Барьердің салыстырмалы биіктігі h

Д.М.Сергеев, И.Н.Балмухан 

18 

Вестник Карагандинского университета 

D.M.Sergeyev, I.N.Balmukhan 

About calculation of the current-voltage characteristics of the superconducting tunnel 

junction based on a scattering matrix at a relative barrier height h

b

 = 3 

Within the framework of the theory of quantum transport phenomena using the method of a scattering matrix 

were calculated current-voltage characteristics and 

 

dI V dV -differential conductivity spectra of supercon-

ducting tunnel junctions at a relative barrier height hb = 3. The evolution of the transport characteristics of a 

Josephson junction with a change in the superconducting gap (the order parameter) from 0,1 ÷ 1 arb. units 

was shown. In this case, the effect of temperature on the transition was studied theoretically by varying of the 

order parameter value of a massive superconductor in a range of 0,1 ÷ 1 arb. units, because the relative trans-

parency of the transition barrier is constant (D = 0,1). 

 

 

References 

1  Karpov A., Blondel J., Dmitriev P., Koshelets V.

 

IEEE Trans. on Appl. Supercond., 1999, 9, 2, p. 4225–4228. 

2  Suzuki M., Watanabe T., Matsuda A. Phys. Rev. Lett., 1999, 82, 26, p. 5361–5364. 

3  Tucker J.R., Feldman M.J. Rev. Mod. Phys., 1985, 57, 4, p. 1055–1113. 

4  Likharev K.K. Introduction to the dynamics of Josephson junctions, Moscow: Nauka, 1985, 320 p. 

5  Barone A., Paterno G. Physics and Applications of the Josephson Effect, New York: Wiley & Sons, 1982, 639 p. 

6  Sergeyev D.М. Anharmonicity superconducting current in Josephson structures, Aktobe, 2013, 175 p. 

7  Sergeyev D.М., Shunkeyev К.Sh. Vestnik of KarSU. Seriya Fizika, 2008, 1 (49), p. 33–37. 

8  Landauer R. Z. Phys. B, 1975, 21, p. 247–254. 

9  Buttiker M. Phys. Rev. Lett., 1990, 65, 23, p. 2901–2904. 

10  Buttiker M. Phys. Rev. B, 1992, 46, 19, p. 12485–12507. 

11  Buttiker M. J. Phys. Condensed Matter., 1993, 5, p. 9361–9378. 

12  Lesovik G.B., Sadovskyy I.A. Successes of physical sciences, 2011, 181, p. 1041. 

13  Sergeyev D.М., Kuzmichev S.А., Aimaganbetova Z.K., Shunkeyev K.Sh. News of the National Academy of Sciences of the 

Republic of Kazakhstan. Physico-Mathematical Series, 2015, 2, 300, p. 116–123. 

14  Blonder G.E., Tinkham M., Klapwijk T.M. Phys. Rev. B, 1982, 25, p. 4515–4532. 

15  Averin D., Bardas A. Phys. Rev. Lett., 1995, 75, p. 1831–1834. 

16  Bardeen J., Cooper L.N., Schriffer J.R. Phys. Rev., 1957, 108, p. 1175–1204. 

17  Phillips T.G., Dolan G.J. Physica B+C, 1982, 109–110, p. 2010–2019. 

18  Kerr A.R., Pan S.-K., Feldman M.J., Davidson A. Physica B+C, 1981, 108, p. 1369–1370. 

 

 

 

 

 

 

 

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

19 

UDC 669.715 

D.U.Smagulov

1

, N.A.Belov

2

, A.M.Dostayeva

1

  

1

K.I.Satpayev Kazakh National Technical University, Алматы; 

2

National University of Science and Technology «MIS and A», Moscow, Russia 

(E-mail: nikolay-belov@yandex.ru) 

Roasting effect on the electrical resistivity of the Al-0,5%Zr alloys 

The effect of regimes of deformation and heat treatment on electrical resistivity and vickers hardness of 2 

aluminum alloys containing 0.2% Zr and 0.4% Zr (mass%) was studied. Flat ingots (10х40х200 mm and 

40х120х200 мм) were produced by casting into a graphite moulds. ingots were hot and cold rolled to obtain 

sheets (thickness 1.3 mm and 5 mm for cold rolled and hot rolled accordingly). Ingots and sheets were an-

nealed according to multistage modes in the temperature range 200–650 °C with a step of 50 °C and 3 h hold-

ing at each stage. Polished samples cut from the central part of the ingots (as-cast and annealed) were studied. 

the structure was examined in optical (om, axiovert 200 mmat) and electron scanning electron (tescan vega 3) 

microscopes. Thin foils for transmission electron microscopy (tem) were prepared by electrolitic thinning in a 

perchloric acid–alcohol solution and studied at 160 kv. 

Key words: aluminum alloys, system Al–Zr, phase Al

3

Zr, electrical resistivity, deformation and heat treat-

ment, hardening and softening. 

 

Introduction 

In the recent years the interest for the aluminum alloys, strong enough, maintaining high electrical 

conductivity even after the heating up to 250–300 

о

С grows. Traditional wire line made of technical alumi-

num of the A5E mark does not satisfy the requirements given, because it loses the strength even after the 

short-term heating in such temperature range [1, 2].  

The solution of the problem is quiet successful approach on the producing of wire line made of low-

alloy aluminum with addition of the zirconium [3–6].  

The primary pattern of the aluminum wire line designed to produce the lines (core conductors) 

according to the rules is rod, obtained by the continuous casting and rolling technique on the properzzi and 

southwire types of equipment [7]. In the wire line made of Al-Zr alloy all required specifications mainly the 

electrical resistivity and strength (after heating up to 300

0

С) are determined by the rod metallurgical 

structure.  

Aluminum wire thermostability depends on the zirconium in the alloy as well as the melting, casting 

and heat treatment processing methods. Positive effect of the zirconium on thermostability is condition by 

the nanoparticles of the l12 (Al

3

Zr) phase, formed in the rod when roasting [8–10]. This is exactly what 

identified the objectives set out in this work, and is the most important: 

a) to obtain  aluminum alloy hot-rolled sheets, with 0,5% Zr, in case of realization of the continuous 

casting and rolling on the industrial installations; 

b) to study the roasting temperature effect (up to 650 

o

С and including) on the specific electrical 

resistivity and strength of these sheets; 

в) to rationalize a profitable ratio between the roasting temperature and zirconium concentration. 

Experimental technique 

In the capacity of the main study objects sheets of aluminum alloy with 0,5% Zr were taken. 

Experimental alloys were prepared of the primary alumium of the а7е (GOST 11069–2001) mark in the 

graphite-clay crucible of electrical resistance furnace. Zirconium was introduced into the alloy under 

temperature of 850–900 

o

С (i.e. higher than a liquidus point) in the form of Al–15% Zr (GOST 53777–2010)  

ligature [11]. 40х120х200 mm ingots were obtained by casting into the graphite casting-form. Sheets made 

of such ingots (figure 1) were obtained as follows: to heat ingots casted to 450 

o

С, then roll the sheets with 

87,5% degree of squeezing and up to 5 mm thickness. 

 

D.U.Smagulov, N.A.Belov, A.M.Dostayeva 

20 

Вестник Карагандинского университета 

 

Figure 1. Appearance of the experimental ingots and sheets made of them 

Chemical alloys composition study was performed on the ARL 4460 spectrometer, results are shown in 

the table 1. 

T a b l e   1  

Chemical composition of experimental alloys  

Alloy Concentration, 

% 

wt. 

№ Reference 

Si 

Fe 

Zr 

Al 

0 00Zr  0,0073 

0,140 - base 

1 02Zr  0,072 

0,139 

0,180 

base 

2 03Zr  0,074 

0,131 

0,283 

base 

3 04Zr  0,080 

0,140 

0,380 

base 

4 05Zr  0,075 

0,133 

0,476 

base 

 

A sheet roasting was performed under the temperature of 300–650 °С (table 2), with accuracy ranging 

of 

5 °С, stepwise in a muffle electric furnace («snol»). 

T a b l e   2  

Ingots roasting conditions of the Al–Zr–Si system alloys 

reference Roasting 

method 

t 300 

t 300 

C, hour 

t 350 

t 300 +350 

C, 3 hours 

t 400 

t 350 +400 

C, 3 hours 

t 450 

t 400 +450 

C, 3 hours 

t 500 

t 450 +500 

C, 3 hours 

t 550 

t 500 +550 

C, 3 hours 

t 600 

t 550 +600 

C, 3 hours 

t 650 

t 600 +650 

C, 3 hours 

 

Specific electrical resistivity (

) and Vickers hardness (HV) were measured for each condition. The  — 

value was determined by the eddy-current method on the VE-26NP device, then specific electric resistance 

(

 was calculated Vickers hardness was determined on the Wilson Wolpert 930 N hardness tester with the 

following parameters: pressure-50 Н, hold time — 15 с.   

Ingots and sheets metallurgical structure was studied on the light (SM) and electronic scanning 

microscope (SEM) respectively: Axio Observer MAT and TESCAN VEGA 3. For polished section 

preparations the electrolytic polishing and mechanical polishing were used under 12V voltage, electrolytic 

conductor, which has 6 parts of C

2

H

5

OH, 1 part of HClO

4

 and 1 part of glycerin.  

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

Fine-structural investigation (f

JEM2100 electronic microscope (TE

of study foils obtained by the thinnin

For digital analysis of the phas

of phase — in the aluminum solid so

Metallographic ingots examin

between the experimental alloys, be

aluminum solid solution compositio

(see table 1).  

Metallurgical structure observe

of the А7Е mark: phases inclusions 

(Al) [12]. During the rolling proces

with the presence of ferrum were ex

The roasting has no appreciab

structural and phase conversion  up

changes and strength, by the reports

(disregarding Fe and Si impurities)

Exception is the 02Zr and 03Zr allo

were made upon stable and metast

solubility in the solid solution of (A

ly higher by the metastable version a

 

Figure 2. Condition diagram 

different roasting conditio

Special electrical resistivity dep

roasting is quite difficult (figure 3). 

comparable to the experimental pr

revealed. Especially they are great u

has the difference in special electrica

As can be seen from the depe

minimum value of electrical resistiv

the zirconium concentration (C

Zr-(

calculated by the metastable version

There are two explanations of this s

in the (Al) is quite low, therefore tot

Roastin

first of all to indicate the Al

3

Zr precipitation) 

EM) with high resolution and 200kW acceleration

ng-down of sheets were used.  

se structure (components concentration calculatio

olution (Al) the Thermo-Calc (TTAL5 database) 

Experiment results and their analysis 

nation showed the difference absence in the 

ecause the zirconium upon crystallization was ent

on (hereinafter (Al), Fe and Si concentration are 

ed is similar with the electrotechnical aluminium

in the form of  skeletal fragments or the boundar

ss equiaxial grain structure was changed to the fi

xtended too.  

ble effect on the structure detectioned in the ligh

pon roasting were evaluated by the results of spe

s results as well. As per condition diagram the Al

) at all temperatures fall into the two-phase field

oys, which at the temperature 650 

o

С should be 

table equilibrium, in accordance with this D0

23

 

Al) increases under temperature over 400–450 

o

С. 

as well. 

Al–Zr fragment with marked conditions of experimen

ons (table 2): dotted graph — the solvus of the L1

2 

met

pendence of the experimental alloys on the tempe

When comparing with unalloyed aluminum, of w

recision, in the alloys with addition of zirconiu

upon maximum concentration of zirconium in the

al resistivity approximately of 5,4 Ohm

m10

-9

 (o

endences, shown in the figure 3а, when multist

vity is observed under 450 

o

С, it is explained by 

(Al)

) in the aluminum solid solution. This con

n on which under such a temperature the C

Zr-(Al)

 v

ituation. First, upon low temperature (below 400

tal decomposition process requires more time [14

ng effect on the electrical… 

21 

was carried out on the 

n voltage. As the objects 

on and the mass fraction 

software was used.  

metallurgical structure 

tirely introduced into the 

approximately the same 

m metallurgical structure 

ries of the dendritic cells 

ibrous, phases inclusions 

ht microscope, therefore 

ecial electrical resistivity 

l–Zr experimental alloys 

d (Al)+Al

3

Zr (figure 2). 

one-phase. Calculations 

and L1

2 

phases

 

[13]. Zr 

Solubility is significant-

 

ntal alloys under  

tastable phase 

erature of the last step of 

which resistivity value is 

um a great changes are 

e alloy (C

Zr

), 05Zr alloys 

or 

 15%).  

tep roasting is applied a 

the maximum reduce of 

ntradicts with the data, 

value is very significant. 

0 

0

С) zirconium diffusion 

4, 15]. By data [10] 500-

D.U.Smagulov, N.A.Belov, A.M.Dostayev

22 

hours of roasting fewer than 300 °C

equilibrium solubilityof Zr in the (A

 

Figure 3. Temp

electr

Upon temperature increase th

softening upon temperature of 350 

o

05Zr the hardness is high enough ev

Temperature effect of roasting

(SER) of the aluminum alloys hot-r

installations of continuous casting an

Using the calculations and exp

of concentrate) mostly depends on t

mum upon 3-hours of roasting at 45

cles of the L1

2 

(Al

3

Zr) phase, determ

It is shown that a good alignme

the temperature of thermal heating w

 

 

1  Aluminum. Properties and physical m

Transl. from English. — М.: Metallurgy, 19

2  Belov N.A., Alabin A.N., Prokhorov

rolled aluminum sheets // Nonferrous-metals

3  US Patent 4402763 (publ. 09.06.198

4  Uliasz P., Knych T., Mamala A., Sm

VCH, Weinheim, 2008). — P. 248–255. 

5  Zhou W.W., Cai B., Li W.J., Liu Z.X

Engineering. A 552. — 2012. — P. 353–358

6  Belov N.A. Principles of Optimising

Journal of Advanced Materials. — 1994, 1 (

7  Vorontsova L.A. Aluminum and alum

8  Booth-Morrison C., Dunand D.C., S

alloys // Acta Mater. 59. — 2011. — P. 7029

9  Knipling K.E., Karnesky R.A., Lee C

0.1Sc–0.1Zr (at.%) alloys during isochronal 

10  Belov N.A., Alabin A.N., Prokhorov A

aluminum alloys wire lines of the Al-Zr-Fe-

va 

Вестник Караг

C is not enough. Second, upon 450 

o

С, there is p

Al), which is quiet lower than the metastable versi

 

perature effect of the last step of roasting on the specif

rical resistivity of the experimental alloys sheet 

here is effect of C

Zr

 is observed. In the 02Zr a

o

С and 400 

o

С is observed respectively. In more h

ven at 450 

o

С. At 500 

o

С and above all alloys are s

Closing 

g up to 650 

o

С on hardness and specific electric

rolled sheets with 0,5 % wt of Zr in case of real

nd rolling. 

perimental techniques we defined that SER (spec

the concentration of zirconium in the aluminum s

0 

o

С. From the other hand, is conditioned with th

mining the thermo stability, maintaining of the me

ent of SER values, strength and thermo stability 

will be 400–450 

C, and concentration of zirconiu

References 

metallurgy: Reference edition. Antony U.U., Elliot F.R., Bo

989, 324 p. 

v A.Y. The effect of zirconium additives on the strength an

s industry. — 2009. — № 4. — P. 42–47. 

83) 

myrak B. Aluminium Alloys, edit. by J. Hirsch, B. Skrotzk

X., Yang S. Heat-resistant Al–0.2Sc–0.04Zr electrical condu

8. 

g the Structure of Creep-Resisting Casting Aluminium Allo

(4). — P. 321–329. 

minum alloys in electrical products. — M.: Energy, 1971. —

Seidman D.N. Coarsening resistance at 400 °C of precipitatio

9–7042. 

C.P., Dunand D.C., Seidman D.N. Precipitation evolution in

aging // Acta Mater. 58. — 2010. — P. 5184–5195. 

A.Y., Skvortsov N.V. Effect of intermediate roasting on the ele

Si system // Metallurgy and heat treatment of metals. — 201

гандинского университета 

possibility to rely on the 

on (for D0

23 

phase). 

fic  

and 03Zr alloys there is 

hydra metals of 04Zr and 

softening. 

cal resistivity is studied. 

lization on the industrial 

cific electrical resistivity 

solid solution, it is mini-

he quanitity of nanoparti-

echanical hardening. 

is possible to achieve, if 

um is not below 0,3%. 

oll М.D. / under ed. J.Е.Hatch: 

nd electrical resistance of cold 

ki and G. Gottstein (WILEY-

uctor // Materials Science and 

oys Using Transition Metals // 

— 224 p. 

on-strengthened Al–Zr–Sc–Er 

n Al–0.1Sc, Al–0.1Zr and Al–

ectrical resistivity of low-alloy 

12. — № 4. — P. 14–19. 

Roasting effect on the electrical… 

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

23 

11  Mondolfo L.F. The structure and properties of aluminum alloys: Translated from English. — M.: Metallurgy, 1979. — 640 с. 

12  Belov N.A., Aksenov A.A., Eskin D.G. Iron in Aluminum Alloys: impurity and alloying element. — Fransis and Tailor, 2002. 

— 360 p. 

13  Sigli C. Zirconium Solubility in Aluminum Alloys (Proc. — ICAA9 Brisbane, (2004). — P. 1353–1358. 

14  Lefebvre W., Danoix F., Hallem H., Forbord B., Bostel A., Marthinsen K. Precipitation kinetic of Al3(Sc,Zr) dispersoids in 

aluminium // J. Alloys Compd. 470. — 2009. — P. 107–110. 

15  Knipling K.E., Dunand D.C., Seidman D.N. Precipitation evolution in Al–Zr and Al–Zr–Ti alloys during isothermal aging at 

375–425 °C // Acta Mater. 56. — 2008. — P. 114–127. 

 

 

Д.У.Смагулов, Н.А.Белов, А.М.Достаева  

Al-0,5%Zr қорытпаларының электр кедергісіне күйдірудің əсері 

Соңғы  жылдары  тіпті 250–300 

о

С  дейін  қыздырудан  кейін  де  сақталатын  жоғары  электрөткізгіштік 

пен  жеткілікті  беріктіктен  тұратын  алюминий  қорытпаларына  деген  қызығушылық  артуда. A2E 

маркалы  техникалық  алюминийден  жасалған  дəстүрлі  сымдар  бұл талаптарды  қанағаттандырмайды, 

себебі  олар  осындай  температуралар  кезінде  қысқа  мерзімді  қыздырудан  соң  да  беріксізденеді. 

Мақалада  құйма  жəне  беттер  түрінде  орындалған  алюминий  қорытпаларының  меншікті  электр 

кедергісіне  күйдірудің  əсері  зерттелген.  Салқын  илемделген  беттерде  ыдырау  баяуырақ  жүретіні 

анықталған. 450 

o

С  кезінде  күйдірілген  беттерде  электркедергісі  мен  қаттылықтың  жақсы  үйлесімді 

мəніне қол жеткізуге болатыны көрсетілген. 

 

Д.У.Смагулов, Н.А.Белов, А.М.Достаева  

Влияние обжига на удельное электрическое сопротивление

  

Al-0,5%Zr сплавов 

Изучено  влияние  режимов  деформационно-термической  обработки  на  удельное  электросопротивле-

ние (УЭС) и твердость двух алюминиевых сплавов, содержащих 0,2 и 0,4% Zr и выполненных в виде 

слитков  и  листов  (холоднокатаных  и  горячекатаных).  Установлено,  что  медленнее  всего  распад  по-

следнего  происходит  в  слитках,  а  наиболее  быстро — в  холоднокатаных  листах.  С  использованием 

функции желательности показано, что наилучшего сочетания значений УЭС, твердости и  стойкости 

к разупрочнению можно добиться в холоднокатаных листах сплава с 0,4% Zr, отожженного при 450 

o

С. 

Такой комплекс свойств обусловлен, главным образом, формированием достаточного количества на-

ночастиц фазы L12 (Al

3

Zr), которые определяют сохранение деформационного упрочнения. 

 

 

 

 

 

 

 

24 

Вестник Карагандинского университета 

UDC 621.891(07):621.9.025.7:621.793.620.172 

V.Ch.Laurinas

1

, A.Sh.Syzdykova

2

, E.N.Eremin

3

, S.A.Guchenko

1

, V.M.Yurov

1

  

1

Ye.A.Buketov Karaganda State University; 

2

Polytechnic College Corporation «Kazakhmys», Balkhash; 

3

Omsk State Technical University 

(E-mail: weld_techn@mail.ru) 

жүктеу/скачать 11,76 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: