承压设备金属材料电阻率-温度特性研究

苗芳 吴遵红 徐义 谭凯 李昌胜

摘  要：利用测试系统分别测试了纯金属材料、精密电阻材料和合金材料不同温度下的电阻率值，分析了各种材料的电阻率-温度特性。结果显示钨的电阻率线性增加，但钴和镍的电阻率并不是线性增加的;康铜在400℃之下电阻率变化很小，高于400℃电阻率逐渐上升;不同金属含量对合金材料电阻率影响较大，通过不同掺杂元素的合金的变温电阻特性，可以对内部材料组织构成和相变的分析提供依据。

关键词：电阻率;温度;合金材料;承压设备;组织结构

中图分类号：TB383         文献标志码：A         文章编号：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

承压类特种设备被广泛的应用于各行各业[1]，承压设备的主体是金属材料，金属材料作为结构材料大部分学者主要关注其机械性能和加工性能[2-3]。而在金属材料众多特性中电阻率是金属材料最基本的性质之一[4-6]。目前针对承压类金属材料电阻率特性的研究较少。金属材料有很多情况下以电阻率参数为主要用途，如精密电阻材料，高温加热元件等[7]。姜定成[8]等研究了镍铬系精密电阻合金材料的电阻率特性，发现了最优合金比例及合金比例对电学性能和力学性能的影响规律。潘亚娟[9]统计了不锈钢中金属元素的作用，这些合金元素不仅对材料的机械性能，热机械性能有极大改善，對于材料的电阻特性也影响极大[10]。通过对合金材料电阻率的研究了解其内部机理和变化。

本文使用四线法搭建了材料高低温下的变温电阻测试系统。并使用该系统对几种纯金属、精密电阻合金和不锈钢合金进行了测试。测试结果发现钨的电阻率线性增加，但钴和镍的电阻率并不是线性增加。铜镍合金在400℃之下电阻率变化很小，高于400℃电阻率逐渐上升。1Cr17Ni7和9Cr18Mo的电阻率呈线性变化，且数值接近。

2 变温电阻测试系统搭建

为了研究金属及其合金的电阻率变温曲线，本文搭建了图1所示的测试系统。系统包括温度控制系统和恒电流系统。为了避免接触电阻，设备采用四线法测试。测试时，恒流源提供恒定电流通过样品，探针AB采集样品AB点的电压值，从而得出AB点之间的电阻值，然后结合样品的横截面积和探针间距，根据公式（1）求出样品的电阻率。

式中ρ为电阻率，V为探针AB间电压值，I为通过样品的电流，S为样品横截面积，L为探针AB的间距。

整个测试部分放在变温环境中，由温度控制器调整环境温度。从而在不同的环境温度下，测量材料的电阻率值。为保证测量结果和保护样品，样品处在真空环境下测试。

3 结果与分析

本文利用测试系统分别测试了纯金属材料、精密电阻材料和合金材料不同温度下的电阻率值，分析了各种材料的电阻率-温度特性。结果显示钨的电阻率线性增加，但钴和镍的电阻率并不是线性增加的;康铜在400℃之下电阻率变化很小，高于400℃电阻率逐渐上升;分析了不同金属含量对电阻率的影响。

3.1 纯金属材料电阻率高温性能

一般来讲金属材料的温度越高，电阻率越大。金属材料在不同温度下的电阻率可以表示为：

和分别表示金属在0℃和T℃温度下的电阻率。

根据公式（2），纯金属材料的电阻率应该随温度升高呈线性变化。

本文测试了钨、钴、镍三种金属的变温电阻曲线（图2为钨、图3为钴、图4为镍），钨和钴的测试温度范围为（100-600）K，镍的测试温度范围为室温到800℃。

通过三条曲线对比可以发现：钨的电阻率线性增加，且电阻温度系数和理论值近似，但钴和镍的电阻率并不是线性增加的。

镍的电阻率曲线在400℃左右发生转折，将400℃之前的数据进行处理（如图4），可以发现和钴（如图3）类似，都可以进行较好的二次多项式拟合。

这主要是由于过渡族金属的电阻率与温度的关系经常出现反常，特别是具有铁磁性的技术在发生磁性转变时。研究表明在接近居里点时，铁磁性金属或合金的电阻率反常降低量与其自发磁化强度平方成正比。

铁钴镍都属于铁磁性元素，金属元素电阻率随温度升高线性增加的规律，对于铁磁性金属在居里点以下温度不适用。镍的电阻率随温度变化，在居里点以下温度偏离线性（如图5所示）。

表1列举了各铁磁性元素对应的居里温度，可以看到镍的居里温度是376℃，和图4中镍电阻率变温曲线转折点的温度是一致的。

表1 铁磁性材料居里点温度表

3.2 精密电阻材料电阻率

对康铜（铜镍合金）的变温电阻测试结果（如图6，RT-1200℃）可以发现，康铜在400℃之下电阻率变化很小，高于400℃电阻率逐渐上升，这个温度段为非线性，可以通过二次多项式作较好的拟合。

对比精度电阻材料的要求可以发现，康铜在400℃以下具有稳定的电阻率和较大的电阻率值。这两条是符合的，但康铜的热电势较大，使其在精密电阻上应用受到限制。

另外可以看到康铜的电阻率值（0.5-0.57）远远大于铜和镍（0.1-0.3）的电阻率值。这与固溶体的导电理论是符合的。当形成固溶体时，合金导电性能降低。即使是在导电性好的金属溶剂中溶入导电性很高的溶质金属时，也是如此。图7展示了对于铜镍合金的电阻率和成份比例的关系。

这是因为在溶剂晶格中溶入溶质原子时，溶剂的晶格发生扭曲畸变，破坏了晶格势场的周期性，从而增加了电子散射几率，电阻率增高。

3.3 合金材料电阻率

为研究不锈钢材料的变温电阻，使用文本搭建了变温电阻测试系统，对四种不锈钢合金进行了测试。牌号分别是1Cr17Ni7、42CrMo、9Cr18Mo和GCr15。每种牌号对应的合金成份如表2所示。四种牌号对应的变温电阻测试结果如图8所示。

从图8可以看出4种合金随着温度升高电阻率都升高，不同合金含量表现出不同的电阻率-温度特性：

（1）1Cr17Ni7和9Cr18Mo的电阻率呈线性变化，且数值接近。两种牌号的钢成份比较接近，都含有16%-18%的Cr。

（2）牌号42CrMo和GCr15的成份接近，其变温电阻曲线趋势也一致，呈现非线性的特点，可以用二次多项式进行较好的拟合。这符合两种合金中主要铁磁性材料Fe的电阻率温度变化特点。

（3）在RT-1200℃的宽广温度区间里，四种不锈钢合金材料电阻率曲线均匀变化，表明材料内部组织均匀，无明显的相变。

4 结论

本文搭建了高低温段的变温电阻测试系统，并使用该系统对多种纯金属材料、精密电阻合金和不锈钢合金进行了测试。分析对比了各種承压金属材料的电阻率温度特性，通过分析可以发现：

（1）纯金属材料的电阻率随温度上升线性增加，但铁磁性材料除外。铁磁性材料的电阻率变温曲线在对应的居里温度点发生转折。

（2）合金材料的电阻率大于其构成成份对应的纯金属的电阻率，且随温度变化趋势会发生明显改变。而且通过不同掺杂元素的合金的变温电阻曲线图，可以对内部材料组织构成和相变的分析提供依据。

参考文献：

[1]武文昭.陕西省特种设备政府监管的现状与对策研究[D].西安：西北大学，2014.

[2]孟倩，喇培清，李恒，等.铝含量对铸造316L不锈钢组织和性能的影响[J].热加工工艺，2016（10）：64-68.

[3]周荣青，孙维连，贾玉挺.铸造316L不锈钢偏析及其均匀化处理研究[J].材料热处理学报，2017（4）：106-111.

[4]张广平，李孟林，吴细毛，等.尺度对金属材料电阻率影响的研究进展[J].材料研究学报，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]任刚.试论电阻法在金属材料蠕变损伤检测中的运用[J].世界有色金属，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. 镍铬系精密电阻合金的特性与研究现状[J].电工材料，2017（5）：23-28.

[9]潘亚娟.不锈钢中合金元素的作用及其概况[J].轻工科技，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]田莳.材料物理性能[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.