固溶体合金的导电性能

在合金固溶体中，合金元素使晶格发生畸变；改变了能带结构，使费米能位移，改变状态密度及电子有效质量；改变弹性模量，从而影响晶格离子的振动谱。这些都将引起电阻及其他性能变化。不仅如此，固溶体有时会发生同素异构转变、有序无序转变、磁性转变等，这些变化对电阻也有很大影响。

1.连续固溶体合金的导电特性

由非过渡族金属组成的连续固溶体，对两组元固溶体，A组元的摩尔浓度为x、B组元的摩尔浓度为1-x，则合金的电阻率ρ大体与x（1-x）成正比。其电阻最大值通常在50%摩尔浓度处。而电阻温度系数随浓度的变化刚好与ρ相反，在50%摩尔浓度处有一最小值。这一现象是由于异类原子的存在造成晶格畸变，因而增加了对电子的散射作用。但对固溶体中含有过渡族元素时，ρ最大值不在50%摩尔浓度处，而偏向过渡族组元方向。过渡族金属组成固溶体后，其电阻值显著提高（有时增大几十倍）。这是由于过渡金属有未满的d或f电子壳层，组成固溶体时使得一部分价电子进入未满的d或f壳层中，使n_e减少，故ρ增大。这一情况有重要的实用意义，因为目前生产的电热合金和精密电阻合金，绝大部分含有一个以上过渡族元素。在电阻材料中应用最多的过渡族元素是Fe、Ni、Mn、Cr等。

固溶体加热时它的电阻通常要增大，但它的电阻温度系数与纯金属相比总是较低的，而且与电阻率一样随成分而变。由非过渡族金属组成的低浓度连续固溶体，由马基申定律可以看出，对同一溶剂的一系列固溶体电阻率与温度曲线的斜率相同，且在常温以上斜率为常数而不取决于杂质的浓度。又从电阻温度系数的定义α_T=（1/ρT）（dρ/dT）可知，ρT越大（即存在杂质引起的残余电阻率ρ_r时），α_T就越小。工业上使用的电阻合金的温度系数普遍比导体合金小1～2个数量级，也证实了这一规律性。

在低浓度下，加入第二组元所造成的残余电阻率ρ_r可表示为ρ_r=Cζ，这里ζ为单位浓度的残留电阻（加入1%原子异类元素所造成的残留电阻），C为组元的原子浓度。以一价元素（Cu、Ag、Au）为基的固溶体，其ζ随溶质元素（非过渡族元素）的价数增加而增大，可用下式表述

ζ=a+b（z-z_p）² （5-17）

式中，a、b为常数；z与z_p为溶质及溶剂元素的价数。Mott的集体化电子理论导出的结果是，固溶体的残留电阻ρ_r正比于二组元原子价差的平方，反比于溶剂金属的原子体积。

2.有序固溶体合金的导电特性

在若干合金体系的固溶体中存在有序-无序转变。固溶体的有序化对合金的电阻率有显著的影响。如成分相当于Cu₃Au和CuAu的合金经高温淬火及退火处理后，其电阻值发生了很大的变化。退火后的电阻只有原淬火态的1/2或1/3，如图5-1和图5-2所示。图5-2中曲线2上的点离虚线的距离表示有序合金Cu₃Au和CuAu的残余电阻。

图5-1 Cu₃Au合金有序化对电阻率的影响

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图5-2 CuAu合金电阻率曲线

X射线结构分析发现，对于退火态的Cu₃Au和CuAu合金，除了代表具有面心立方点阵的无序固溶体的X射线谱外，还出现了一些新的线谱，称为超结构线谱。这种新线谱的出现是由于Cu₃Au和CuAu合金在退火时晶体点阵中的原子进行了有序排列（称为合金固溶体有序化）的缘故。当固容体有序化后，一方面，异类原子使点阵的周期场遭到破坏而使电阻率增大，而固溶体的有序化则有利于改善离子电场的规整性，从而减少电子的散射。另一方面，有序化使组元之间化学作用加强，导致传导电子数目减少。在上述两种相反作用的影响下，电场对称性增加使电阻率下降起着主导作用，所以有序化表现是电阻率降低。

斯米尔诺夫根据合金的成分及远程有序度，从理论上计算了有序合金的残余电阻率。其假定：完全有序合金在0K和纯金属一样不具有电阻，只有当原子的有序排列遭到破坏时才有电阻。这样，有序合金的残余电阻率就可写成

式中，ρr为0K时合金的电阻率；A为与组元性质有关的系数；c为合金中第一组元的相对原子浓度；v为第一类结点（第一组元占据）的相对浓度；对于c<v，q=c/v，而对于c≥v，q=1，q值表示第一类结点被相应原子占据的可能性，即被第一组元原子占据的可能性；η表示远程有序的程度，η=（p-c）/（q-c）；p为被自己原子即第一组元原子占据的第一类结点的相对数目。图5-3给出了残余电阻与远程有序度v及成分的关系。

有序化不仅存在于以组元为基的一级固溶体中，具有与组元不同空间点阵的中间相也可能存在有序化。

图5-3 不同程度远程有序（η）下的残余电阻

a）形成AB型超结构 b）形成A₃B型超结构

3.不均匀固溶体合金的导电特性

某些含有过渡族金属的合金，如Ni-Cu、Ni-Cr、Ni-Cu-Zn、Fe-Al、Cu-Mn、Ag-Mn、Au-Cr等合金，合金虽是单相固溶体结构，但由于存在特殊相变及特殊结构，其电阻出现反常变化：电阻-温度曲线呈S形或部分S形；冷加工可使合金的电阻率降低，而退火使电阻率升高；高温淬火处理后再经低温回火，室温电阻上升。把这种电阻率反常增大效应称为“K状态”。在“K状态”形成时，合金虽然处于单相固溶体状态，但固溶体内组元原子在晶体中分布不均匀，由X射线漫散射已证实其原子间距的大小显著波动。固溶体内形成了原子的偏集区，偏集区范围大约有100个原子，形成不均匀固溶体状态。由于偏聚区造成电子波的附加散射，使固溶体电阻率增大，一般可增加10%～15%。也有人认为“K状态”标志着某种短程有序。继续升高温度或冷加工变形将破坏这些原子偏集区，从而驱散了“K状态”，使电阻率恢复正常态。