鎢基高密度合金的研究進展

鎢基高密度合金的研究進展

也被稱為高比例合金或高比例合金。它是一種由債券狀結構組成的材料。它是由債券狀結構組成的建筑材料。它是由債券狀結構的銅、銅或銅、鐵等形成的。高密度鎢基合金由于其密度高、強度高、延性好、韌性好、熱膨脹系數小等一系列優(yōu)異特性而被廣泛應用于信息、能源、冶金、航空航天、國防軍工和核工業(yè)等領域。進入21世紀后,隨著科學技術的發(fā)展,高密度鎢基合金材料不僅在國防軍工、航空航天等領域發(fā)揮更重要的作用,同時,在電子信息、環(huán)境、能源和動力機械中的用量也將大幅度提升。隨著信息、能源、環(huán)境、國防軍工等行業(yè)的快速發(fā)展,對材料的性能提出了更高更多的要求。因此,如何在現有基礎上提高材料的綜合性能已成為材料工作者關注的首要問題。材料工作者采用各種方法(如形變強化、優(yōu)化工藝條件、添加合金元素、細化鎢晶粒等)來提高材料的綜合性能。但到目前為止,高密度鎢基合金的制備大多采用粒度為微米級(2~6μm)鎢粉和幾個微米至幾十個微米的合金元素粉末(如Ni、Fe粉)混合、成形后燒結而成,合金晶粒組織粗大,即使采用添加微量合金元素(如Mo、Re等)也不能有效地細化晶粒組織,因而合金性能不能顯著提高。采用原始粒度很細的超細粉末或納米級粉末可以在很大程度上控制合金的顯微結構。美國Rutgers大學成功地制取了納米WC-Co復合粉末,其粒徑小于50nm。用這種粉末制取的硬質合金其晶?？梢约毣?.15μm,比傳統(tǒng)硬質合金的WC晶粒細化十倍以上,綜合力學性能得到顯著提高。采用納米W-Ni-Fe復合粉末可以大大細化晶粒和提高合金的力學性能,細晶鎢基高密度合金的抗拉強度可達1700MPa,相當于傳統(tǒng)鎢基合金的兩倍。因此超細粉末特別是納米級粉末是21世紀最為熱門的新型材料之一,受到了許多材料科學家和工程技術人員的高度重視。1關于銀基金材料的研究1.1球形銻系統(tǒng)材料的成分對材料的性能具有決定性的作用,鎢基高密度合金的典型組織為球形鎢顆粒(W相)分布在粘結相(γ相)中,兩相之間通過在燒結過程中原子的相互擴散而結合在一起,相的性能及不同相之間的結合情況決定了合金整個系統(tǒng)的性能。(1)不銹鋼的拉伸和拉伸合金中鎢的含量會顯著影響合金的各種性能,隨著鎢含量的增加,合金的密度和抗拉強度會有所增加,但合金的伸長率會明顯下降。鎢的質量分數一般在80%以上。在實際應用當中,若要合金具有好的綜合性能,W含量一般控制在90%~97%之間。(2)ni/fe比對w-ni-fe合金的影響在W-Ni-Fe合金中,Ni/Fe比對合金性能影響很大,當Ni/Fe比例不合適時,易生成金屬間化合物脆性相。采用合理的成分比例和工藝路線可以防止脆性相的產生,如樣品在降溫階段在一定溫度快速冷卻就可以避免產生Ni4W脆相。同時,根據Ni-Fe二元相圖(圖1),Ni含量為69%時,液相線和固相線最接近,且產生液相的溫度最低(為1436℃),因此在1436℃點冷凝可以避免基體相中“晶內偏析”的現象出現,故一般W-Ni-Fe合金均采用Ni/Fe=7/3,典型的合金有90W-7Ni-3Fe、93W-4.9Ni-2.1Fe、95W-3.5Ni-1.5Fe、97W-2.1Ni-0.9Fe等。決定最佳Ni/Fe比的因素有:(1)組織中是否出現金屬間化合物脆性相;(2)W與粘結相界面結合強度的大小。通常認為,當Ni/Fe比大于7/3時,在粘結相中溶解大量的W,易形成Ni4W脆相;而Ni/Fe比小于3/7時,由于Ni太少而不能很好地致密化,且Ni/Fe小于1/1時,合金中易出現脆性的μ相。所以Ni/Fe比一般要控制在2~4之間,這樣合金的強度和延性都較好,并且隨著Ni/Fe比的增大,Ni在粘結相中的固溶度和鎢晶粒度稍高一些,合金的塑性提高,強度降低了。(3)增強w-ni-fe-co合金的力學性能W-Ni-Fe合金中通常添加的元素有Co、Mo、Ta、Mn、Cr及稀土元素等。1)Co:Co是一種非常有用的添加元素,許多牌號的W-Ni-Fe合金中均含有Co,Co能改善W-Ni-Fe合金的潤濕性。周國安等人運用潤濕儀測定了加入Co后粘結相對鎢顆粒的潤濕角,其不同成分的粘結相對鎢顆粒的潤濕角如表1所示。從表中可以看出:在合金中加入微量Co元素后,粘結相對鎢顆粒的潤濕角顯著降低。另外,從Ni-Fe-Co三元相圖中可以看出,三元共晶的溫度點為1375℃,降低了液相形成的溫度。再由合金組元的電子組態(tài),Ni、Fe、Co的4s層自由電子都已填滿,但在3d層上未被填滿,具有獲得外來自由電子而被填充的傾向,而鎢在5d層上的自由電子離原子核遠,自由電子具有逸出傾向。因此產生了自由電子的交互作用,Co的加入增強了這種交互作用,改善了鎢與基體相之間的界面結合力。白淑珍等人研究發(fā)現,Co在W-Ni-Fe高密度合金中可與基體相相互作用,起到協(xié)同強化燒結的效果,在較低的溫度下燒結,可大大提高合金的強度和延性。2)難熔金屬元素:難熔金屬Mo、Ta、Re、Nb等與W互溶,在合金中起固溶強化作用,可強化W基體,限制W在粘結相中的溶解,細化W晶粒。羅述東通過添加Ta等元素,來強化W顆粒,使合金性能有所改善。Mo部分取代W可以使合金的強度提高到1000MPa以上,硬度也有所提高,但因固溶強化的結果,使得合金的延性有所下降。3)Mn:在W-Ni-Fe合金中,加入適量的Mn可提高合金的塑性和韌性,因Mn與O、S等雜質元素在合金相界上生成穩(wěn)定的中間相而具有凈化晶界的作用,提高了W-粘結相界面結合強度,提高了合金塑性和韌性。4)Si、Na:周國安等人添加Si、Na元素來研究Si、Na對W-Ni-Fe合金界面結構的影響作用,以改善力學性能,合金拉伸時W顆粒周圍應力分布呈三維冠狀,并通過數學模型給出了定量計算。葛榮德等人在W-Ni-Fe合金中加入少量的Si,在液相燒結過程中發(fā)生氧化-還原反應,使合金中W晶粒與粘結相界面處的WO3薄膜消失,對合金的抗拉強度、伸長率、沖擊韌性都有明顯的改善。5)Al、Ti:Al、Ti能在粘結相中沉淀析出,形成硬的γ′相,有彌散強化作用,從而提高合金的性能;還可明顯降低鎢合金中氧的含量,減少氧在晶界上的偏析,因而改善了合金的性能。6)Cr:Cr可改善合金的塑性和抗氧化能力,加入到合金中的Cr首先存在于(Ni,Fe)粘結相內,提高擴散溫度,Cr也在W中固溶并形成針狀組織。隨著Cr含量的增加,合金的抗氧化性能將會提高,原因是表面形成了氧化膜,加入Re、Si等元素也可提高合金的耐蝕性和抗氧化性。7)在W-Ni-Fe合金中,加入1%Sn可將燒結溫度降低200℃左右,抗拉強度和熱膨脹系數都得到大大提高,獲得了較好的綜合性能以滿足所需的環(huán)境。B4C和B可提高W-Ni-Fe合金的抗震性和斷裂韌性,合金的高溫顯微硬度也明顯提高。HfC、ZrC等碳化物可通過彌散強化和固溶強化提高合金的力學性能。在W-Ni-Fe-Co合金中,加入少量的TiB2,TiB2與Co作用,生成CoW2B2相,促進了合金早期的致密化,混合粉末經高壓成形后在1350℃燒結,合金的相對密度可達96%以上。8)微量稀土元素:稀土元素與S、O、H、P等非金屬元素具有很強的親和力。稀土元素La、Y、Ce的加入,可起到明顯細化W晶粒的作用;并將改變雜質元素的分布或降低雜質元素的含量,減少雜質元素在界面上因偏析而帶來的危害作用,改善合金材料的界面結合狀態(tài),提高合金的強度和韌性。如添加0.05%的La和Ce可提高彈用鎢合金的動態(tài)性能,能使93W-Ni-Fe合金在高應變率(>102)時的強度和塑性均高于不添加的,經過鍛造后,合金的動態(tài)性能比不加的要高出60%-150%,這種性能非常符合彈體設計的前硬后韌的要求。9)微量稀土元素氧化物:Y2O3、CeO2、ZrO2、La2O3、ThO2、V2O3等能在合金中彌散分布,實現彌散強化,提高合金的強度和硬度,但會降低合金的延性。Y2O3則能夠很好地細化W晶粒,并隨著其添加量的增加,晶粒尺寸減小,細化效果更為明顯。添加后合金的力學性能略有下降,強度和伸長率分別從940MPa,30%下降到883MPa,18.4%,但其在高溫(800℃)下的力學性能和高應變率下的力學性能都有很大的提高,特別是更加容易形成絕熱剪切帶,使合金產生“自銳化”效應,提高穿甲能力。(4)沉淀相+相強化一般認為鎢合金中鎢顆粒與基體界面對析出相比較敏感,認為有沉淀相析出會導致合金性能下降,但近幾年來,部分研究者開始采用不同方法來利用沉淀相析出達到強化效果,并取得了較好的進展。CheynetMC等人研究了通過添加Al、Ti在基體中時效產生γ′相來強化合金。劉志國等人通過添加TiB2成功地制出了新型W-Ni-Fe-TiB2合金,在掃描電鏡下發(fā)現含TiB2的合金相對密度和硬度都更高,于是推斷TiB2對材料的粘結相可能起到了強化作用。(5)c、n、o、p、si高密度鎢合金中的雜質元素包括氫、氧、碳、硫、磷等,由于這些元素的原子半徑小,在合金中具有很強的擴散能力,因而比較容易在晶界、相界等能量高的位置發(fā)生偏聚,甚至形成脆性相,削弱合金中界面結合強度,降低合金的力學性能。在這些雜質元素中危害較大而且目前研究較多的是H2,試樣在H2氣氛或含H2氣氛中燒結時,有一部分H2殘留在燒結體中,造成氫脆?，F在消除氫脆的主要方法是,材料在氫氣中燒結后再進行真空熱處理或直接真空燒結。P是對鎢合金危害較大的另一種元素。鎢合金中的P很容易偏析到W/粘結相界面上使合金脆化。研究表明,當試樣從燒結溫度緩慢冷卻時,合金中發(fā)生嚴重的P偏析現象。P在燒結態(tài)鎢合金中均勻分布在相界面上,且當斷裂沿界面發(fā)生后,P主要分布在粘結相一側,并認為合金中P含量超過其在W相(0.0055%)和Ni-Fe相(0.01%)中的極限溶解度時將發(fā)生P的偏析和磷化物的沉淀。C是一種使合金的塑性和強度均下降的元素。當C的含量超過0.001%時就可使合金的塑性下降。研究表明,當平均C含量超過一定限度時,90W-Ni-Fe合金在緩冷的條件下將在鎢顆粒周圍形成(Ni,Fe)6W6C型金屬間化合物,這種析出相與合金中的碳含量和冷卻速度有關。O和C一樣,是一種含量超過一定限度時就可使合金的塑性和強度下降的元素。氧能夠降低鎢顆粒與液相粘結相的潤濕性,且與其他元素結合使合金變脆。高兆祖等對95W-3.5Ni-1.5Fe合金在1510℃氫氣燒結后并進行真空熱處理,發(fā)現氧含量較低(0.016%)的合金力學性能較好,抗拉強度為974MPa,伸長率為18.3%,而氧含量高(0.066%)的合金抗拉強度僅為640MPa,并發(fā)生脆性斷裂,且殘氧主要集中在相界面及夾雜、孔洞處。此外,N在鎢合金中也有害。當采用N2作為保護氣氛進行燒結時,由于N2在粘結相中的低溶解和低擴散導致N2殘留在合金中,合金中始終有殘余孔隙而引起合金性能降低。雜質使得晶粒間粘結力減弱,導致晶間斷裂,使材料脆化。根據電子結構和能量方面的基本原理并結合半經驗的分析:N、O、P、S和Si使晶粒間粘結力弱化導致晶界“松散”。為了消除、N、O、P、S、Si等雜質的有害影響,可以通過加入諸如Ti、Y、Mo、Zr、Hf、La、Mn等元素,使之與有害雜質形成更穩(wěn)定的化合物相,改善其分布狀態(tài),減少它們在固溶體中的濃度,從而抑制其在W/粘結相界面上的偏析,提高材料強度和塑性。對于P、S等還可以通過熱處理水淬等工藝來消除其有害作用。雜質元素對合金性能的影響不僅與其含量有關,更重要的還和雜質元素在合金中的分布狀態(tài)有關。當雜質含量一定時,其在合金中的分布狀態(tài)主要取決于合金的燒結工藝。因此在一定范圍內通過優(yōu)化合金制備工藝和后序熱處理工藝,對抑制雜質元素的有害作用具有重要意義。1.2專門研究和開發(fā)聚金材料(1)w-ni-cu改性粉末的燒結工藝采用化學復合、二次熱解還原粉末、二次濕法包覆粉末和共還原法可制得粒度細、成分均勻、分散性好的W-Ni-Cu高活性復合粉末,其燒結溫度可降低到1320℃,而一般傳統(tǒng)的90W-Ni-Cu合金的燒結溫度為1420-1450℃,利用改性粉末及一系列新技術可較好地完成高均勻度、大膨脹系數高密度合金的研制,這一成果已在有關軍事工程中得到應用。該成果1996年獲得了國家科技進步獎。(2)進行實驗生產通常W合金采用的成形方法是模壓和等靜壓成形,一般成形壓力在100-200MPa,壓坯的相對密度在50%-70%,且由于鎢合金一般采用液相燒結,所以除了高W含量的合金外,壓坯密度對燒結后產品的性能影響不大。但是為了制備復雜形狀產品,并減少切削加工量以降低成本和節(jié)約資源,粉末的近凈成形在W合金的制備中得到了廣泛應用,如采用擠壓成形的方法生產W合金球以及線材、棒材等,采用注射成形方法生產W-Ni-Fe高密度圓壞等異形產品,并對它們的制備工藝(主要是粘結劑、脫脂和燒結)和機理進行深入的研究。粉末擠壓成形一般都不是對金屬粉末直接進行擠壓,而是把金屬粉末與增塑劑混合后放在擠壓模中進行擠壓。增塑劑的作用一方面使粉末顆粒粘結在一起;另一方面是降低金屬粉末壓塊的屈服點以增加塑性和減小壓坯與模壁和擠壓嘴之間的摩擦系數,因此希望增塑劑在粉末中分布得越均勻越好。注射成形是形狀復雜的粉末冶金部件的精密成形技術,一直是近10年來粉末冶金成形技術研究的熱點。注射成形技術于1930年問世,80年代初,隨著塑料注射成形技術的快速發(fā)展,以及金屬粉末零部件、形狀復雜的陶瓷發(fā)動機零部件等高難度成形部件的制備技術的發(fā)展,使注射成形技術在粉末冶金工業(yè)中得到了廣泛的研究和發(fā)展。注射成形是一種近凈尺寸成形技術,可成形形狀復雜、尺寸精確、表面光潔度很高的產品,且自動化程度高,適應大規(guī)模生產,是一種生產復雜零部件的方法。由于粉末近凈成形特有的優(yōu)勢,因此具有廣闊的應用前景。(3)燒結溫度對燒結效果的影響燒結是制備合金材料的最后一道工序,也是決定合金材料性能優(yōu)劣的關鍵工序。由于鎢合金的燒結是典型的液相燒結,因此自從鎢合金問世以來,人們就對它的燒結溫度、保溫時間、升溫降溫速度、燒結氣氛、重力的影響等進行了大量的研究。鎢基合金一般采用的燒結溫度在1460-1550℃之間,能量消耗大,產品易于變形,不利于提高合金的力學性能。1試驗燒結與氫脆在實際生產和科研中氫氣是最典型的氣氛,所以鎢基合金一般在氫氣中進行燒結,在真空中燒結時,其密度比在氫氣中的要高,采用氮氣或氬氣保護燒結時,合金的孔隙度較大,密度較低。German等人的研究表明:93W合金在H2氣氛中于1460℃燒結30min后,再在Ar氣氣氛中燒結10min有助于氣孔脫氣并消除氫脆,從而獲得優(yōu)越的性能。H.Hofman等人也發(fā)現,在燒結后期降低燒結氣氛中氫的分壓可以獲得低氫含量的合金。FarrooqS等人還研究了氫氣露點對合金性能的影響,發(fā)現氫氣露點越高,合金內氣孔減少,合金的燒結密度和伸長率越高,從而認為用濕氫比用干氫更有利于獲得優(yōu)良的合金性能。BoseA等人認為真空燒結的合金性能明顯優(yōu)于氫氣中燒結的合金,但真空下長時間燒結會引起粘結相的蒸發(fā),從而使合金的成分改變并致使合金性能下降。高兆祖等人也研究了氧含量對W-Ni-Fe合金組織和性能的影響,得到了相似的結論。2試驗過程中鐵的燒結溫度燒結溫度和保溫時間對合金的均勻性有很大的影響。當燒結溫度偏低或保溫時間過短時,粘結相不能有效地將鎢顆粒包裹起來,粘結相分布不均勻。German指出:燒結溫度過低,合金難以燒結,燒結溫度過高,不僅會使合金出現過燒而且使鎢晶粒過分長大,致使合金的力學性能降低;合適的燒結溫度會適當增加鎢在粘結相中的擴散和固溶,一方面可以適量增加液相的量,提高合金的密度,另一方面使鎢晶粒球化,提高合金的力學性能。一般認為高密度鎢合金的最佳燒結溫度為1450-1500℃。鎢含量高的合金燒結溫度也應略微高些。從致密度來講,在液相燒結開始15-30min時間內合金已大部分致密化,實際燒結時間一般在90-120min,時間太長可能引起晶粒迅速長大,降低合金的性能。3冷卻速度對鋁合金力學性能的影響近年來的研究表明冷卻速度對合金性能的影響主要與合金中雜質元素的偏析、金屬間化合物的沉淀和氫脆等因素有關。慢冷有利于避免氫脆,而快冷則有利于控制雜質元素的偏析和金屬間化合物的沉淀。對于某種成分的合金來講,基體冷卻時所形成的組織基本上就決定了合金的性能。Thae-KhappKang等的研究表明,冷卻速度對90W-7Ni-3Fe合金力學性能的影響很大,其中除了有孔洞形成而帶來的影響外,保護氣氛也起一定的作用?？锥赐ǔＴ谀驎r產生,基體孔洞的形成有兩種可能:游離氣體析出或基體相的體積收縮在固態(tài)W晶粒旁形成孔洞。4高能球磨燒結范景蓮等人對高密度鎢基合金的燒結及二步燒結工藝進行了研究,將高能球磨形成的W(Ni,Fe)預合金粉末壓坯在1400℃燒結,相對密度可以達到98.2%-99%,在1440℃燒結可近全致密,因此可以有效地控制注射成形制品在燒結中的變形,試樣抗拉強度和伸長率都較傳統(tǒng)合金有所提高。采用二步燒結工藝可提高尺寸精度和合金性能,采用超高壓成形可以大大增加顆粒的形變,提高體系的應變能,降低燒結溫度。將W、Ni、Fe各種元素粉末按一定的配比并采用高能球磨,可以實現各元素粉末的預合金化,使晶粒大大細化,并產生大量的晶格畸變和形成超飽和固溶體,促進燒結致密化,在較低的燒結溫度下可以達到近全致密并可望得到高性能的合金。SongSoonH.等人對于高能球磨后的93W-5.6Ni-1.4Fe復合粉末在1300℃燒結1h后,再在1445-1485℃燒結一定時間,可以得到晶粒細小(W晶粒6μm)、性能優(yōu)異的鎢合金材料。RyuHoJ.等對高能球磨后的93W-5.6Ni-1.4Fe復合粉末在1300℃燒結1h,相對密度達到99%,抗拉強度達到1100MPa,W晶粒度在3μm,證明對高能球磨形成的活化粉末采用低溫燒結是切實可行的。(4)增強了不銹鋼的界面結合力對高密度合金燒結后處理主要是真空退火、時效處理和熱機加工處理。張云廷等人對93W和95W的燒結態(tài)和真空熱處理態(tài)的鎢基界面元素的偏聚作了俄歇能譜分析,研究表明:經真空處理后鎢晶粒-基體界面鎢顆粒一側Ni、Fe元素含量增加,而雜質元素P含量明顯減少。由于在一定的真空熱處理過程中,鎢晶粒-基體界面上的W與Ni、Fe元素發(fā)生互擴散,造成鎢顆粒一側Ni、Fe元素含量增加,從而增強了鎢合金的界面結合力,提高了合金的性能。DowdingRJ等人研究了高密度鎢合金的應變時效,90W合金在700℃時效1h,可使強度由鍛造態(tài)的1136MPa增加到1230MPa,合金的伸長率由10.8%增加到12.2%;93W合金在600℃時效1h可使合金強度由鍛造態(tài)的1200MPa增加到1358MPa。擠壓、旋鍛是常采用的兩種后加工形式,通過擠壓、旋鍛加工,燒結合金可使W顆粒被高度拉長,形成纖維狀組織,從而大大提高合金的拉伸性能,經旋鍛后的合金抗拉強度可達1500MPa以上。WendyL.及HogwoodMC對93W-5Ni-2Fe棒材進行500/900℃熱處理,多次循環(huán)變形加工和熱處理,使試樣內部的組織發(fā)生很大變化,如產生纖維狀和網狀組織,強度得到了大幅度提高,屈服強度達到1810MPa,抗拉強度達到1850MPa。(5)底金熱對純金的動態(tài)加載對于傳統(tǒng)鎢基合金機理的研究大多集中在斷裂機理、破壞機理和致密化機理,近十年研究者們對鎢基合金動態(tài)加載下失效機理進行了研究,特別是對鎢基高密度合金在動態(tài)加載下絕熱剪切帶的形成機理進行了研究。1低熱值重合金的斷裂過程高密度合金的性能與其斷裂方式有著密切的關系,高密度合金的斷裂方式有四種:鎢顆粒的解理斷裂;鎢顆粒-鎢顆粒界面斷裂;鎢顆粒-基體相界面的斷裂;粘結相的延性斷裂(延性撕裂)。鎢-鎢界面結合力最弱,裂紋一般在此產生。隨著鎢顆粒解理斷裂和粘結相延性撕裂的增加,合金的強度和伸長率都得到相應的提高。在高密度合金中,鎢相體積含量、鎢顆粒大小、金屬間化合物在界面上的析出,以及C、H、O、N、P、S等雜質元素在界面上的偏析,對合金的斷裂方式均有很大的影響。鎢相體積的增加,鎢顆粒-鎢顆粒界面接觸增多,鎢顆粒增大和界面偏析都會使得鎢顆粒-鎢顆粒界面和鎢顆粒-粘結相界面斷裂增加。采用真空熱處理、添加Y、La等微量元素和采用固溶強化處理來消除界面雜質的偏析和避免脆性金屬間化合物的生成等,都會使鎢顆粒和粘結相的界面結合力增強,鎢顆粒解理斷裂增加,合金強度、延性和斷裂韌性大大提高。2熱機械疲勞破壞機理高密度合金除了在機械應力狀態(tài)下需要高的力學性能外,在高溫狀態(tài)下使用時,還需要較好的抗腐蝕性和抗熱疲勞性能,尤其作為電熱鐓粗用的砧塊材料時,電鐓溫度高達900-1150℃,鐓粗壓力為180-250MPa,砧塊面承受著巨大的熱機交變應力,同時由于環(huán)境條件的作用,砧塊還承受著空氣的腐蝕作用,導致了砧塊的破壞。其破壞機理有三種:一是高溫下,合金表面的W、Ni、Fe、Mo等元素發(fā)生氧化、蒸發(fā)以及由于電流作用產生強烈的電子遷移而導致腐蝕破壞,在砧塊工作表面出現蝕坑,裂紋在此萌生并擴展;二是在加熱和冷卻過程中因熱膨脹冷卻收縮不一致而產生熱機械疲勞裂紋所導致的熱機械疲勞破壞;三是由于腐蝕/熱機械疲勞的交互作用,一方面物質的氧化促進了熱機械疲勞裂紋形核;另一方面裂紋形核和擴展促進了內部物質氧化和遷移。在這三種破壞方式下,裂紋沿晶界擴展,相互交叉形成網狀的龜裂裂紋。3高密度合金的致密化高密度合金在液相燒結過程中發(fā)生嚴重的變形。正確認識和研究高密度合金的致密化機理對指導和改進工藝以及控制高密度合金的變形很重要。傳統(tǒng)的液相燒結理論認為:高密度合金在固相燒結中不會發(fā)生明顯的致密化,在液相燒結中,由于液相的生成,鎢顆粒迅速發(fā)生重排,通過溶解-析出,鎢顆粒形狀調整而發(fā)生全致密化。而現代燒結理論認為,高密度合金在固相燒結階段由于缺陷增生和缺陷的相互作用,合金相生成所形成的擴散驅動力以及孔隙遷移、擴散引起表面能減少等綜合作用,而發(fā)生了大部分的致密化,W顆粒接觸平整化,形成連通的W骨架;在隨后的液相燒結過程中,液相的生成和孔隙的填充而達到全致密化。4試驗件材料分析本結構材料的表現在外絕熱剪切帶(ASB)實際上是一個剪切變形高度局域化的窄帶形區(qū)域,寬度一般為1-102μm。在ASB內可以產生101-102量級的剪切應變,應變速率可高達105-107s-1,溫升可達102-103K。所謂“絕熱”,其實是一個近似的說法,由于材料的高速變形,變形過程的時間又很短,在如此短的時間內,絕大部分(90%左右)的塑性功轉化為熱量并且來不及散失,所以近似認為在這樣高應變速率下的變形過程為絕熱過程。絕熱剪切是材料在沖擊載荷下的一個重要現象,是一種獨特的局部失穩(wěn)現象,它與材料失效有著密切的關系,材料構件出現ASB即意味著材料的承載能力的下降或喪失,被認為是材料失效的前兆。如對于裝甲材料來說,絕熱剪切就是其主要失效形式之一。而在制造動能穿甲彈的材料時,就要求有強的剪切失穩(wěn)和變形局域化敏感性,從而在穿甲、侵徹過程中出現“自銳化”現象。以前認為粉末冶金鎢基合金是絕熱剪切很不敏感的材料。但最近的研究發(fā)現鎢基合金的絕熱剪切不敏感性是相對的:一方面,材料的微觀結構(如鎢顆粒的形狀、空間取向)對材料的變形、破壞和變形局域化機制具有重要影響。如果最大剪切應力的方向和鎢顆粒的取向一致,則失效是鎢顆粒脆性斷裂、粘結相破壞、鎢-鎢界面分離和鎢-粘結相界面分離等幾種破壞機制共同作用的結果;如果最大剪切應力的方向和初始鎢顆粒的取向有較大夾角,鎢顆粒將出現絕熱剪切變形局域化,此時鎢顆粒的劇烈變形和破壞是鎢合金失效的主要機制。另一方面,受力狀態(tài)對材料的變形也有一定的影響。鎢合金在一維應力沖擊條件下(高應變率、大應變)呈均勻變形,很難觀察到微裂紋、微孔洞和絕熱剪切帶的出現;而在啞鈴形和階梯形圓柱試件中,即使在很小的沖擊強度下,也會在應力集中處出現絕熱剪切帶,應力分布對絕熱剪切帶的形成具有重要影響。啞鈴形試件的細段由于受兩端約束,剪切帶不易擴展,很難導致試件的整體破壞;而在階梯形試件中剪切帶受單面約束,易于擴展,最終導致試件的整體斷裂,裂紋