.[6]唐定骧，王成辉，我国独具特色的稀土电工铝和铝稀土合金[J].有色工业信息，1990(中国科学院长春应化所):1-8.[7]杨恩娜，吴细毛，李春和，等.架空导线用铝合金的机电性能及现状与发展[J].材料导报A:综述篇，2014,28(9):111-116.[8]叶鸿声.中强度全铝合金导线在输电线路中的应用[J].电力建设,2012,31(12):14-19.[9]陈保安，韩钰，陈新，等.中强度铝合金导线概述[J].热加工工艺，2015,44(18):6-8.[10]刘东雨,侯世香,刘静静，等.中强度全铝合金导线的发展[J].热处理技术与装备,2013,34(8):25-28.[11]刘斌，郑秋,党朋,等.铝合金在架空导线领域的应用及发展[J].电线电缆,2012,4:10-15.[12]章德