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(cè)試系統(tǒng)分別測(cè)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(duì)合金材料電阻率影響較大，通過(guò)不同摻雜元素的合金的變溫電阻特性，可以對(duì)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(hào)：TB383? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(jī)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(duì)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(duì)電學(xué)性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律。潘亞娟[9]統(tǒng)計(jì)了不銹鋼中金屬元素的作用，這些合金元素不僅對(duì)材料的機(jī)械性能，熱機(jī)械性能有極大改善，對(duì)于材料的電阻特性也影響極大[10]。通過(guò)對(duì)合金材料電阻率的研究了解其內(nèi)部機(jī)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(cè)試系統(tǒng)。并使用該系統(tǒng)對(duì)幾種純金屬、精密電阻合金和不銹鋼合金進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試。測(cè)試時(shí)，恒流源提供恒定電流通過(guò)樣品，探針AB采集樣品AB點(diǎn)的電壓值，從而得出AB點(diǎn)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(guò)樣品的電流，S為樣品橫截面積，L為探針AB的間距。

整個(gè)測(cè)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(cè)量材料的電阻率值。為保證測(cè)量結(jié)果和保護(hù)樣品，樣品處在真空環(huán)境下測(cè)試。

3 結(jié)果與分析

本文利用測(cè)試系統(tǒng)分別測(cè)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(duì)電阻率的影響。

3.1 純金屬材料電阻率高溫性能

一般來(lái)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(cè)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(cè)試溫度范圍為（100-600）K，鎳的測(cè)試溫度范圍為室溫到800℃。

通過(guò)三條曲線對(duì)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(xiàng)式擬合。

這主要是由于過(guò)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(shí)。研究表明在接近居里點(diǎn)時(shí)，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(qiáng)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(duì)于鐵磁性金屬在居里點(diǎn)以下溫度不適用。鎳的電阻率隨溫度變化，在居里點(diǎn)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(duì)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(diǎn)的溫度是一致的。

表1 鐵磁性材料居里點(diǎn)溫度表

3.2 精密電阻材料電阻率

對(duì)康銅（銅鎳合金）的變溫電阻測(cè)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(gè)溫度段為非線性，可以通過(guò)二次多項(xiàng)式作較好的擬合。

對(duì)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(shì)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(shí)，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(shí)，也是如此。圖7展示了對(duì)于銅鎳合金的電阻率和成份比例的關(guān)系。

這是因?yàn)樵谌軇┚Ц裰腥苋肴苜|(zhì)原子時(shí)，溶劑的晶格發(fā)生扭曲畸變，破壞了晶格勢(shì)場(chǎng)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(cè)試系統(tǒng)，對(duì)四種不銹鋼合金進(jìn)行了測(cè)試。牌號(hào)分別是1Cr17Ni7、42CrMo、9Cr18Mo和GCr15。每種牌號(hào)對(duì)應(yīng)的合金成份如表2所示。四種牌號(hào)對(duì)應(yīng)的變溫電阻測(cè)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(hào)的鋼成份比較接近，都含有16%-18%的Cr。

（2）牌號(hào)42CrMo和GCr15的成份接近，其變溫電阻曲線趨勢(shì)也一致，呈現(xiàn)非線性的特點(diǎn)，可以用二次多項(xiàng)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(diǎn)。

（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(wú)明顯的相變。

4 結(jié)論

本文搭建了高低溫段的變溫電阻測(cè)試系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)對(duì)多種純金屬材料、精密電阻合金和不銹鋼合金進(jìn)行了測(cè)試。分析對(duì)比了各種承壓金屬材料的電阻率溫度特性，通過(guò)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(duì)應(yīng)的居里溫度點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)折。

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

參考文獻(xiàn)：

[1]武文昭.陜西省特種設(shè)備政府監(jiān)管的現(xiàn)狀與對(duì)策研究[D].西安：西北大學(xué)，2014.

[2]孟倩，喇培清，李恒，等.鋁含量對(duì)鑄造316L不銹鋼組織和性能的影響[J].熱加工工藝，2016（10）：64-68.

[3]周榮青，孫維連，賈玉挺.鑄造316L不銹鋼偏析及其均勻化處理研究[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2017（4）：106-111.

[4]張廣平，李孟林，吳細(xì)毛，等.尺度對(duì)金屬材料電阻率影響的研究進(jìn)展[J].材料研究學(xué)報(bào)，2014，2（28）：81-86.

[5]M.Wang， B.Zhang， G.P.Zhang， C.S.Liu. Scaling of reliability of gold interconnect lines subjected to alternating current[J]. Applied Physics Letters， 2011，99（1）：011910-1-011910-3.

[6]任剛.試論電阻法在金屬材料蠕變損傷檢測(cè)中的運(yùn)用[J].世界有色金屬，2016（10）：155-156.

[7]RENG Gang. Try to talk about resistance method used in metal material creep damage detection[J].World Nonferrous Metals，2016（10）：155-156.

[8]姜定成，田茂江，王勇，等. 鎳鉻系精密電阻合金的特性與研究現(xiàn)狀[J].電工材料，2017（5）：23-28.

[9]潘亞娟.不銹鋼中合金元素的作用及其概況[J].輕工科技，2019，34（9）：46-47.

[10]Chuang N C，Lin J T，Chen H R. TCR Control of Ni-Cr Resistive Film Deposited by DC Magnetron Sputtering[J].Vacuum， 2015（119）：200-203.

[11]田蒔.材料物理性能[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.