高比重钨合金力学性能影响因素分析

高比重钨合金力学性能影响因素分析

1引言液相烧结理论是架起烧结工艺条件与烧结体微观结构参数、各相性质之间桥梁的重要手段<1～3> 。液相烧结(LPS)是粉末冶金中用以获得高致密化颗粒增韧材料非常经济、有效的方法之一,比如碳化钨、青铜,不锈钢的烧结等。由于不同液相量及烧结条件下液相的毛细力和传输率的影响不同,将导致固相扩散运动的不同,最终导致烧结体微结构随液相量及烧结条件的变化而改变。如颗粒的平均直径随着烧结时间的增加而增加;烧结温度的增加会减小二面角;界面比随着钨的体积百分比增加而增加等。细观力学的一个重要任务就是要架起微观结构参数、各相性质与复合材料宏观有效性质之间的桥梁<4 > 。用微观结构参数描述复合材料内部微结构特征,如夹杂(颗粒、空洞、纤维、裂纹)的形状、几何尺寸等,这里的对象主要是颗粒。由细观力学建立复合材料各相的性质和微结构参数的关联,实现复合材料的设计和优化。本文主要目的是通过烧结理论和细观力学这两块基石搭起烧结和复合材料力学性能之间的桥梁,为不同要求的材料的制备确定合理、经济、较为优化的工艺,为不同工艺下材料的力学性能提供预测。本文还利用上述理论对实验中两种典型液相烧结的高比重钨合金从不同角度进行了定性和定量解释。2理论模型2 1烧结理论Ostwald生长模型是很多液相烧结晶粒粗化或生长模型的基础,但仅仅适用于增强相稀疏的情况。虽又经许多理论修正,固相的体积百分比仍然在 5 0 %左右<5,6 > ,表达式一般为G3=G30 +Kt (1)G为颗粒大小,G0 为初始大小,K为受温度影响的生长率。German<7> 在前人的基础上,给出了适合更高体积百分比(>70 % )的新的颗粒生长率的确定方法。在烧结过程中伴随晶粒生长过程的还有液相向固相扩散的过程,在烧结体颗粒中基体含量也受到烧结条件的影响,基体向固相的扩散系数与温度的关系为D =D0 exp - ΔG+RT (2 )其中D0 为指数系数,R为气体常数,ΔG+ 为扩散活化能。由Fick定律,dt时间内进入颗粒内基体的含量为dm =Jin4πG2 dt (3)这里假设颗粒为球形,Jin为进入球面的通量,Jin=-D dcdt,c为原基体材料在液相中的浓度。那么不同液相百分比含量在不同温度下烧结时,颗粒中含原基体相浓度为c1 c2=J1inJ2inK1 K2G30 +K2 tG30 +K1 t4 3(4)2 2细观模型有了晶粒几何特征及各相性能与工艺、组织、成分之间的关系,那么下面只要将材料的各相力学性能与微观几何参数利用适当的细观力学模型即可建立工艺、组分与复合材料的力学性能之间的桥梁。但由于高比重钨合金中钨含量较高,颗粒相体积百分比一般大于>70 % ,而一般二阶细观力学模型只适于低体积百分比如30 %左右,因为没有考虑两个颗粒之间短程强相互作用的影响,理论结果与实验结果相差较大。Bac<8> 的工作为反算法提供了一定的理论基础,所以本文以钨作为基体,镍铁作为夹杂,采用Mori Tanaka<9> 模型预测钨的有效性质,复合材料的体积模量和剪切模量为kck0=1+c1 (k1 -k0 )c0 α(k1 -k0 ) +k0(5 )μcμ0=1+c1 (μ1 - μ0 )c0 β(μ1 - μ0 ) +μ0(6 )其中α=1 (1+4μ0 k0 ) ,β=215 (3+18μ0 3k0 ) (1+4μ0 3k0 )脚标C、0、1分别代表复合材料、基体和夹杂。3实验及理论分析高比重钨合金是典型的液相烧结材料,具有高强度、高硬度,良好的导电和导热性,热膨胀系数小,抗氧化、耐腐蚀性强等一系列优异的物理、力学性能,可进行机械加工、焊接、锻压、热处理等,在国防军工、航空航天、电子信息、能源、冶金、机械加工工业和核工业等领域中有着不可替代的作用,在国民经济中占有重要的地位,受到了世界各国的高度重视,已成为材料科学界最为活跃的研究领域之一。图1给出钨质量百分比为93wt.%、97Wt.%两种不同含量钨镍铁合金原始组织照片,基体是Ni、Fe ,镍铁比率为7∶3,烧结温度分别是14 6 0℃和16 0 0℃,烧结时间为1小时。由图象处理,两种合金黏结相的体积百分比分别为87 6 4 %和94 6 9%。由烧结生长理论预测得到晶粒(夹杂)大小与液相量体积百分比的关系如图2所示。图1两种钨合金的原始组织Fig .1 Originalstructureoftwokindsoftungstenalloys图2颗粒生长与液相及温度的关系Fig .2 Relationshipofbetweengrainsizeandtemperature由图2可以看出,相同烧结温度下,钨含量较高的钨合金中钨颗粒半径也较大,即颗粒生长率较大;在钨含量相同时,可以提高烧结温度来实现颗粒半径的增加,也就是说我们可以选择不同的方式来实现所预定的微结构。不同的钨含量和微结构对合金的宏观有效性质和微观的破坏和断裂影响也不同。钨含量对其各相的拉伸性能影响也较大,随着钨含量的增加,由93W韧性断裂转向97W的脆性断裂<1 2 > 。由SunJun<1 3> 提出的颗粒解理强度计算方法可以判断出97W颗粒比93W颗粒更容易解理穿晶断裂,正如实验结果图3所示。由此我们可以从工艺、组分等来控制和估计复合材料的力学行为。由于93W和97W 的液相量分别为12 36 %和 5 31% ,97W颗粒生长率K较大,但由于97W烧结温度也高,这显著影响了镍铁的扩散速度,所以97W和93W颗粒中含镍铁浓度相近,如图4所示。由能谱分析可知,两种钨合金的颗粒和基体的成分、性能基本一致,导致复合材料有效性能差别的主要因素是颗粒或黏结相的体积百分比。由Mori Tanaka法,得到复合材料有效杨氏模量与基体体积百分比的关系如图5所示,即我们可以通过细观模型来预测不同钨含量时复合材料有效性质。图3两种钨合金的断裂机制Fig .3 Damagemechanismtwokindsoftungstenalloys图4颗粒成分的能谱分析Fig .4Energyspectrumofgrain图5有效杨氏模量与基体体积百分比的关系Fig .5EffectiveYang’smodulivsmatrixvolumefraction另外,本文用正算和反算(即分别以钨作为夹杂和基体)Mori Tanaka法进行复合材料的有效性质的预测对比,结果均与实验所测的结果符合得较好。这说明Mori Tanaka法在将高体积百分