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电热合金是电能转化热能的功能性合金材料,在国内外各个领域都占有重要的地位。在科学技术高速发展的今天,人们的环保意识逐渐增强,对具有环保,高效,安全等性质的功能材料的需求也愈来愈多。电热合金按其金相组织结构可以分为Ni-Cr-(Fe)型合金和Fe-Cr-Al型合金两大类:(1)Ni-Cr-(Fe)型合金以Ni元素为基或以Fe元素为基。合金塑性及韧性好,强度高,寿命长,具有较好抗氮气能力,电阻率高且高温下变化率较小,可以稳定的使用,可用于含氮气氛环境下加热。但由于价格普遍较高,故在加热精度和使用寿命要求高的环境中应用较广泛,常见合金如 Cr20Ni80合金,Cr20Ni35合金,其最高使用温度为1100℃。(2)Fe-Cr-Al型合金以铁元素为基,广泛使用的有0Cr21Al6Nb合金、0Cr25Al5合金,最高使用温度为1400℃。由于合金中含有可以增强电阻率的Al元素,故铁铬铝系合金的电阻率普遍较高,可以高效的将电能转化为热能,且价格低廉,被作为工业电加热炉的元件而广泛应用。电热合金作为一种普遍使用的电加热元件,至关重要的一点是具有高且稳定的电阻率。前期的实验研究表明,对于电热合金而言,晶粒尺寸是影响电阻率的一个重要因素。但是目前,国内大部分厂家在制造电热合金过程中,很少考虑晶粒尺寸以及晶界的变化对电阻率的影响。本文将通过对两种电热合金材料分别进行不同的拉伸变形并再结晶退火,对比两种材料的微观组织的变化、电阻率的变化以及晶粒尺寸的变化,分析晶粒尺寸及晶界影响电阻率变化的深层原因和微观机理。希望为以后的生产实践提供理论指导。 本文详细介绍了两种实验中所用的电热合金,Cr20Ni35镍铬铁系合金和0Cr21Al6Nb铁铬铝系合金。前期查找了有关两种合金的基本资料,影响其电阻率的各种因素以及国内外迄今为止所做的一些研究工作。在此基础上,选取了国内某厂家生产的Cr20Ni35合金和0Cr21Al6Nb合金作为实验材料,在其塑性变形范围内对其分别进行不同程度的拉伸,并随后进行再结晶退火处理。研究对比电阻率的变化与晶粒尺寸的变化。最后在分析实验数据以及查阅资料的基础上,推断并总结出两种合金的晶粒尺寸与电阻率之间的关系。 研究表明: (1)经过拉伸变形后的Cr20Ni35合金和0Cr21Al6Nb合金,其晶粒尺寸随着试样的伸长率的增大而逐渐减小。测量其电阻率,也逐渐减小。这与大多数金属塑性变形后的表现相反,究其原因,主要是由于不均匀固溶体中的“K”状态的产生。 (2)对经过拉伸变形后的Cr20Ni35合金和0Cr21Al6Nb合金分别进行再结晶退火。其中Cr20Ni35合金的晶粒尺寸随着形变量的增大,退火后的晶粒越细小,电阻率的值也越高。0Cr21Al6Nb合金在经过再结晶退火后,形变量处于1.6%、2.2%、3.4%的试样晶粒尺寸出现了极具长大的情况。这主要是因为处于“临界变形的再结晶”状态。在随后形变量达到7.7%、12.3%时,晶粒尺寸逐渐恢复正常并开始形成新的晶粒。测量电阻率发现,随着形变量的增大,电阻率也逐渐增大。 (3)对比两种合金在经过不同程度的拉伸和退火后,晶粒尺寸与电阻率都发生了变化。拉伸后,每组试样径向的晶粒尺寸相对于原始试样都出现了递减。Cr20Ni35合金晶粒尺寸的变化率比0Cr21Al6Nb合金大,主要因为Cr20Ni35合金的塑性比较好,实验中的伸长率较大。再结晶退火后,0Cr21Al6Nb合金的晶粒尺寸的变化率较Cr20Ni35合金大,主要是0Cr21Al6Nb合金形变量较低时处于“临界变形的再结晶”状态。而从两种合金电阻率的变化率来看,无论拉伸后还是再结晶退火后,Cr20Ni35合金的电阻率变化率都要明显于0Cr21Al6Nb合金。可能由于其组织与化学成分的原因,晶体内部存在较多的原子偏析或原子短程有序,导致电阻率的变化较明显。 (4)两种合金经过再结晶退火后,晶粒尺寸都发生了改变,分析晶粒尺寸影响电阻率的变化的原因。主要在于晶粒尺寸的改变导致了晶界的增多,晶界在原子结构上具有较高的缺陷浓度,晶界的增多伴随着位错密度和空位的增多,这些都会使合金的电阻率增强。