承壓設(shè)備金屬材料電阻率-溫度特性研究

苗芳 吳遵紅 徐義 譚凱 李昌勝

摘? 要：利用測試系統(tǒng)分別測試了純金屬材料、精密電阻材料和合金材料不同溫度下的電阻率值，分析了各種材料的電阻率-溫度特性。結(jié)果顯示鎢的電阻率線性增加，但鈷和鎳的電阻率并不是線性增加的;康銅在400℃之下電阻率變化很小，高于400℃電阻率逐漸上升;不同金屬含量對合金材料電阻率影響較大，通過不同摻雜元素的合金的變溫電阻特性，可以對內(nèi)部材料組織構(gòu)成和相變的分析提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電阻率;溫度;合金材料;承壓設(shè)備;組織結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TB383? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）03-0001-05

Abstract： The resistivity values of pure metal materials， precision resistance materials and alloy materials at different temperatures were measured by the test system， and the resistivity-temperature characteristics of all kinds of materials were analyzed. The results show that the resistivity of tungsten increases linearly， but the resistivity of cobalt and nickel does not increase linearly; the resistivity of Constantan changes little at 400℃ and increases gradually above 400℃; different metal content has a great influence on the resistivity of alloy materials. Through the variable temperature resistance characteristics of alloys with different doping elements， it can provide a basis for the analysis of internal material structure and phase transformation.

Keywords： resistivity; temperature; alloy material; pressure-bearing equipment; microstructure

1 概述

承壓類特種設(shè)備被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)[1]，承壓設(shè)備的主體是金屬材料，金屬材料作為結(jié)構(gòu)材料大部分學(xué)者主要關(guān)注其機械性能和加工性能[2-3]。而在金屬材料眾多特性中電阻率是金屬材料最基本的性質(zhì)之一[4-6]。目前針對承壓類金屬材料電阻率特性的研究較少。金屬材料有很多情況下以電阻率參數(shù)為主要用途，如精密電阻材料，高溫加熱元件等[7]。姜定成[8]等研究了鎳鉻系精密電阻合金材料的電阻率特性，發(fā)現(xiàn)了最優(yōu)合金比例及合金比例對電學(xué)性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律。潘亞娟[9]統(tǒng)計了不銹鋼中金屬元素的作用，這些合金元素不僅對材料的機械性能，熱機械性能有極大改善，對于材料的電阻特性也影響極大[10]。通過對合金材料電阻率的研究了解其內(nèi)部機理和變化。

本文使用四線法搭建了材料高低溫下的變溫電阻測試系統(tǒng)。并使用該系統(tǒng)對幾種純金屬、精密電阻合金和不銹鋼合金進(jìn)行了測試。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎢的電阻率線性增加，但鈷和鎳的電阻率并不是線性增加。銅鎳合金在400℃之下電阻率變化很小，高于400℃電阻率逐漸上升。1Cr17Ni7和9Cr18Mo的電阻率呈線性變化，且數(shù)值接近。

2 變溫電阻測試系統(tǒng)搭建

為了研究金屬及其合金的電阻率變溫曲線，本文搭建了圖1所示的測試系統(tǒng)。系統(tǒng)包括溫度控制系統(tǒng)和恒電流系統(tǒng)。為了避免接觸電阻，設(shè)備采用四線法測試。測試時，恒流源提供恒定電流通過樣品，探針AB采集樣品AB點的電壓值，從而得出AB點之間的電阻值，然后結(jié)合樣品的橫截面積和探針間距，根據(jù)公式（1）求出樣品的電阻率。

式中ρ為電阻率，V為探針AB間電壓值，I為通過樣品的電流，S為樣品橫截面積，L為探針AB的間距。

整個測試部分放在變溫環(huán)境中，由溫度控制器調(diào)整環(huán)境溫度。從而在不同的環(huán)境溫度下，測量材料的電阻率值。為保證測量結(jié)果和保護(hù)樣品，樣品處在真空環(huán)境下測試。

3 結(jié)果與分析

本文利用測試系統(tǒng)分別測試了純金屬材料、精密電阻材料和合金材料不同溫度下的電阻率值，分析了各種材料的電阻率-溫度特性。結(jié)果顯示鎢的電阻率線性增加，但鈷和鎳的電阻率并不是線性增加的;康銅在400℃之下電阻率變化很小，高于400℃電阻率逐漸上升;分析了不同金屬含量對電阻率的影響。

3.1 純金屬材料電阻率高溫性能

一般來講金屬材料的溫度越高，電阻率越大。金屬材料在不同溫度下的電阻率可以表示為：

和分別表示金屬在0℃和T℃溫度下的電阻率。

根據(jù)公式（2），純金屬材料的電阻率應(yīng)該隨溫度升高呈線性變化。

本文測試了鎢、鈷、鎳三種金屬的變溫電阻曲線（圖2為鎢、圖3為鈷、圖4為鎳），鎢和鈷的測試溫度范圍為（100-600）K，鎳的測試溫度范圍為室溫到800℃。

通過三條曲線對比可以發(fā)現(xiàn)：鎢的電阻率線性增加，且電阻溫度系數(shù)和理論值近似，但鈷和鎳的電阻率并不是線性增加的。

鎳的電阻率曲線在400℃左右發(fā)生轉(zhuǎn)折，將400℃之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（如圖4），可以發(fā)現(xiàn)和鈷（如圖3）類似，都可以進(jìn)行較好的二次多項式擬合。

這主要是由于過渡族金屬的電阻率與溫度的關(guān)系經(jīng)常出現(xiàn)反常，特別是具有鐵磁性的技術(shù)在發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時。研究表明在接近居里點時，鐵磁性金屬或合金的電阻率反常降低量與其自發(fā)磁化強度平方成正比。

鐵鈷鎳都屬于鐵磁性元素，金屬元素電阻率隨溫度升高線性增加的規(guī)律，對于鐵磁性金屬在居里點以下溫度不適用。鎳的電阻率隨溫度變化，在居里點以下溫度偏離線性（如圖5所示）。

表1列舉了各鐵磁性元素對應(yīng)的居里溫度，可以看到鎳的居里溫度是376℃，和圖4中鎳電阻率變溫曲線轉(zhuǎn)折點的溫度是一致的。

表1 鐵磁性材料居里點溫度表

3.2 精密電阻材料電阻率

對康銅（銅鎳合金）的變溫電阻測試結(jié)果（如圖6，RT-1200℃）可以發(fā)現(xiàn)，康銅在400℃之下電阻率變化很小，高于400℃電阻率逐漸上升，這個溫度段為非線性，可以通過二次多項式作較好的擬合。

對比精度電阻材料的要求可以發(fā)現(xiàn)，康銅在400℃以下具有穩(wěn)定的電阻率和較大的電阻率值。這兩條是符合的，但康銅的熱電勢較大，使其在精密電阻上應(yīng)用受到限制。

另外可以看到康銅的電阻率值（0.5-0.57）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅和鎳（0.1-0.3）的電阻率值。這與固溶體的導(dǎo)電理論是符合的。當(dāng)形成固溶體時，合金導(dǎo)電性能降低。即使是在導(dǎo)電性好的金屬溶劑中溶入導(dǎo)電性很高的溶質(zhì)金屬時，也是如此。圖7展示了對于銅鎳合金的電阻率和成份比例的關(guān)系。

這是因為在溶劑晶格中溶入溶質(zhì)原子時，溶劑的晶格發(fā)生扭曲畸變，破壞了晶格勢場的周期性，從而增加了電子散射幾率，電阻率增高。

3.3 合金材料電阻率

為研究不銹鋼材料的變溫電阻，使用文本搭建了變溫電阻測試系統(tǒng)，對四種不銹鋼合金進(jìn)行了測試。牌號分別是1Cr17Ni7、42CrMo、9Cr18Mo和GCr15。每種牌號對應(yīng)的合金成份如表2所示。四種牌號對應(yīng)的變溫電阻測試結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出4種合金隨著溫度升高電阻率都升高，不同合金含量表現(xiàn)出不同的電阻率-溫度特性：

（1）1Cr17Ni7和9Cr18Mo的電阻率呈線性變化，且數(shù)值接近。兩種牌號的鋼成份比較接近，都含有16%-18%的Cr。

（2）牌號42CrMo和GCr15的成份接近，其變溫電阻曲線趨勢也一致，呈現(xiàn)非線性的特點，可以用二次多項式進(jìn)行較好的擬合。這符合兩種合金中主要鐵磁性材料Fe的電阻率溫度變化特點。

（3）在RT-1200℃的寬廣溫度區(qū)間里，四種不銹鋼合金材料電阻率曲線均勻變化，表明材料內(nèi)部組織均勻，無明顯的相變。

4 結(jié)論

本文搭建了高低溫段的變溫電阻測試系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)對多種純金屬材料、精密電阻合金和不銹鋼合金進(jìn)行了測試。分析對比了各種承壓金屬材料的電阻率溫度特性，通過分析可以發(fā)現(xiàn)：

（1）純金屬材料的電阻率隨溫度上升線性增加，但鐵磁性材料除外。鐵磁性材料的電阻率變溫曲線在對應(yīng)的居里溫度點發(fā)生轉(zhuǎn)折。

（2）合金材料的電阻率大于其構(gòu)成成份對應(yīng)的純金屬的電阻率，且隨溫度變化趨勢會發(fā)生明顯改變。而且通過不同摻雜元素的合金的變溫電阻曲線圖，可以對內(nèi)部材料組織構(gòu)成和相變的分析提供依據(jù)。

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