Материал: Физика металлов и дефекты кристаллического строения

Работами Н. С. Курнакова и его учеников показано, что в непрерывном ряду твердых растворов электросопротивление тем больше, чем дальше по своему составу сплав отстоит от чистых исходных компонентов. Максимальное сопротивление в

пример, сопротивление твердых растворов благородных метал­ лов и металлов переходных групп (при высоких концентра­ циях) аномально высоко вследствие того, что валентные элек­ троны могут переходить на внутренние незавершенные d- или /-оболочки переходных металлов, благодаря чему количество электронов проводимости, создающих ток, будет уменьшаться, а электросопротивление расти. Подобные переходы следует рас­ сматривать как усиление химического взаимодействия компо­ нентов раствора, если среди них имеется хотя бы один переход­ ный металл.

Если при изменении концентрации компонентов — при опре­ деленном их соотношении — образуются упорядоченные твердые растворы, то электросопротивление падает. Так, например, на

кривой сопротивления отожженных (кривая 2) сплавов меди с золотом обнаруживаются минимумы, отвечающие образова­ нию упорядоченных структур СизАи и CuAu (рис. 8.5, в\ 1— неотожженное состояние).

При нагревании твердых растворов их сопротивление растет, но не так быстро, как у чистых исходных металлов. Вследствие этого температурный коэффициент (а) у твердых растворов всегда меньше, чем у исходных компонентов, и меняется в за­ висимости от состава аналогично проводимости.

Электросопротивление химических соединений. При сплав­ лении двух и более чистых металлов наряду с образованием твердых растворов могут образовываться химические соедине­ ния. Оказывается, что при их возникновении электросопротивле­ ние увеличивается более резко, чем при образовании твердых растворов. Это объясняется тем, что в данном случае металличе­ ская связь между атомами частично заменяется ковалентной или ионной связью, в результате чего концентрация носителей тока — коллективизированных электронов уменьшается. Подоб­ ные изменения характера межатомной связи при химическом взаимодействии приводят к тому, что получающиеся соединения часто оказываются полупроводниками (например, Bi, Те, Se, Sb при химическом взаимодействии образуют полупроводнико­ вые соединения типа Bi2Se3—Bi2Te3; Bi2Te3—SbTe3).

Электропроводность механических смесей. Если при сплав­ лении двух или более компонентов образуются механические смеси чистых компонентов или смеси чистых компонентов с их твердыми растворами, химическими соединениями и т. д., то электросопротивление сплава, состоящего из нескольких фаз, зависит от проводимости этих фаз. Для расчета электросопро­ тивления в этом случае необходимо знать проводимость и объ­ емное содержание каждой фазы. Например, если одна из фаз образует непрерывно связанную матричную основу, в которую вкраплены несоприкасающиеся между собой кристаллы второй фазы, то электропроводность сплава при любом соотношении фаз определится по формуле

где а — обобщенная электропроводность сплава, состоящего из смеси фаз; а0, Oi — электропроводность матричной и включен­ ной фаз; с и (1 — с) — объемное содержание включенной и мат­ ричной фаз.

Если, например, сплав однофазный, но имеется рыхлость, по­ ристость и т. д., а, кроме того, а = 0, то электропроводность сплава, содержащего не соединяющиеся между собой поры, рас­ считывается как

здесь G0— электропроводность беспористого материала; П — доля объемной пористости.

Большое влияние на электропроводность как однофазных, так и многофазных сплавов оказывают размеры зерен фаз. Наибольшее повышение электросопротивления наблюдается при такой дисперсности зерен, когда размеры зерен одной из фаз, например включенной, соизмеримы с длиной электронной вол­ ны. При совпадении размеров зерен с длиной волны электронов происходит значительное рассеивание электронов, а следова­ тельно, и резкое повышение электросопротивления. Максималь­ ный эффект рассеивания электронной волны в зависимости от размеров зерна наблюдается тогда, когда размер зерен вклю­ ченной фазы составляет ~ 0,001 мкм ( ~10 А). При такой вели­ чине зерна электросопротивление может возрасти на 10—15%.

Зависимость электросопротивления от фазового и структур­ ного состояния гомогенных и гетерогенных сплавов позволяет решать ряд важных вопросов научного и практического значе­ ния экспериментальным путем. Например, с помощью измере­ ния электросопротивления или электропроводности можно опре­ делить линии ограниченной растворимости в сплавах и проана­ лизировать диаграмму состояния бинарных систем, наметить ее отдельные области. Измерением электропроводности при терми­ ческой обработке можно изучить превращения при закалке, от­ пуске, при изотермическом распаде аустенита, а также изучить явления, происходящие при дисперсионном твердении ферро­ магнитных и аустенитных сталей, не имеющих аллотропических превращений.

8.4.ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОВ

НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Большое влияние на электрическое сопротивление металлов и сплавов оказывают искажения, вызываемые напряженным со­ стоянием. Однако степень этого влияния будет определяться

противление уменьшается вследствие сближения атомов и умень­ шения рассеивания электронов. В этом случае электросопротив­ ление необходимо вычислять по формуле

^*сж== Л) О “Ь 1 с ж Р ) ,

изученных металлов исключением является вольфрам, электри­ ческое сопротивление которого при большом сжатии возрастает на десятки процентов.

При у п р у г о м р а с т я ж е н и и и к р у ч е н и и межатомное расстояние увеличивается. Эта деформация сопровождается уве­

личением рассеивания электронов и повышением электрического сопротивления. Влияние упругого растяжения при условии про­ пускания тока вдоль вектора действующей силы учитывается формулой

Гр = г 0 (1 + c t por),

где г0 — сопротивление без нагрузки; а — напряжение растяже­ ния; а р— коэффициент напряжений; например, для железа при комнатной температуре а р колеблется в интервале (2,11-=-2,13) • •10“6, а при температуре жидкого воздуха а р = 1,72* 10-6.

П л а с т и ч е с к а я д е ф о р м а ц и я и н а к л е п также повы­ шают электросопротивление металлов и сплавов. Однако это

решетку металла, остаточное сопротивление характеризует ту часть сопротивления, которое вносится пластической деформа­ цией (наклепом) в общее сопротивление металла. Таким обра­ зом, электросопротивление наклепанного металла складывается из суммы двух сопротивлений: сопротивления чистого отожжен­

Из этого выражения следует, что отношение остаточного сопро­ тивления к общему Гд/го будет тем больше, чем меньше го, т. е. отношение гд/г0 будет расти с падением температуры. Это об­ стоятельство позволяет использовать расчет отношения гд/го для определения степени деформации при исследовании дефор­ мированного металла.

Т е р м и ч е с к а я о б р а б о т к а (закалка) приводит к повы шению электросопротивления, что также связано с искажения­ ми кристаллической структуры и появлением внутренних напря­ жений. Так, например, при закалке чистого золота с 627°С в воду его сопротивление, измеренное при —268,8 °С, возрастает

на 35%, а сопротивление платины после закалки с 1227°С воз­ растает в два раза.

Отжиг наклепанного или закаленного металла снимает до­ полнительное сопротивление гд, возвращая металл к исходному (до наклепа) электросопротивлению. Полное совпадение значе­ ний электросопротивления отожженного наклепанного и ненаклепанного металла наблюдается только при отжиге наклепан­ ного металла при температурах, выше температуры рекристал­ лизации: Трекр== О'Тпл (в кельвинах). (Здесь а = 0,2 -т- 0,5 и за­ висит от чистоты металла.)

8.5. ЭФФЕКТ ХОЛЛА

Изучение электрических свойств металлов привело в 1881 г. к открытию эффекта, названного по имени его открывателя эффектом Холла. Сущность его состоит в том, что одновремен­ ное наложение на проводник электрического поля Ех, вызываю­ щего в направлении х ток 1Х (рис. 8.7), а в перпендикулярном

направлении наложение однородно­ го магнитного поля с напряженно­ стью HZy приводит к искривлению траектории движения электронов между двумя последующими столк­ новениями. Это отклонение вызыва­ ет возникновение нового электриче­ ского поля с напряженностью Еу и соответствующей разностью потен­ циалов и у в направлении у, перпен­ дикулярном направлениям векторов напряженностей электрического и магнитного полей. Оказалось, что знак возникающей разности потен­ циалов Uу — э. д. с. Холла — нахо­ дится в соответствии со знаком но­

сителей тока: дырок или электронов — и может быть положи­ тельным или отрицательным. Для большинства металлов он отрицателен и соответствует электронной проводимости. Однако у некоторых, например у железа, кобальта, цинка, кадмия, бе­ риллия и т. д., он может быть положителен, что объясняется одновременным возникновением дырочной и электронной прово­