钨及钨合金的变形、断裂及强化机制研究综述.pdf

钨及钨合金的变形、 断裂及强化机制研究综述 张太全， 王玉金， 宋桂明 （哈尔滨工业大学材料科学与工程学院， 哈尔滨“） 摘要综述钨及钨合金变形机制、 断裂机制和强化机制方面的国内外研究结果。与其他金属基复合材料相比， 钨基复合材 料的研究仅处于初期阶段。研究新型钨基复合材料的变形， 损伤及强化， 研究金属钨在复合材料中的作用机理， 对拓展钨及其合 金的应用领域具有重要意义。 关键词金属材料； 钨； 综述； 变形机制； 断裂机制； 强化机制 中图分类号“1 等人 ［ - ’］用 0 ,, 、 , 及自由方向） ， 并研究其压缩变形 行为， 发现不同方向上的变形机制不同。 ,, 织 构组织显示出相当的塑性。 , 织构组织在准 静态载荷下变形较均匀， 而在动态载荷下产生晶界 开裂。自由方向组织无论是在准静态还是在动态载 荷下都发生脆性断裂。 表 钨单晶在 ［］ 方向上变形后位错和 孪晶的柏氏矢量 ［］ 93 *8AB3A; C3DEFA; FG H2;FDE2FI IH EJ2I; GFA E8IB;E3I ;2IB3 DAK;E FG［,］FA23IEE2FI ［］ 应变 速率 （,） 平面 （ - ） 平面 位错柏氏矢量位错柏氏矢量孪晶柏氏矢量 ,- ’L;［ - ］ ， ［ - - ］ ［ - -］ 无 ,,L; ［ ］ ， ［ - - ］ - ［ - ］ ,,L;［ - ］ ， ［ - - ］ ，［,,］- ［ -］ /,,L;［ - ］ ， ［ - - ］ ，［,,］- 较多滑移带及 螺型位错 注 其中 ［,］ 位错是由 ［ - ］ 和 ［ - - ］ 反应而形成的。 表 钨单晶在 ［］ 方向上变形后位错和 孪晶的柏氏矢量 ［］ 93 *8AB3A; C3DEFA; FG H2;FDE2FI IH EJ2I; GFA E8IB;E3I ;2IB3 DAK;E FG［］FA23IEE2FI ［］ 应变 速率 （, - ） 平面 （ - ） 平面 位错柏氏矢量位错柏氏矢量孪晶柏氏矢量 ,- ’L;［ - ］ ， ［ - - ］ ［ - - ］ ［ - ］ 无 M,,L; ［ ］ ，［ - ］ -［ ］ ,,L;［ - ］ ， ［ - - ］ ，［,,］-［ ］ ， ［ , ］ ’’,,L;［ - ］ ， ［ - - ］ ，［,,］- - 注 其中 ［,］ 位错是由 ［ - ］ 和 ［ - - ］ 反应而形成的。 “多晶钨的变形机制 钨对应变速率非常敏感。在准静态载荷下， 变 形比较均匀， 主要的变形机制是位错滑移， 屈服强度 较动态载荷下低。随着应变速率的升高， 屈服强度 第 卷第 期 , , 年 月 有色金属 NFIG3AAF8; O3E; GG 温度下变形时， 多晶 表现为脆 性断裂， 很少或没有可见的塑性变形。在室温下对 多晶 进行拉伸变形， 沿晶断裂之前很少产生塑性 变形。随着温度的升高， 由于材料的形变硬化速率 下降， 多晶 的屈服强度和极限抗拉强度都单调下 降。在高温下， 多晶 呈现出很好的塑性， 与其他 金属类似， 出现与加载轴向成 *-O角均匀分布的滑 移带。1L3 等人 ［8］ 研究粉末冶金 （D /） 和电弧熔炼 （PD /） 钨的性能， 两者在 ;H..Q 温度时发生改变， 在低于该温度时， D / 钨的强度比 PD / 钨高， 在高 于该温度时， D / 钨的强度比 PD / 钨低。可能有 两方面的原因 第一， 在高温下， 位错密度与晶界面 积呈反比， 大晶粒尺寸的材料比小晶粒尺寸的材料 显示出更高的位错密度和更高的强度； 第二， 在超高 温下， 晶界滑移使晶界成为强化源而不是弱化源。 “钨合金的变形机制 在较低的温度下， 钨合金的变形机制为位错滑 移， 随着温度的升高和固溶原子含量的增加， 其变形 机制逐渐转变为晶界滑移。原因主要有两个 第一， 固溶原子的增加引起钨合金的熔点降低； 第二， 高温 下， 原子扩散增加， 固溶原子对位错的钉轧作用减 小。1L3 等人 ［9. C 9;］在研究 ERJ 和 E4EG7“ ; 合 金时发现， 随着固溶原子的增加和温度的升高， 螺型 位错将发生交滑移， 晶界滑移逐渐成为主要的变形 机制。在恒温下， 随着应变速率的升高， 加工硬化率 不断增加， 钨合金的强度也不断增加。在绝热下， 随 着应变速率的升高， 材料自身温度升高， 发生软化。 S0A0I 和 40567 ［9H］研究 ETU 合金变形机制时发 现， 在低应变速率 （98 V 9.HD6） 作用下， 材料应变率 在 ;.W时发生断裂， 但在高应变速率 （ X *8 V 9.HD 6） 作用下， 材料应变率在 *.W时还未断裂。 ;钨及钨合金的断裂机制 “钨单晶的断裂机制 单晶钨显示出两种不同的断裂方式（9） 完全的 塑性断裂， 先缩颈， 后发生细小的刃端断裂；（;） 部分 呈塑性断裂， 而另外部分经塑性变形后， 在｛ 9..｝ 平 面上劈裂， 然后造成断裂， 或者是由沿孪晶界面劈裂 和破断共同引起断裂。 “多晶钨的断裂机制 多晶钨中的裂纹可能存在许多类型 材料中预 先存在的裂纹； 由于杂质元素在晶界处偏聚， 引起晶 界弱化， 因此裂纹在晶界处盟生， 尤其在三晶界交叉 点， 如图 9 所示； 裂纹由孪晶引起， 当孪晶交叉点位 于｛ ..9｝ 平面时裂纹将形核； 裂纹在孪晶界形成， 随 后裂纹扩展到整个孪晶区。开始这些微裂纹扩展方 向不定， 随着应变速率升高， 微裂纹和大裂纹不断增 加， 裂纹沿加载方向呈直线长大， 直到断裂。 图 裂纹在三晶界交叉点处产生 ［］ YZ9NJ06 Z2J0’A 2 0A[02’ 3U ’7J ZJ02 M3L2A0J6 轧制钨在低应变速率作用下主要为沿晶断裂， 随着应变速率的升高， 逐渐向穿晶断裂转变， 其断裂 模型如图 ; （0） 所示。退火钨由于脆性析出物在晶 界的析出使晶界变脆， 在高应变速率作用下， 晶界发 生脱粘， 导致沿晶脆性断裂， 其断裂模型如图 ; （M） 所示。 “钨合金断裂机制 在较低的温度下， 固溶原子对位错的钉轧起到 强化作用， 钨合金的断裂模式主要为穿晶断裂， 随着 温度的升高和固溶原子含量的增加， 断裂模式也逐 渐转为沿晶断裂， 如图 H 所示的是 G0E 合金的沿 晶断裂模型。 K 有色金属第 -B 卷 万方数据 图 钨的几种断裂模型 ［“］ “ 界面断裂、 粘结相界面开裂、 粘结相的延性 断裂。 材料大多是脆性断裂， 但 材料， 则发 生塑性断裂。在对 的 ;AB;CAD,E 材料 进行拉伸试验时， 呈现典型的韧窝断裂模式 ［FC］ 。在 G-E4 复合材料中， 出现 、 G-E G-E 及 G-E 三种界面。由于 界面结合比较弱， 将产 生沿晶断裂， 如图 H （.） 所示。在 G-E G-E 界面上产 生较大的应力集中， 在制备过程中此界面上就会产 生裂纹。而在 G-E 界面上产生了 （G-， ） E 固溶 体， 提高了界面的强度， 因此在外力作用下， 将在 晶粒中产生穿晶断裂， 如图 H （6） 所示。 图 .887 图 *,-. 复合材料的高温断裂模型 ［“/ 0 “1］ （.） I “2/--.208.- ,-.’/0- , ; “2/-,.’； （6） I /-.21’-71/.88“2 ,-.’/0- “H-.’/0- *31 , G-E4 ’*41“/ ./ 8J./3 /*4-./0- 钨合金的强化机制 2“固溶强化 固溶强化主要来源于固溶原子与位错之间的相 互作用， 其中主要有弹性交互作用、 模量交互作用、 化学作用、 静电相互作用、 位错与有序分布的溶质原 子间的相互作用及位错与空位同溶质原子间的相互 作用 A 种强化机理 ［FN］ 。主要研究了 B， ， O6， P 第 F 期张太全等 钨及钨合金的变形、 断裂及强化机制研究综述 万方数据 “， 等元素对 的固溶强化作用。如图 38 2 8;329 8;94;9 ;948;9 “28 ’弥散强化及沉淀强化 弥散强化包括直接强化和间接强化作用。直接 强化主要来源于位错与弥散颗粒的相互作用。位错 攀移绕过颗粒机制， 在颗粒周围形成 A“B“9 位错 环。位错切过颗粒机制， 扩大颗粒C基体界面的面 积， 增加界面能， 使材料得到强化。颗粒对位错的钉 扎作用， 阻碍位错滑移。D3 等人 ［EF］ 详细研究了 ’G 合金中位错与颗粒的相互作用， 几乎没有发 现位错切过颗粒及形成 A“B“9 位错环， 其主要强 化机制是颗粒对位错的钉扎作用， 位错在颗粒周围 缠结， 阻碍位错滑移。D2 等人 ［--］详细研究了 ’AE合金中 AE颗粒对合金高温拉伸性能的 影响， 发现 AE颗粒能够阻碍再结晶， 保持合金的 结构稳定， AE颗粒和基体之间模量错配引起强 化， AE颗粒和附近基体之间的不均匀变形引起 强化。 弥散强化的间接强化主要是由于亚晶粒的形成 引起的。H“I ［E-］研究 ’G 合金中亚晶粒的 形成， G 颗粒与由高密度位错网组成的亚晶粒相 互作用提高合金的高温蠕变强度。JB“94等人 ［EE］ 研究发现在 K’F5ELG 合金中有亚晶粒、 四边 形及六边形位错网， 这些都起到强化作用。随着温 度的升高， 原子扩散速率加快， 位错网的解锁， 弥散 颗粒尺寸增大， 强化效果下降。 刘志国等人 ［EM］ 也研究了 3*E颗粒增强 .3 , 合金， 3*E颗粒和新生成的 2E*E相弥散地分 布在基体相中， 起到了弥散强化和沉淀强化作用。 2 合金中析出细小的 2M 相， 起到沉淀强化作 用 ［EK］ 。 ’’气泡强化 高温下应用的材料， 要求具有较高的蠕变强度 和结构稳定性 （例如抵抗再结晶的能力） ， 对钨进行 合金化的目的之一就是提高其再结晶温度。例如 掺钾的钨合金用于白炽灯丝， 使钨的再结晶温度提 高大约 EFFJ。由于钾气泡和钨之间的界面能较低， 有效地阻碍了晶粒粗化动力， 阻碍了再结晶。钾气 泡阻止或拖曳晶界滑移， 晶界发生弯曲和扭折。钾 气泡也对位错有钉扎作用。这些都提高了灯丝的强 度 ［E2 43. 6.4 ’2837;812;181.97;607 ［ .9.2 43. 3/ LM ;181.97;;1;P6 ;600 6;2 43. 3/ LM ;181.97;3. ［ 6 Y2 0445106 _6 1;3 501057 135;678057 560106，3 -6Y.;3 3X 1;1 1;3 -6Y.;3 501057 135;678057 560106 ,6 3 36633105 6 .536782； R/Y[0 772；.X3 5YO068；.X3 -3177/82；70 7/106 A 有色金属第 D“ 卷 万方数据