Билюк А.И., Харкун И.С., Токарчук А.А., Билюк А.А.

Винницкий педагогический государственный университет

имени М. Коцюбинского, Украина

Влияние низкотемпературного старения на электросопротивление алюминиевых сплавов

При низкотемпературном старении электросопротивление многих сплавов сначала растет, а затем снижается до величины, меншей чем электросопротивление закаленного сплава. Это изменение аномальное, так как при распадении сплава матрица твердого раствора обеденяется легирующим компонентом и электросопротивление сплава должно уменьшаться. Очевидно, что изменение электросопротивления вызывается не только изменением состава матрицы твердого раствора, но и структурными изменениями, которые произошли в ней.

Аномальные изменения электросопротивления наблюдались в сплавах А1-Си, А1-Zn, А1-Сu-Zn и др.

Теоретическое объяснение этой аномалии дали Мотт и Конобеевский. Мотт связывает начальный рост электросопротивления с возникновением в сплаве при низкотемпературном старении маленьких частиц фазы, выделяющейся близких по размеру к длине волны электронов проводимости.

ρ,мк Ом·м

0,115

0,110

0,107

0,105

0,100

0,95 10 20 30 40 N,ТЦО

Такие частицы должны иметь ненормально высокое электросопротивление. Когда размер частиц значительно меньше или больше длины волны электронов проводимости, их сопротивление падает. Максимуму электросопротивления, по Мотту, должно соответствовать появление в сплаве частиц размером в несколько атомных диаметров (5-10 А).

Конобеевский, как Мотт, допускают, что при старении образуются выделения высокой степени дисперсности. Изменение электросопротивления он также объясняет изменением размеров выделений. Однако в отличие от Мотта Конобеевский, размер выделений сравнивает не из длиной волны электронов проводимости, а с длиной свободного пробега электронов. Последняя величина имеет размер порядка 10^-6 см. Когда частицы выделений достигают величины 10^-6 см, электросопротивление по Конобеевский должно быть максимальным. Хотя выдвинутая Конобеевский теория хорошо объясняет аномалию в электропроводимости при старении и даже дает количественную оценку этой аномалии, сравнимую с экспериментальными значениями, однако, она не согласуется, так же как и теория Мотта, с современными экспериментальными данными.

Современные исследования показывают, во-первых, что распад сплавов начинается с зонной стадии, во-вторых, что при старении, особенно при низкотемпературном старении, не происходит резкого изменения размеров зон Г. П. и, в третьих, что размеры последних равные нескольким десяткам ангстрем, а не нескольким атомным или диаметрам нескольких сотням ангстрем, как считал Мотт и Конобеевский.

Мель и Джеттер рост электросопротивления при старении связывают с наличием напряжений в сплаве. По их мнению, напряжения решеток, сопровождающие образование зародышей, влияют на рост электросопротивления. Медленные электроны, проходящие через решетки, имеют значительную чувствительность к любым нарушениям в ее периодичности. Напряжения на поверхности раздела фаз могут быть чрезвычайно высокими. Стремление решетки к адаптации должно распространить эти напряжения во всей матрицы. В случае хорошей соответствии кристаллической решетки матрицы и фазы выделения, например в сплавах Аl-Аg и Сu-Ni-Fi, напряжения незначительны. Мель и Джеттер считают, что аномальное изменение электросопротивления на начальных стадиях старения в этих сплавах не наблюдается именно по этой причине. Однако Фидериджи и Пассару нашли увеличение электросопротивления при старении сплава алюминия с содержанием в нем серебра менее 1% и сплава алюминия с 8% Аg. Из этого следует, что если бы когерентные напряжения играли существенную роль, то аномальное поведение электросопротивления должно было бы проявляться в сплавах, более богатых серебром. В действительности же этого не наблюдается. Гейслер так же, как Мeль и Джеттер, рост электросопротивления связывает с когерентными напряжениями, которые сопровождают выделение. По его мнению, сначала распад происходит преимущественно по границам зерен. Хотя объем частей, выделившихся у границ мал по сравнению с полным объемом сплава, он достаточен для образования неперервнной сетки ячеек, через которые должны проходить электроны проводимости. Когерентные напряжения по границам этих ячеек (зерен) и увеличивают электросопротивление перед выделением внутри зерен. Объяснение Гейслера основано на исследовании микроструктуры сплава Сu-Ве. Однако в таких сплавах, как А1-Си, А1-Zn, в которых также наблюдается аномальный рост электросопротивления, распад начинается одновременно по всему объему, без преимущественного выделения по границам. Кроме того, увеличение электросопротивления обычно наблюдается на начальной стадии старения, когда когерентные напряжения только начинают развиваться (начало увеличения жесткости). Эти экспериментальные данные делают объяснения Гейслера безосновательными.

Причины аномальной изменения электросопротивления при распадении отличаются от причин, приводящих к аномалии параметра кристаллической решетки и к изменению твердости сплавов. Это видно по изменению этих свойств при естественного старения сплава А1-Сu. В то время как за несколько часов старения электросопротивление увеличивается и падает, то постоянная сплава не меняется, а твердость только растет. Неизменность параметра сплава и увеличения жесткости наблюдаются и при искусственном старении, например при 150°С, когда электросопротивление только снижается.

Можно предполагать, что аномальное изменение электросопротивления связана с тем, что при низкотемпературном старении в самом начале образуется большое количество зон Г.-П. При этом матрица остается еще пресытившись твердым раствором. С увеличением количества зон Г.П. растет рассеяния электронов проводимости на них, а значит растет и электросопротивление. Этот эффект роста количества зон сначала влияет на электросопротивление по сравнению с эффектом обеднения твердого раствора легирующим компонентом.

Зависимость электросопротивления от концентрации серебра в алюминии можно объяснить тем, что в самом начале распада количество зон Г.-П. растет и расстояние между ними уменьшается, это должно сопровождаться увеличением рассеяния электронов проводимости и, следовательно, ростом электросопротивления. Однако в сильно пересыщенных твердых растворах старения сопровождается относительно большим обеднением матрицы серебром. Это, очевидно, и приводит к тому, что в богатых легирующим компонентом сплавах рост электросопротивления иногда не наблюдается.