Effect of cyclic heat treatment on impact toughness of 93W–5Ni–2Fe tungsten heavy alloy
-
摘要: 采用粉末冶金法制备成分（质量分数）为93W‒5Ni‒2Fe的高比重钨合金试样，对高比重钨合金试样进行循环1200 ℃真空热处理+淬火热处理，通过冲击韧性测试和扫描电镜断口形貌分析，研究了同一热处理工艺下，循环热处理次数对高比重钨合金冲击韧性的影响。结果表明：随着循环热处理次数的增加，材料的冲击韧性逐渐升高，第4次循环热处理后冲击韧性达到115 J·cm−2，当进一步增加循环热处理次数后，材料的冲击韧性不再有明显变化；高比重钨合金的冲击断口由第1次热处理后多为钨晶粒解理断裂，逐步过渡为钨晶粒之间粘接相的韧性断裂。Abstract: The 93W‒5Ni‒2Fe tungsten heavy alloys (WHAs) were prepared by powder metallurgy method, and then subjected to the cyclic vacuum heat treatment at 1200 ℃ and the oil quenching rapid cooling. The impact toughness of WHAs treated by the same heat treatment was studied by the impact toughness test and the fracture morphology analysis. The results show that, with the increase in the cycle number of heat treatment, the impact toughness of WHAs increases gradually, and the impact toughness reaches 115 J·cm−2 after the fourth cycle heat treatment. However, the impact toughness of WHAs does not change significantly when the cycle number of heat treatment is further increased. The impact fracture of WHAs is mainly cleavage fracture of tungsten grains after the first cycle heat treatment, and then gradually transitions to the ductile fracture of the cohesive phase between tungsten grains.
-
Keywords:
- tungsten heavy alloy /
- impact toughness /
- impact fracture /
- cyclic heat treatment
-
高比重钨合金（tungsten heavy alloy，WHA）是一种以单质钨为基体、以韧性良好的过渡族金属为粘接相所构成的复合材料[1–3]。因具有高密度、优异的力学性能、抗烧灼性和对放射性辐射的屏蔽作用等特点，高比重钨合金被应用于兵器穿甲弹芯、破片材料、航天屏蔽部件等众多领域[4–6]。但是高比重钨合金的性能对合金内部杂质、制备过程中的气氛及冷却速度等非常敏感[7‒8]，例如：杂质P、S会偏析在晶界上，降低界面结合强度，恶化合金性能，通过添加微量元素Mn可以起到一定的净化晶界的作用[9‒10]；烧结过程中的H2气氛会导致部分氢溶解于高比重钨合金的粘结相中[11‒12]，导致材料产生氢脆现象，降低材料性能。要使高比重钨合金获得高的强度和韧性，首先就必须使高比重钨合金具有一个理想的微观组织[13]，而热处理是调整高比重钨合金组织的重要手段。常用的热处理手段包括淬火、快冷、气氛脱氢处理，其目的就是降低P、S杂质在界面的偏析，降低氢脆，提高合金性能或满足合金其他性能方面的要求。但是，在一些特殊环境下使用高比重钨合金材料需要具备一定的冲击韧性，才能够满足材料后续的大变形可行性，因此如何进一步提高材料的冲击韧性成为热处理环节研究的关键。
冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，反映了材料内部的细微缺陷和抗冲击性能，与主裂纹的萌生、扩展及断口有直接的联系，对材料失效分析具有重要的理论意义。本文通过对高比重钨合金进行循环热处理，分析了经过不同热处理次数后的材料冲击韧性以及冲击断口形貌。
1. 实验材料及方法
采用粉末冶金方法制备高比重钨合金，原料使用粒径为3 μm的钨粉、电解镍粉和羰基铁粉，经混料机混合，冷等静压成形及液相烧结后制备出成分（质量分数）为93W–5Ni–2Fe的圆棒坯料，最后将圆棒坯料在1200 ℃进行多次真空热处理+油淬快速冷却热处理。
按照图1所示将热处理后的圆棒加工成冲击韧性标准试样，冲击韧性试验按照GB/T 229-2007检测方法进行。通过GS M-6380LV扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察分析冲击断口微观组织。
2. 结果及分析
2.1 循环热处理对材料冲击韧性的影响
将在1200 ℃进行多次真空热处理+淬火热处理的93W–5Ni–2Fe合金材料和只进行过1次真空热处理+未进行淬火热处理的93W–5Ni–2Fe合金材料进行冲击韧性的对比实验，结果如表1所示。由表可知，未进行淬火热处理的93W–5Ni–2Fe合金材料冲击韧性为47 J·cm−2；经过1次循环热处理后，93W–5Ni–2Fe合金材料冲击韧性为50 J·cm−2，随着循环热处理次数的增加，材料的冲击韧性逐渐升高，第4次循环热处理后冲击韧性达到115 J·cm−2，当进一步增加循环热处理次数后，材料的冲击韧性不再有明显变化，和第4次循环热处理后的冲击韧性相当。
表 1 循环热处理后93W–5Ni–2Fe合金的冲击韧性Table 1. Impact toughness of the 93W–5Ni–2Fe alloys after the cyclic heat treatment循环热处理次数 0 1 2 3 4 5 6 7 冲击韧性 / (J·cm−2) 47 50 68 83 115 113 118 110 图2为93W–5Ni–2Fe合金冲击韧性随热处理次数的变化趋势。由图可知，在初始阶段，93W–5Ni–2Fe合金的冲击韧性随着循环热处理次数的增长明显提高，当循环热处理次数达到4次以上后，材料的冲击韧性不再获得提升，基本维持不变，表明冲击韧性对热处理敏感度下降。
![]()
图 2 93W–5Ni–2Fe合金冲击韧性随循环热处理次数的变化趋势Figure 2. Variation tendency on the impact toughness of 93W–5Ni–2Fe alloys with the cycle number of heat treatment2.2 循环热处理后材料的冲击断口分析
断口形貌分析是揭示高比重钨合金在不同载荷和工作环境下断裂机理的重要手段。高比重钨合金的断口基本上由4种断裂形态组成[14]，即钨颗粒解理断裂、钨颗粒与钨颗粒界面分离、钨颗粒与粘接相界面脱开、粘接相断裂。高比重钨合金经过循环热处理后，冲击断口差异明显，这主要是因为4种断裂模式所占比例有所不同。
图3是93W–5Ni–2Fe高比重钨合金经过不同次数循环热处理后的冲击断口形貌，对比4种典型冲击断口形貌可以看到，循环热处理1次的冲击断口几乎完全呈现为钨晶粒穿晶解理断裂，呈脆性断口[15]；随着循环热处理次数的增加，合金冲击断口形貌出现一定变化，穿晶解理断裂逐渐减少；当对材料进行4次循环热处理后，冲击断口多为钨颗粒和钨颗粒的界面断裂，断口的钨颗粒较为完整，呈粘接相的韧性断裂。循环材料热处理1次的断口，钨颗粒断裂占比明显大于循环热处理4次时的断口；循环热处理4次的断口，粘结相与钨颗粒的剥离以及粘结相自身的断裂大于循环热处理1次的，即钨相和粘接相韧性撕裂比例上升，因此经多次循环热处理后的基体撕裂是一种韧性断裂方式，与冲击韧性的测试结果相吻合，这也是93W–5Ni–2Fe高比重钨合金的冲击韧性得到改善的主要原因。
![]()
图 3 经过不同次数循环热处理后93W–5Ni–2Fe合金冲击断口形貌：（a）1次热处理；（b）2次热处理；（c）3次热处理；（d）4次热处理Figure 3. Fracture morphology of the 93W–5Ni–2Fe alloys after the different cycle number of heat treatments: (a) the first cycle heat treatment; (b) the twice cycle heat treatment; (c) the third cycle heat treatment; (d) the fourth cycle heat treatment对比1次循环热处理和4次循环热处理后93W–5Ni–2Fe合金的金相组织，如图4（a）和图4（b）所示，发现材料微观组织形貌无明显变化，说明冲击韧性的提升是因为容易偏析在晶界上的杂质元素P、S得到了净化。综上分析说明，虽然循环热处理无法改变材料的微观组织形貌，不能使材料在综合性能方面得到根本上的提升，但可以优化材料的抗冲击能力。
![]()
图 4 经过不同次数热处理后93W–5Ni–2Fe合金的金相组织形貌：（a）1次循环热处理；（b）4次循环热处理Figure 4. Microstructure of the 93W–5Ni–2Fe alloys after the different cycle number of heat treatments: (a) the first cycle heat treatment; (b) the fourth cycle heat treatment2.3 分析讨论
烧结后进行热处理已经成为改善93W–5Ni–2Fe高比重钨合金韧性的一个重要途径。一般认为高比重钨合金烧结后的热处理主要是改变了合金中杂质元素的分布，降低了合金中的H含量。通过循环热处理研究可以看到，循环热处理可以有效的提高材料的冲击韧性，热处理循环次数越多，材料的冲击韧性越高，当循环次数大于4次之后，材料的冲击韧性达到最高值，继续进行热处理不再能提高材料的冲击韧性。
改善和提升高比重钨合金的冲击韧性关键在于优化钨基界面区，即减少钨–钨晶粒连接。随着反复的热处理，使得钨基界面钨颗粒一侧粘接相元素的含量有所增加，这是由于在高温热处理过程中，合金中不同的成分会发生扩散结合，即钨基界面上的钨与粘接相元素发生了相互扩散，扩散的结果造成了钨颗粒一侧的粘接相元素含量增加，相应的也造成粘接相一侧Fe、Ni元素含量减少。反复的热处理可以使粘结相进一步向钨晶界渗透，降低钨颗粒的连接度，减少粘接相中的应力集中，有利于增强高比重钨合金的界面结合力，使材料冲击韧性获得很大提高。因此，通过循环热处理使得钨基界面合金元素分布发生改变是合金冲击韧性提高的主要原因。
3. 结论
（1）经过第1次循环热处理后，93W–5Ni–2Fe高比重钨合金材料冲击韧性为50 J·cm−2，随着循环热处理次数的增加，材料的冲击韧性逐渐升高，第4次循环热处理后冲击韧性达到115 J·cm−2，当进一步增加循环热处理次数后，材料的冲击韧性不再有明显变化，和第4次循环热处理后的冲击韧性基本相当。
（2）经过1次循环热处理的93W–5Ni–2Fe高比重钨合金的冲击断口多为钨晶粒解理断裂，钨晶粒断裂占比明显大于热处理4次时的断口；经4次循环热处理的93W–5Ni–2Fe合金冲击断口多为钨颗粒和钨颗粒的界面断裂，即粘接相的韧性断裂，断口粘结相与钨颗粒的剥离以及粘结相自身的断裂大于1次循环热处理的合金断口；反复热处理可以使粘结相进一步向钨晶界渗透，减少粘接相中的应力集中，有利于增强高比重钨合金的界面结合力，这也是高比重钨合金的冲击韧性得到改善的主要原因。
-
![]()
图 2 93W–5Ni–2Fe合金冲击韧性随循环热处理次数的变化趋势
Figure 2. Variation tendency on the impact toughness of 93W–5Ni–2Fe alloys with the cycle number of heat treatment
![]()
图 3 经过不同次数循环热处理后93W–5Ni–2Fe合金冲击断口形貌：（a）1次热处理；（b）2次热处理；（c）3次热处理；（d）4次热处理
Figure 3. Fracture morphology of the 93W–5Ni–2Fe alloys after the different cycle number of heat treatments: (a) the first cycle heat treatment; (b) the twice cycle heat treatment; (c) the third cycle heat treatment; (d) the fourth cycle heat treatment
![]()
图 4 经过不同次数热处理后93W–5Ni–2Fe合金的金相组织形貌：（a）1次循环热处理；（b）4次循环热处理
Figure 4. Microstructure of the 93W–5Ni–2Fe alloys after the different cycle number of heat treatments: (a) the first cycle heat treatment; (b) the fourth cycle heat treatment
表 1 循环热处理后93W–5Ni–2Fe合金的冲击韧性
Table 1 Impact toughness of the 93W–5Ni–2Fe alloys after the cyclic heat treatment
循环热处理次数 0 1 2 3 4 5 6 7 冲击韧性 / (J·cm−2) 47 50 68 83 115 113 118 110 
下载: 导出CSV
-
[1] 邹惠兰. 钨基重合金的研究与应用现状. 湖南冶金, 1997(2): 60 Zou H L. Research and application status of tungsten based heavy alloys. Hunan Metall, 1997(2): 60
[2] 范景莲, 刘涛, 成会朝, 等. 钨基合金穿、破甲材料的研究进展. 中国钨业, 2007, 22(1): 25 DOI: 10.3969/j.issn.1009-0622.2007.01.008 Fan J L, Liu T, Cheng H C, et al. Technology advancement of tungsten-based alloy in armor-piercing and armor-exploding. China Tungsten Ind, 2007, 22(1): 25 DOI: 10.3969/j.issn.1009-0622.2007.01.008
[3] 胡兴军. 高密度钨合金在弹用材料中的应用及研究进展. 稀有金属与硬质合金, 2009, 37(3): 65 DOI: 10.3969/j.issn.1004-0536.2009.03.017 Hu X J. Application and study of tungsten heavy alloy as a projectile material. Rare Met Cement Carb, 2009, 37(3): 65 DOI: 10.3969/j.issn.1004-0536.2009.03.017
[4] 李小强, 辛红伟, 胡可, 等. 高密度W–Ni–Fe合金的研究进展. 材料导报, 2009, 23(15): 66 DOI: 10.3321/j.issn:1005-023X.2009.15.015 Li X Q, Xin H W, Hu K, et al. Research process in W–Ni–Fe high density alloys. Mater Rev, 2009, 23(15): 66 DOI: 10.3321/j.issn:1005-023X.2009.15.015
[5] 王松, 陈宏燕, 胡洁琼, 等. 高比重钨合金的研究现状. 贵金属, 2011, 32(3): 85 DOI: 10.3969/j.issn.1004-0676.2011.03.018 Wang S, Chen H Y, Hu J Q, et al. Research status of tungsten heavy alloys. Precious Met, 2011, 32(3): 85 DOI: 10.3969/j.issn.1004-0676.2011.03.018
[6] 武媛洁, 徐英鸽, 郑敏杰, 等. 高比重钨合金的研究现状与发展趋势. 热加工工艺, 2015, 44(20): 11 Wu Y J, Xu Y G, Zheng M J, et al. Present research status and future development of high-density tungsten alloys. Hot Work Technol, 2015, 44(20): 11
[7] 黄劲松, 周继承, 刘文胜, 等. 钨基重合金的烧结. 粉末冶金工业, 2003, 13(1): 26 DOI: 10.3969/j.issn.1006-6543.2003.01.007 Huang J S, Zhou J C, Liu W S, et al. Sintering of tungsten heavy alloys. Powder Metall Ind, 2003, 13(1): 26 DOI: 10.3969/j.issn.1006-6543.2003.01.007
[8] 马国刚. 烧结时间对W–Ni–Fe重合金的组织结构及性能影响的研究. 兵器材料科学与工程, 2001, 24(5): 31 DOI: 10.3969/j.issn.1004-244X.2001.05.008 Ma G G. Effect of sintering time on microstructure and mechanical properties of W–Ni–Fe heavy alloy. Ordnance Mater Sci Eng, 2001, 24(5): 31 DOI: 10.3969/j.issn.1004-244X.2001.05.008
[9] 王玉金, 宋桂明, 周玉, 等. 合金元素及第二相对钨的影响. 宇航材料工艺, 1998, 28(5): 11 Wang Y J, Song G M, Zhou Y, et al. Influence of alloying elements and secondary dispersiods on tungsten alloy. Aerosp Mater Technol, 1998, 28(5): 11
[10] 聂常绅, 吴琳, 刘金红, 等. W–Ni–Fe–Co系重合金中锰的作用机制的研究. 兵器材料科学与工程, 1994, l7(5): 10 Nie C S, Wu L, Liu J H, et al. Action and mechanism of Mn in W–Ni–Fe–Co series heavy alloys. Ordnance Mater Sci Eng, 1994, l7(5): 10
[11] 黄继华, 赖和怡, 周国安, 等. 高比重钨合金的微观结构和性能的关系. 粉末冶金技术, 1992, 10(1): 63 Huang J H, Lai H Y, Zhou G A, et al. Relation between microstructures and properties of heavy alloys. Powder Metall Technol, 1992, 10(1): 63
[12] 朱桂森, 刘铭成, 林忠杰, 等. 氢对高比重合金(95%W–3.5%Ni–1.5%Fe)力学性能的影响. 金属学报, 1981, 17(1): 39 Zhu G S, Liu M C, Lin Z J, et al. Effect of hydrogen on mechanical properties of a high density W–Ni–Fe alloy. Acta Metall Sinica, 1981, 17(1): 39
[13] Kemp P B, German R M. Mechanical properties of molybdenum alloyed liquid phase sintered tungsten-based composites. Metall Mater Trans A, 1995, 26(8): 2187 DOI: 10.1007/BF02670690
[14] 杨卓越, 王富耻, 李树奎. 静拉伸载荷下93W合金缺口效应和断裂特征研究. 兵器材料科学与工程, 1998, 21(5): 24 Yang Z Y, Wang F C, Li S K. Investigation of notch effect and fracture characteristic of 93W–4.5Ni–2.5Fe heavy alloy under quasi-static tensile loading. Ordnance Mater Sci Eng, 1998, 21(5): 24
[15] Sun J, Deng Z J, Li Z H, et al. Fracture strength of spheroidal carbide particle. Int J Fract, 1990, 42: 39 DOI: 10.1007/BF00018390
计量
- 文章访问数: 327
- HTML全文浏览量: 378
- PDF下载量: 48
