材料的电学性能课件.ppt

第二章 材料的电学性能,中国矿业大学 材料科学与工程学院,第二章 材料的电学性能中国矿业大学 材料科学与工程学院,本章内容,金属的导电性合金的导电性与测量半导体的导电性材料的介电性材料的超导电性,本章内容金属的导电性,第二节 合金的导电性与测量,合金基础知识 固溶体的导电性 金属化合物的导电性 多相合金的导电性 金属与合金导电性的测量,第二节 合金的导电性与测量 合金基础知识,1. 什么是合金？,两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合（物理变化）而成具有金属特性的物质叫做合金。,合金的特点：,熔点低于任一组分的金属； 硬度大，耐磨损； 导电性低于任一组分的金属； 具有较强的抗腐蚀性。,由于合金的许多优于纯金属的性能，因而在实际应用中多使用合金。,1. 什么是合金？两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合,合金的分类,固溶体金属间化合物（中间相）多相合金（共熔混合物）,无序固溶体,有序固溶体,不均匀固溶体（K状态）,置换型间隙型,合金的分类固溶体无序固溶体有序固溶体不均匀固溶体（K状态）置,固溶体的最大特点是保持溶剂的晶体结构。,固溶体,固溶体的最大特点是保持溶剂的晶体结构。固溶体,按溶质原子在溶剂中的分布特点分类,无序固溶体：溶质原子在溶剂中任意分布,无规律性。,有序固溶体：溶质原子按一定比例有规律分布在溶剂晶格的点阵或间隙里。,按溶质原子在溶剂中的分布特点分类 无序固溶体：溶质原子在溶剂,无序固溶体,无序固溶体,有序固溶体短程,有序固溶体短程,有序固溶体长程,有序固溶体长程,有序固溶体偏聚,有序固溶体偏聚,中间相（金属间化合物）,中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相,它可以是化合物,也可以是以化合物为基的固溶体(二次固溶体),一般可以用化学分子式来表示,但不一定符合化合价规律。,中间相中原子的结合方式为金属键与其它结合键相混合的方式。它们都具有金属特性。,中间相如：钢中Fe3C、铝铜合金中CuAl、黄铜中CuZn、半导体中GaAs、形状记忆合金中NiTi和CuZn、核反应堆材料中Zr3Al、储氢能源材料中LaNi5等。,中间相分类：正常价化合物、电子化合物、原子尺寸有关的化合物(间隙相、间隙化合物、TCP相)。,中间相（金属间化合物）中间相是合金组元间发生相互作用而形成的,常见合金,铁基合金（如Fe-C合金，即钢、铸铁等）铜基合金（如黄铜、青铜等、白铜等）钛合金（如钛铝合金等）镁合金（变形镁合金、铸造镁合金）铝合金（防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝等）锌合金,常见合金铁基合金（如Fe-C合金，即钢、铸铁等）,常见的合金加工工艺,时效冷加工变形退火回火正火淬火,将淬火钢加热到低于临界点的某一温度保温一定时间，使淬火组织转变为稳定的回火组织，然后以适当的方式冷却到室温。,将组织偏离平衡状态的钢加热到适当的温度，经保温后随炉缓慢冷却下来，以获得接近平衡状态组织。,将钢加热到一定温度下，保温一段时间，使之完全奥氏体化，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。,将钢加热到临界温度以上，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。,在室温或加热到一定温度下保温一段时间以使过饱和固溶体分解的一种热处理方式。,常见的合金加工工艺时效将淬火钢加热到低于临界点的某一温度保温,合金的应用领域,合金的应用领域,新型合金,储氢合金形状记忆合金非晶合金,新型合金储氢合金,第二节 合金的导电性,合金基础知识 固溶体的导电性 金属化合物的导电性 多相合金的导电性 金属与合金导电性的测量,第二节 合金的导电性 合金基础知识,2. 固溶体的导电性,1）无序固溶体的电阻,形成固溶体时，导电性能降低。即使是在低导电性的金属中溶入高导电性的金属溶质也是如此，但电阻随成分连续变化而无突变。对于连续固溶体，当组元A溶入组元B时，电阻由B组元的电阻值逐渐增大至极大值后再逐渐减小到A组元的电阻。,2. 固溶体的导电性1）无序固溶体的电阻形成固溶体时，导电性,Ag-Cu合金电阻率与成分的关系,最大电阻率通常在50 %浓度处,原因：,晶体点阵畸变； 杂质对理想晶体的局部破坏； 合金化对能带结构的影响； 合金化对弹性常数的影响。,Ag-Cu合金电阻率与成分的关系最大电阻率通常在原因： 晶体,CuPd、AgPd和AuPd合金电组率与成分的关系,铁磁性和强顺磁性金属组成的固溶体，不仅电阻的极大值出现在较高浓度处，而且电阻也异常的高。,原因：价电子转移使有效导电的电子数减小。,CuPd、AgPd和AuPd合金铁磁性和强顺磁性金属组,与温度和组元浓度的关系,低浓度的固溶体中，固溶体电阻率随温度变化的斜率与溶质原子的含量无关。固溶体的电阻率温度系数总是小于纯金属的电阻率温度系数。高浓度固溶体和一些低浓度固溶体的电阻率随温度的变化，既取决于温度对溶剂金属电阻的影响，又取决于温度对溶质元素所提供的附加电阻的影响。,低浓度固溶体的电阻率：,应用：工业上，电阻合金,与温度和组元浓度的关系低浓度的固溶体中，固溶体电阻率随温度变,2）有序固溶体的电阻,合金有序化后电阻降低 完全有序合金在0 K和纯金属一样电阻为零， 只有当原子的有序排列遭破坏时才有电阻。,固溶体有序化,电子结合比无序态时强，导电电子数减少,晶体的离子势场更为对称，电子的散射降低,合金电阻降低,2）有序固溶体的电阻 合金有序化后电阻降低固溶体有序化电子结,T / ,/ cm,1无序（淬火态）,2有序（退火态）,Cu3Au合金有序化对电阻率的影响,T / / cm1无序（淬火态）2有序（退火,a淬火态b退火态,Cu-Au合金的电阻,原因：,合金有序化后，晶体的离子势场更为对称，电子散射概率降低。,a淬火态Cu-Au合金的电阻原因：合金有序化后，晶体的,3）不均匀固溶体（K 状态）,在含有过渡族元素时所形成的不均匀固溶体其电阻会出现反常的变化，表现在三个方面：第一，固溶体经高温淬火后在加热过程中的某一温度区间具有反常高的电阻率变化，超过一定温度后才使T呈线性变化。第二，经高温淬火的电阻率比退火态的电阻率低，淬火态经一定温度回火后，其电阻率增高。第三，退火态固溶体经冷加工后其电阻率反而下降而在回火(或再结晶退火)后又反常地增加。,溶质和溶剂原子在微观区域分布不均匀的固溶体。,3）不均匀固溶体（K 状态）在含有过渡族元素时所形成的不均匀,不均匀固溶体的电阻率与温度的关系示意图,K状态最早在Ni80Cr20合金中发现。,不均匀固溶体的电阻率与温度的关系示意图K状态最早在Ni80C,固溶体中存在原子的偏聚区域固溶体中存在着短程有序区域 无论哪种情况形成的K状态，其原子富集区的尺寸约为几个纳米，它与电子波的波长(2 nm)相当，故能强烈地散射电子而使不均匀固溶体具有高的电阻值。 对某些成分中含有过渡族金属的合金，尽管金相分析和射线分析的结果认为其组织仍是单相的，但在回火中发现合金电阻有反常升高，而在冷加工时发现合金的电阻明显降低，这种合金组织出现的反常状态称为K状态。,固溶体中存在原子的偏聚区域,淬火态在随后的加热过程中由于原子活动能力加强会促使K状态的形成，此时电阻率出现反常升高，但超过一定温度后，K状态成为不稳定，将变为均匀固溶体，导致电阻率下降并按正常规律变化。 冷塑性变形可以破坏K状态使其电阻降低，变形后的加热使K状态恢复，又使电阻升高。,淬火态在随后的加热过程中由于原子活动能力加强会促使K状态,Ni0.80Cr0.20合金预先淬火或冷加工后在回火过程中电阻的变化,1预先经800淬火,2预先冷加工,(a) 400回火,(b) 随后冷加工时电阻率的变化,Ni0.80Cr0.20合金预先淬火或冷加工后在回火过程中,第二节 合金的导电性,合金基础知识 固溶体的导电性 金属化合物的导电性 多相合金的导电性 金属与合金导电性的测量,第二节 合金的导电性 合金基础知识,3. 金属间化合物的导电性,金属化合物的电阻率要比各组元的电阻率高， 若两组元给出价电子的能力相同，则所形成的 化合物的电阻就低；相反，若两组元的电离势 相差较大，则化合物的电阻就大。,中间相金属化合物根据是否存在奇异点分为道尔 顿体和别尔多利体两种。,金属键 PK 离子键或共价键,3. 金属间化合物的导电性 金属化合物的电阻率要比各组元的电,电阻随成分的变化特征,NiSb相,FeSb相,奇异点的存在与否表示金属相能否形成有序结构。,电阻随成分的变化特征NiSb相FeSb相奇异点的存在与否表示,Mg-Ag系相图和出现道尔顿体的成分性能图,MgAg相的均质区中电导率的极大值与化学计算成分相对应。,Mg-Ag系相图和出现道尔顿体的成分性能图MgAg相的均质,Fe2Ti成分的Laves相电阻率与浓度的关系,反常行为,4.2 K低温下接近Fe2Ti化学比的残余电阻出现极小值。,1室温（4.2 K淬冷后）,2室温（淬冷前）,34.2 K,超导效应,Fe2Ti成分的Laves相电阻率与浓度的关系反常行为4.2,第二节 合金的导电性,合金基础知识 固溶体的导电性 金属化合物的导电性 多相合金的导电性 金属与合金导电性的测量,第二节 合金的导电性 合金基础知识,4. 多相合金的导电性,合金的导电性是由组成相的导电性来决定的；当一种相（如夹杂物）的晶粒大小与电子波长同一数量级时，电子在夹杂物上要发生附加散射导致电阻升高；合金电导率与组元的体积浓度呈线性关系。,、q组元的体积浓度（p + q = 1）,4. 多相合金的导电性合金的导电性是由组成相的导电性来决定的,对处于多相区每一合金的 电导率可由极限浓度固溶 体的 和 值的连线 找出来。,有限溶解度的合金的电导率变化,T / ,对于任意合金电阻率总是 处于组元电阻率之间；,对处于多相区每一合金的有限溶解度的合金的电导率变化T /,电导功能材料,导电材料电阻材料电接触材料,用来传导输送电流的材料，如电线电缆等。,Cu、Al及其合金，其电导率高、延展性好、阻抗损失小。,绕线电阻：要求精度高，温度系数小，采用锰铜合金等。,电热合金：要求能耐高温，采用Ni-Cr合金、Fe-Cr-Al合金等。,纯金属材料合金材料复合材料,用来减小接触电阻。,广泛应用于大型电力系统、自动控制系统、通信系统中。,电导功能材料导电材料用来传导输送电流的材料，如电线电缆等。C,第二节 合金的导电性,合金基础知识 固溶体的导电性 金属化合物的导电性 多相合金的导电性 金属与合金导电性的测量,第二节 合金的导电性 合金基础知识,5. 金属导电性的测量与分析,单（双）电桥法直流电位差计法电阻分析的应用,5. 金属导电性的测量与分析单（双）电桥法,单电桥法,单电桥工作原理示意图,R2标准电阻,R3、R4已知可调电阻,调节R2、R3，使通过检流计中的电流值为零，则,Rx,R2,R3,R4,未知臂,比较臂,单电桥法单电桥工作原理示意图R2标准电阻R3、R4已,不能用于低电阻的测量。,测出的Rx实际上并非真正的待测电阻，它包括A、B两点间的导线电阻和接触电阻。,测量电阻范围：10 106 ,不能用于低电阻的测量。 测出的Rx实际上并非真,双电桥法,能够测量很小的电阻，调节R1、 R2 、 R3和R4，令检流计指零、B、D两点电位相等,双电桥工作原理示意图,测量臂,比例臂,使 R1 = KR3 R2 = KR4,双电桥法能够测量很小的电阻，调节R1、 R2 、 R3和R4,只要使满足,则待测电阻,双电桥法能够清除接触电阻和连续引起的附加电阻的影响。,测量范围：10-6 100 测量精度：0.2 %,只要使满足则待测电阻双电桥法能够清除接触电阻和连续引起的附加,电位差计法,电位差计是用补偿法测量电位差(电动势)的精密仪器。,直流电位差计工作原理图,电位差计法测电阻的线路图,标准电池,待测电动势,电势差电流电阻,RS,RX,电位差计法电位差计是用补偿法测量电位差(电动势)的精密仪器。,用电位差计法测量电阻时，必须在试样两端接以电流和电位引线，电流引线触点在被测区段之外，只要接触稳定，其接触电位差和接触电阻对测量结果就没有影响。,测量精度比双电桥法高。,用电位差计法测量电阻时，必须在试样两端接以电流和电位引线，电,电阻分析的应用,研究合金的时效测定固溶体的溶解度研究合金的有序 - 无序转变研究材料的疲劳过程,电阻分析的应用研究合金的时效,合金时效的基本过程是固溶体内溶质原子的偏聚，形成过渡相和析出稳定相。脱溶过程，电阻显著变化，所以电阻分析是研究合金时效最有效的方法之一。,研究合金的时效,合金时效的基本过程是固溶体内溶质原子的偏聚，形成过渡相和析出,铝铜合金的时效：将合金固溶淬火，于20下进行低温时效，发现随着时效时间的变化电阻升高。但如时效温度提高到225 ，则电阻降低。低温时效电阻升高是由于时效初期溶质原子在铝的晶体中发生聚集，形成不均匀的固溶体。高温时效电阻降低，则是由于从固溶体中析出了CuAl2相。所以从电阻的变化可以说明，铝合金内部存在着不同的组织状态变化。,铝铜合金的时效：,测定固溶体的溶解度,电阻分析法是测定状态图中固溶体溶解度曲线的有效方法。,纯金属具有较小的电阻率。当纯金属中溶入其它元素而形成固溶体时，固溶体的电阻率随溶质元素量的增加呈曲线变化而增大。当合金呈两相机械混合物时，合金的电阻率随第二组元含量的增多呈直线规律变化。,测定固溶体的溶解度电阻分析法是测定状态图中固溶体溶解度曲线的,不同温度下电阻率随浓度变化及与状态图的对应关系,不同温度下电阻率随浓度变化及与,基本方法,将一系列成分不同的试样加热到略低于共晶(或共析)转变温度t0，保温足够时间，然后淬火得到过饱和固溶体，把淬火的一组组试样再分别加热到低于t0的各个温度，保温足够时间使组织达到平衡，然后再淬火下来测出各试样的电阻率，作出B%关系曲线。找出转折点所对应的浓度，即为各温度下B在A中的溶解度。将各温度下溶解度连成曲线，即可得到固溶体的溶解度曲线pq。,基本方法将一系列成分不同的试样加热到略低于共晶(或共析)转变,合金的有序无序转变,合金在加热过程中存在有序无序转变时，电阻便会发生明显的变化。 如将室温下为有序的Cu3Au合金加热，当温度超过临界温度时就要从有序转变为无序，从而引起电阻的升高。 如将Cu3Au淬火使其无序状态保持到室温，当再加热温度达300时电阻开始下降，它表示由于热激活使原子产生了有序化过程。但由于温度低于临界温度，故不能达到全部有序化。,合金的有序无序转变 合金在加热过程中存在有序,如将合金快冷到有序化温度范围随后再进行慢慢冷却，则可以控制有序区的大小，得到部分有序的状态，有序无序转变是可控的。,1 完全无序,2 完全有序,3 部分有序,三条曲线交于一点有序化转变温度,如将合金快冷到有序化温度范围随后再进行慢慢冷,温度升高时在CuAu合金有序过程中的电阻变化,温度升高时在CuAu合金有序过程中的电阻变化,研究材料的疲劳过程材料的应力疲劳是内部位错的增殖、裂纹的扩展等缺陷的发展过程。研究非晶态合金的晶化原子无序的非晶状态转为原子有序的晶化状态，电阻率发生变化。,研究材料的疲劳过程,小结,基本概念合金的分类及其导电性导电功能材料导体电阻的测量,小结基本概念,