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嘉峪檢測網(wǎng) 2019-11-11 16:22
近十余年來，隨著我國經(jīng)濟和人民生活的快速發(fā)展，用電需求量也在逐年增加。國家能源局發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國全社會用電量由2006年的2.8×1012kW·h增加到了2018年的6.3×1012kW·h。然而，我國幾大發(fā)電廠的位置較為偏遠，長距離輸送電力是不可避免的。
架空導線承擔著長期輸送電能的任務(wù)，根據(jù)焦耳定律，電流通過導體時會產(chǎn)生熱效應(yīng)，這會影響導線的微觀組織結(jié)構(gòu)，進而影響或改變其強度和導電率。然而，關(guān)于典型工況下工業(yè)純鋁導線強度和導電率的關(guān)系鮮有報道，為此，筆者采用退火處理模擬工業(yè)純鋁導線的服役溫度條件，研究了退火態(tài)工業(yè)純鋁導線屈服強度-導電率關(guān)系演變規(guī)律及機制，并與拉拔態(tài)鋁線的屈服強度-導電率關(guān)系做了對比，以期為制備強度和導電率綜合性能優(yōu)異的工業(yè)純鋁導線提供理論依據(jù)。
試驗方法
1、鋁線成分及制備工藝
試驗材料為工業(yè)純鋁桿，通過冷拉絲工藝制備成鋁線，其化學成分(質(zhì)量分數(shù))為：0.11％Si，0.25％Fe，0.01％Cu，0.03％Mn，余為Al。鋁桿直徑為9.5mm，經(jīng)過不同道次拉拔得到不同變形量的鋁線，其最終直徑均為3.0mm。從直徑為3.0mm的鋁線上取樣，在90，150，200，250，300℃下，分別保溫20min和1，2，4，8，12，24，48h，獲得了一系列的退火態(tài)工業(yè)純鋁線。實際輸電導線溫度一般最高可達250~300℃，因此試驗選取的最高退火溫度為300℃。
2、顯微組織觀察
沿工業(yè)純鋁線徑向和軸向取樣，進行微觀組織結(jié)構(gòu)表征。首先采用400~2000目SiC砂紙對試樣進行機械打磨，然后進行電解拋光，電解液是體積比為1∶9的高氯酸和酒精混合溶液，電解溫度為0℃，時間為90s。晶粒尺寸和晶體取向采用ZEISS SUPRA 35型掃描電子顯微鏡中附帶的電子背散射衍射(EBSD)系統(tǒng)進行表征和分析。透射電鏡觀察的試樣首先采用SiC砂紙打磨至厚度約為0.05mm，然后在-20℃條件下采用體積比為1∶4的高氯酸和甲醇混合溶液進行電解雙噴，之后采用FEI Tecnai F20型透射電子顯微鏡(TEM)觀察微觀組織。
3、拉伸試驗
拉伸試樣總長為200mm，其中標距段長度為150mm。使用靜態(tài)INSTRON5982型拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗，應(yīng)變速率為0.001s-1，加載方向為工業(yè)純鋁線的軸線方向，同一狀態(tài)的試樣重復(fù)測試3次。
4、電學性能測試
采用QJ57型直流雙臂電橋?qū)I(yè)純鋁線進行電阻測試，每根試樣長1000mm，測試溫度為20℃，同一狀態(tài)的試樣重復(fù)測試6次。導電率按照下式進行計算
式中：w為導電率；L為試樣測試長度；R為電阻；S為試樣的橫截面積。
試驗結(jié)果與討論
1、屈服強度和導電率
圖1 拉拔態(tài)和退火態(tài)工業(yè)純鋁線的屈服強度和導電率
如圖1所示，拉拔態(tài)工業(yè)純鋁線的屈服強度隨著拉拔變形量的增大逐漸升高，導電率則先下降后上升。變形量為90.2％時，其屈服強度和導電率分別達到了198.8MPa和62.59％IACS，將該工業(yè)純鋁線進行退火處理，隨著退火溫度升高，其屈服強度大幅下降，導電率逐漸提高，在300℃退火12h后，工業(yè)純鋁線的屈服強度下降至45.5MPa，導電率提高至64.22％IACS。
由上述分析可知，拉拔態(tài)(變形量在24.6％~83.1％之間)和退火態(tài)工業(yè)純鋁線的屈服強度和導電率均為反比關(guān)系。
從圖1還可以看出，退火態(tài)工業(yè)純鋁線的屈服強度-導電率關(guān)系曲線整體位于拉拔態(tài)工業(yè)純鋁線(變形量為24.6％~83.1％)的屈服強度-導電率關(guān)系曲線之上。
圖2 拉拔態(tài)試樣和退火態(tài)試樣的屈服強度和導電率
如圖2所示，變形量為90.2％的工業(yè)純鋁線經(jīng)過150℃退火48h(以下簡稱為退火態(tài)試樣)之后，其強度和導電率均高于變形量為65.6％的拉拔態(tài)工業(yè)純鋁線(以下簡稱為拉拔態(tài)試樣)，這打破了強度和導電率的反比關(guān)系。為了解釋這一現(xiàn)象，筆者對退火態(tài)試樣和拉拔態(tài)試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)進行了對比分析，研究了工業(yè)純鋁線屈服強度和導電率同步提高的機制。
2、顯微組織
圖3 拉拔態(tài)試樣和退火態(tài)試樣徑向微觀組織形貌
織構(gòu)和晶粒是影響工業(yè)純鋁線性能的重要組織結(jié)構(gòu)，使用EBSD和TEM對拉拔態(tài)試樣和退火態(tài)試樣進行觀察。由圖3a)和圖3b)可以看出，這兩種試樣內(nèi)均存在明顯的‹001›織構(gòu)和‹111›織構(gòu)；由圖3c)和圖3d)可以看出，兩者徑向晶粒分布較為均勻，但退火態(tài)試樣的組織潔凈度更高，這是因為退火引起了回復(fù)，使位錯纏結(jié)減少。
兩種狀態(tài)試樣屈服強度及上述微觀組織結(jié)構(gòu)統(tǒng)計結(jié)果見表1。
表1 拉拔態(tài)和退火態(tài)試樣屈服強度及微觀組織結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計結(jié)果
3、強化機制
通過計算可知，拉拔態(tài)試樣和退火態(tài)試樣的取向因子(MS)分別為3.057和3.211，進而計算出拉拔態(tài)試樣的織構(gòu)強化和細晶強化引起的屈服強度增量分別為-0.2MPa和144.8MPa；而退火態(tài)試樣的織構(gòu)強化和細晶強化引起的屈服強度增量分別為7.9MPa和160.2MPa?？梢钥闯?，當鋁線的取向因子小于平均取向因子(3.06)時，織構(gòu)并不會起到強化效果。兩試樣的徑向晶粒尺寸幾乎一致，但兩者引起的細晶強化效果卻相差15.4MPa，這主要是因為退火態(tài)試樣的大角晶界比例(0.83)比拉拔態(tài)試樣的(0.48)高，而大角晶界對位錯運動的阻礙效果明顯優(yōu)于小角晶界的阻礙效果，所以退火態(tài)試樣具有更好的細晶強化效果。
4、高導電率機制
工業(yè)純鋁線的導電率與軸向、徑向晶粒尺寸密切相關(guān)。然而，試驗中退火態(tài)試樣的軸向晶粒和徑向晶粒尺寸均與拉拔態(tài)試樣的相差不大，因此晶粒尺寸并不是導致退火態(tài)試樣導電率更高的原因。
采用TEM進一步沿軸向觀察退火態(tài)和拉拔態(tài)試樣的晶界狀態(tài)。如圖4所示，拉拔態(tài)試樣的晶界為典型的塑性加工后形成的非平衡晶界，而退火態(tài)試樣的晶界處則能夠明顯觀察到晶界條紋，為典型的平衡晶界。這表明經(jīng)退火處理后，試樣的非平衡晶界轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰扛?、更穩(wěn)定的平衡晶界。非平衡晶界向平衡晶界的轉(zhuǎn)變是退火態(tài)試樣導電率高于拉拔態(tài)試樣的主要原因。
圖4 拉拔態(tài)和退火態(tài)試樣軸向TEM形貌
5、屈服強度-導電率關(guān)系演變機制
退火過程中，隨著退火溫度的升高和保溫時間的增加，工業(yè)純鋁線的屈服強度逐漸下降，導電率逐漸增大。此時，兩者仍為反比關(guān)系?？棙?gòu)和徑向晶粒尺寸是決定鋁線屈服強度的關(guān)鍵因素。隨退火溫度升高，鋁線徑向晶粒尺寸逐漸增大，細晶強化效果下降，故鋁線的屈服強度逐漸下降。鋁線的導電率會受到晶粒尺寸尤其是徑向晶粒尺寸的影響。當鋁線軸向晶粒尺寸變化不大，徑向晶粒尺寸大幅增加時(由低溫退火時的0.76μm增加至高溫退火時的1.9μm)，晶界對電子的散射效果會降低，從而引起鋁線導電率的增大。因此，徑向晶粒尺寸的變化是退火過程中工業(yè)純鋁線的屈服強度和導電率呈反正關(guān)系的原因。
退火態(tài)試樣的屈服強度-導電率制約關(guān)系曲線位于拉拔態(tài)試樣的上方，即打破了強度和導電率的反比關(guān)系。顯微組織觀察結(jié)果表明，拉拔態(tài)試樣內(nèi)的晶界類型和晶界狀態(tài)經(jīng)退火后發(fā)生了改變，即發(fā)生了小角晶界向大角晶界轉(zhuǎn)變和非平衡晶界向平衡晶界轉(zhuǎn)變，前者強化了晶界，使得晶粒尺寸相同的退火態(tài)試樣強度更高，后者降低了晶界電阻率，提高了導電率。所以，這種非平衡態(tài)小角晶界向平衡態(tài)大角晶界的轉(zhuǎn)變是退火態(tài)工業(yè)純鋁線強度和導電率同步提高的原因。
結(jié)論及建議
(1)隨著退火溫度和保溫時間的增加，工業(yè)純鋁線的屈服強度逐漸下降，導電率逐漸提高，屈服強度和導電率成反比關(guān)系。徑向晶粒尺寸增加是退火態(tài)工業(yè)純鋁線屈服強度和導電率互相制約的原因。
(2)與拉拔態(tài)試樣相比，含更多‹111›織構(gòu)和大角晶界為退火態(tài)試樣提供了更好的織構(gòu)強化和細晶強化效果，非平衡晶界向平衡晶界的轉(zhuǎn)變是退火態(tài)試樣導電率更高的原因。平衡態(tài)大角晶界的形成是實現(xiàn)退火態(tài)工業(yè)純鋁線高強度和高導電率的主要原因。
來源：陳慶吟理化檢驗
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