大变形锻造钨合金冲击韧性和断口组织特征研究_齐志望

冲击韧性代表材料抵抗裂纹形成及扩展的能力，是一个与强度和延伸率有关的综合性指标，国内外大量的研究表明［1-4］：钨合金经过大变形锻造工艺后，材料的强度随着变形量的增加基本上呈线性增长趋势，延伸率则随着变形量的增加而缓慢降低。

对于传统锻态钨合金（变形量小于20%，抗拉强度1200MPa ，延伸率在10%左右）的冲击韧性，人们已认识的比较深入，主要有以下规律：冲击功a k 随钨含量的升高而降低；变形态钨合金冲击韧性低于未变形态；冲击韧性随试验温度降低而降低。

为摸清大变形强化钨合金在强度大幅度提高的同时对冲击韧性的影响规律，作者拟针对93W 合金开展不同锻造变形量对材料冲击韧性的影响研究，并对冲击断口形貌特征进行扫描电镜对比分析。

1试验方法研究用钨合金材料是通过粉末冶金方法制造的。

将符合国军标要求的W 、Ni 、Fe 等元素的粉末按一定的比例配粉，然后通过混粉、冷等静压成型、烧结、真空热处理制成真空态坯料（93W ，Ni/Fe 比为8∶2）。

锻造变形工艺是在四模单夹头卧式精锻机上进行，为达到研究所要求的40%~60%的较大变形量，采用小变形量、多次锻造的方法，以加热—锻造—退火为一个循环，进行多次循环锻造。

每个循环的锻造结束后，将棒坯进行锻间热处理。

锻造结束后，在箱式电阻炉中进行去应力退火，温度为500～700℃，时间为1h ，得到不同变形量的锻态坯料。

冲击韧性试验采用10mm ×10mm ×55mm 的标准无缺口冲击试样，在JB250型冲击试验机上进行冲击韧性试验，在S360型扫描电镜上观察拉伸试样的断口形貌。

2试验结果和讨论2.1变形量与常温冲击功的关系本试验中的变形量是按棒坯截面面积的缩减量计算的，不同变形量93W 合金的室温冲击功及对应的抗拉强度、延伸率见表1。

将表1中的变形量与冲击功关系绘制成曲线，见图1。

由表1可知，与变形量小于20%的传统锻态钨合金相比，随着变形量的增大，大变形钨合金的强度高出大变形锻造钨合金冲击韧性和断口组织特征研究齐志望1，贾洪生2，田开文1，黄伟1，尚福军1，史洪刚1，史文璐1（1.中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波315103；2二炮审价中心，北京100085）摘要采用锻造大变形工艺制备出各种变形量的93W 合金，开展不同锻造变形量对冲击韧性的影响规律研究，并对冲击断口进行SEM 微观形貌观察与分析。

研究结果表明，锻造大变形工艺使钨合金强度大幅度提高的同时，其冲击功有所降低；随着锻造变形量的增大，钨合金冲击断口的形貌特征由沿晶断裂为主逐渐转变为解理断裂，相应地锻态钨合金的冲击功呈下降趋势。

关键词钨合金；锻造；大变形；冲击功中图分类号TG146.4文献标识码A文章编号1004-244X （2010）03-0048-03Impact toughness of large deformation swaged tungsten alloy andfracture surface characteristicQI Zhiwang 1，JIA Hongsheng 2，TIAN Kaiwen 1，HUANG Wei 1，SHANG Fujun 1，SHI Honggang 1，SHI Wenlu 1（1.Ningbo Branch of China Academy of Ordnance Science ，Ningbo 315103，China ；2.Price Verification Center of the Second Artillery ，Beijing 100085，China ）Abstract Tungsten alloys with different deformation were prepared by swaging technology ，and the influence of deformation amount on impact toughness was studied.The fracture surface characteristic was observed and analyzed by SEM.The results show that the tensile strength of large deformation swaged tungsten alloy improves greatly ，but the toughness reduces.The fracture mode is changing from intergranular fracture into cleavage fracture with the deformation amount increasing ，and accordingly the impact toughness has a tendency of decrease.Key words tungsten alloy ；swage ；large deformation ；impact toughness收稿日期：2010-06-01；修回日期：2010-08-03作者简介：齐志望，男，硕士，高工；长期从事粉末冶金技术研究。

兵器材料科学与工程ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERINGVol．33No．6Nov.,2010第33卷第6期2010年11月第6期表1不同变形量93钨合金的力学性能Table 1Mechanical properties of 93W with different deformation 锻造变形量/%室温冲击功/J抗拉强度/MPa延伸率/%015710002760.6291530822.79912001343.4511476950.04315208约200MPa ，冲击功和延伸率显著降低。

由图1可见，随着锻造变形量的增加，钨合金抗拉强度升高而冲击功呈下降趋势。

当变形量较小时（约20%以下），冲击功下降最快，表明钨合金对锻造变形非常敏感，此时的钨合金材料正处于从韧性材料转变为脆性材料阶段，当变形量较大时（大于40%），冲击功下降的趋势变缓，此时材料韧脆转变基本完成，冲击功相对于变形量的增加敏感度下降。

2.2冲击断口的SEM 微观形貌观察与分析国内外大量的研究结果表明，大变形强化不仅提高了材料的力学性能，而且使材料组织结构产生了很大的变化。

圆球状的钨颗粒沿轴向被拉长，相应的钨颗粒间的基体相也被“压迫”呈狭长状，当变形量大于60%时，钨合金的组织变为细长的轴向分布的纤维状组织，如图2所示［3］。

根据以往研究成果，钨合金断裂基本上由W-W 界面分离、钨颗粒解理断裂、钨颗粒与基体分离、基体相的韧性断裂几种形式组成。

从钨合金材料的微观组织来看，材料中的界面主要有W-W 界面和W-基体相界面。

W-W 界面是材料中比较脆弱的环节，对材料的强度、塑性、韧性均有不利的影响。

W-基体相界面是应力从基体向颗粒传递的介质，在一定的变形量下，颗粒应力水平很大程度上取决于基体剪切强度，W-基体相界面强度的大小。

基体相是钨合金中的韧性相，其断裂强度主要取决于屈服强度和应变硬化指数的大小。

基体相在材料中的分布、形状、尺寸是影响材料强度等力学性能的重要因素，基体相起传递载荷和通过塑性变形延迟裂纹迅速扩展的作用。

钨颗粒是材料中强度最高的相，大变形强化钨合金的主要目的在于发挥钨颗粒高强度的优势，通过钨颗粒的纤维化提升其对材料整体性能的贡献比例，更加有效的抑制基体相的变形、开裂，延迟主裂纹的形成。

图3~6为真空退火态和不同锻造变形量的冲击断口样的SEM 形貌。

可以看出，真空退火态与在不同变形量下钨合金断口呈现明显的差异。

真空退火态钨合齐志望等：大变形锻造钨合金冲击韧性和断口组织特征研究49兵器材料科学与工程第33卷金的冲击断口，钨颗粒为球形，断口以沿晶断裂为主，如图3所示。

在变形量为20%左右的钨合金冲击断口中发现，钨颗粒虽仍是球形，但断口中韧性断裂特征已明显减少，解理断裂的数量升高，此时材料的强度得到一定幅度的提升，这可能与材料的失效形式有关，高强度的解理断裂形式对材料强度的提升起到了关键性作用。

根据冲击功的数据发现，材料的冲击韧性迅速降低也是这个原因。

因为材料中韧性断口数量降低，材料无法以塑性变形的方式来消耗更多的能量，体现到冲击功的数据表现出冲击功明显降低。

当变形量达到40%左右时，钨颗粒形貌已明显呈椭球状，断口中脆性断裂特征已占多数。

此时材料的失效形式由韧性转变为脆性，不多的韧性断裂形式已不是以吸收过多的能量提升材料的吸收功，相比较20%变形量的材料，冲击功继续快速下降，此时钨颗粒的解理断裂为材料的失效形式。

由于高强度的钨颗粒对强度的贡献占据主导地位，材料强度大幅度提高。

当变形量达到60%左右时，钨颗粒呈长纤维状，如图2所示。

此时冲击断口呈现完全脆性断裂特征，如图6所示。

相比较变形量40%左右的钨合金材料，强度和冲击功变化不大，说明材料变形达到40%以上时，材料已完成韧脆转变，材料继续变形对强度的贡献不大，此时断口组织中已基本无韧性断口，因此，继续变形对冲击吸收功的影响不是很显著。

3结论1）锻造大变形工艺使钨合金强度大幅度提高的同时，其冲击功有所降低。

502）随着锻造变形量的增大，钨合金冲击断口的形貌特征由沿晶断裂为主逐渐转变为解理断裂，相应地锻态钨合金的冲击功呈下降趋势。

3）冲击功对锻造变形工艺非常敏感，较小的变形量就会使钨合金的冲击功快速降低，当变形量大于40%左右时，冲击功对变形量的敏感度开始趋缓。

4参考文献［1］史洪刚.锻造变形量对钨合金材料性能的影响［J ］.兵器材料科学与工程，1998，21（4）：3-6.［2］Spencer J R ，Mullendore J A.Relationship between composi -tion ，structure ，properties ，thermo -mechanical processing and ballistic performance of tungsten heavy alloys ［D ］.AD -A245649.［3］齐志望，樊存山，侯福青，等.大变形锻造钨合金显微组织特征研究［J ］.兵器材料科学与工程，1999，22（4）：18-22.［4］史洪刚，齐志望，尚福军，等.钨合金材料锻造变形强化的组织与性能及再结晶行为［J ］.兵器材料科学与工程，2006，29（1）：29-32.高性能锌合金材料具有摩擦因数小、强度适中、铸造温度低、良好的工艺性［1-3］的特点，被誉为21世纪的新材料。

ZA 系列合金是当今国际发展很快的一类锌合金，用其替代部分铜合金产品具有明显的经济性。