2024年3月27日发(作者：景笑容)

DOI:10.14024/.1004-244x.2003.06.011

第26卷　第6期

兵器材料科学与工程Vol.26　No.6

2003年　　11月

ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERING

　Nov.　2003

97钨合金力学性能研究

马红磊,胡更开,李树奎

(北京理工大学理学院力学系,北京100081)

摘　要:利用扫描电镜和Hopkinson型试验装置,对97钨的显微组织、断裂方式、及准静态和动态力学性能进行了

研究。结果表明,97钨是具有较大压拉比的敏感材料,又是同时具有压缩韧性和拉伸脆性解理断裂的特殊材料。

关键词:钨合金;动态力学性能;细观力学

中图分类号:TG113.25　　文献标识码:A　　文章编号:1004—244X(2003)06—0039—03

　　钨合金一般具有高强度、高密度,良好的导电和

导热性,热膨胀系数小,抗氧化、耐腐蚀性强,可进行

机械加工、焊接、锻压、热处理等等一系列优异的物

理、力学性能优点,在兵器、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,特别是在国防军工中,钨合金

是目前对付装甲目标等的主要动能武器弹芯材料。

笔者以含钨质量分数为97%的钨合金为研究

对象,从实验上分析它的变形及损伤机理,研究它的

动态力学性能,为进一步计算和工程应用提供基础

数据。在此基础上,我们试图从理论上对所观察的

结果进行一定的分析。

图1　97钨原始组织照片

1　实验方法

1.1　实验材料

实验所用钨合金是选用Ni、Fe系作为基体,钨

质量分数为97%,镍铁比率为7∶3,混料24h,再经

过2t等静压、1600℃烧结1h制成柱状胚料,然后由

线切割制成所需试样。图1给出钨质量分数为

97%钨镍铁合金原始组织照片,由图像处理分析,平

均半径为22.7μm,钨颗粒体积分数94.69%。

1.2　动态实验测试装置

[1]

分离式Hopkinson压杆装置(SHPB)是材料

图2　SHPB实验装置

(1—气枪,2—Hopkinson输入杆,3—压缩试样,

4—Hopkinson输出杆,5—吸收杆)

2　实验结果及分析

2.1　电镜原位拉伸实验

电镜原位拉伸试样经线切割成哑铃状薄片,厚

度为0.5mm,再经抛光、腐蚀而成。图3为97钨拉

伸断裂过程的照片,由图可以看出,微裂纹首先在较

大钨颗粒中萌生,文献

[2]

给出了解释。随着载荷的

增大,裂纹进一步加宽,并有更多裂纹在钨颗粒产生

(图3b),断裂的颗粒中的微裂纹成长、汇合最终导

致材料以脆性方式破坏(图3c)。

为了进一步了解钨合金的变形和断裂机制,用

动态性能研究的重要工具,实验装置如图2所示。

利用SHPB实验技术对97钨进行动态压缩拉伸性

能测试,以研究其在动态载荷下的服役状态及变形

机制。

收稿日期:2003-03-24;修订日期:2003-07-19

　作者简介:马红磊(1975-),男,博士研究生

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　兵器材料科学与工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷

40

究的一个热点。针对97钨研究了它的动态压缩和

拉伸并做了断口观察,如图5、6所示。

在动态拉伸载荷下,97钨合金应变率敏感性主

要表现为:强度随应变率的增加而上升;而塑性却表

现为下降。从拉伸的结果看,屈服极限对应变率的

敏感性最强。

　　断口形貌分析是揭示材料在不同载荷和工作环

境下断裂机理的重要手段。对97钨合金SHTB实

验后的正断型断口进行宏观和微观分析,可为易碎

钨合金穿甲弹穿甲后断裂破碎、形成破片群的机理

提供可靠的实验依据。对97钨合金SHTB试样断

口进行观察发现,断口颜色较光亮,有金属光泽,结

晶状小刻面,瞬断区为结晶状,可以判断出断裂性质

为脆性材料的解理断裂;在断口附近无明显宏观塑

性变形迹象,断口源无剪切唇,毛刺、台阶,可看出断

b—平均应力为485MPa

a—初始状态

a—压缩

c—断裂前

图3　97钨拉伸断裂过程的照片

b—拉伸

图5　97钨动态拉伸应力应变曲线

图4　97钨合金简单拉伸应力-应变曲线

实验和细观力学

[3]

方法进行研究。由MT法

[4]

和

二阶距理论

[5]

对97钨的拉伸硬化关系进行计算,

结果如图4所示,可以看出理论分析和实验的结果

较为符合。

2.2　动态实验

钨合金的动态压缩拉伸研究也是其动态性能研

图6　97钨断口形貌分析

第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　马红磊等:97钨合金力学性能研究　　　　　　　　　　　　　　　　　

41

但其拉伸断裂方式却为脆性解理断裂,且断裂强度

较低。

　　(2)97钨合金具有明显的应变率特征,强度指

标(屈服和强度极限)随应变率的增加而上升;而塑

性指标却表现为下降。

a—97钨原始组织　　　　b—97钨变形后组织

图7　97钨合金的压缩变形

(3)97钨合金具有拉压不对称性,也就意味着

这种材料的特殊性和重要性。

参考文献:

[1]李树奎.易碎型钨合金动态拉伸强度测试方法研究[J].

北京理工大学学报,2001,21(4):429-433.

[2]restrengthofspheroidalcarbideparticle

[J].IntJofFracture,1990,44(1):39-41.

[3]echanicsofdefectsinsolids[M].Nether-

lands:MartinusNihoffPublisher,1987.

[4]MoriT,estressinmatrixandaverage

elasticenergyofmaterialswithmisfittinginclusions[J].

ActaMetallMate,1973,21:571-574.

[5]iteplasticitybasedonmatrixaverage

secondorderstressmoment[J].IntJSolidStructures,

1997,34(8):1007-1015.

口与正应力垂直;断口上无氧化色和腐蚀的痕迹,因

试样不是高温、有腐蚀的工作环境下断裂。

从SHPB实验97钨变形后微观组织观察,如图

7所示,97钨钨颗粒垂直受压方向变长,在上述变形

过程中材料并没有发生损伤。通过试验观察结果表

明,正是97钨在拉伸过程中钨颗粒的解理断裂,使

得这种钨合金具有压缩延性、拉伸脆断这种性能不

对称性的特殊性质,这也是97钨这种高密度合金

重要用途的原因之一。

3　结论

　　(1)虽然97钨合金具有较好的韧性压缩性能,

Mechanicalpropertiesof97%tungstenalloy

MAHong-lei,HUGeng-kai,LIShu-kui

(iedMechanics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

Abstract:The97%tungstenalloyfabricatedbyP/Mtechniqueisexaminedexperimentallyinthispaper,thedynamic

compressiontestisrealizedbyHopkinsonbarandthedamagemechanismsareexaminedbytensiontestfromaScanning

undthatthedamagemechanismofthisalloyintensionismainlythecrackinitiationand

propagationinsideofthetungstenparticles,thematerialisbrittleintension,ithoweverhasaverygoodductilityincom-

pression.

Keywords:tungstenalloy;dynamicproperty;micromechanics

用于高温腐蚀环境中的镍基合金

最近,欧洲某公司研究了一种镍基合金,其专利号为EP1047802-A1。这种镍基合金可用于多种高温腐蚀环境中,也可

用于制造回热炉、同流换热器、燃烧器和其它汽体涡轮机部件;也可用于制造闭式烤炉、高炉内部零部件、蒸馏器和其它化学

加工设备、输送管、锅炉管、管道系统、水墙挡板、垃圾焚烧器具。这种镍基合金对高温腐蚀环境有较高的抗力,如碳化、氧化、

氮化和硫化,还有很高的强度。

这种合金含有(质量分数)镍42%～58%,铬21%～28%,钴12%～18%,钼4%～9.5%,铝2%～3.5%,钛0.05%～

2%。含有下列至少一种微合金添加剂:钇0.005%～0.1%,锆0.01%～0.6%,碳0.01%～0.15%,硼0～0.01%,铁0～4%,

锰0～1%或硅或铪,铌0～0.4%,氮0～0.1%,含有附带的杂质和脱氧剂。

高康　译

2024年3月27日发(作者：景笑容)

DOI:10.14024/.1004-244x.2003.06.011

第26卷　第6期

兵器材料科学与工程Vol.26　No.6

2003年　　11月

ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERING

　Nov.　2003

97钨合金力学性能研究

马红磊,胡更开,李树奎

(北京理工大学理学院力学系,北京100081)

摘　要:利用扫描电镜和Hopkinson型试验装置,对97钨的显微组织、断裂方式、及准静态和动态力学性能进行了

研究。结果表明,97钨是具有较大压拉比的敏感材料,又是同时具有压缩韧性和拉伸脆性解理断裂的特殊材料。

关键词:钨合金;动态力学性能;细观力学

中图分类号:TG113.25　　文献标识码:A　　文章编号:1004—244X(2003)06—0039—03

　　钨合金一般具有高强度、高密度,良好的导电和

导热性,热膨胀系数小,抗氧化、耐腐蚀性强,可进行

机械加工、焊接、锻压、热处理等等一系列优异的物

理、力学性能优点,在兵器、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,特别是在国防军工中,钨合金

是目前对付装甲目标等的主要动能武器弹芯材料。

笔者以含钨质量分数为97%的钨合金为研究

对象,从实验上分析它的变形及损伤机理,研究它的

动态力学性能,为进一步计算和工程应用提供基础

数据。在此基础上,我们试图从理论上对所观察的

结果进行一定的分析。

图1　97钨原始组织照片

1　实验方法

1.1　实验材料

实验所用钨合金是选用Ni、Fe系作为基体,钨

质量分数为97%,镍铁比率为7∶3,混料24h,再经

过2t等静压、1600℃烧结1h制成柱状胚料,然后由

线切割制成所需试样。图1给出钨质量分数为

97%钨镍铁合金原始组织照片,由图像处理分析,平

均半径为22.7μm,钨颗粒体积分数94.69%。

1.2　动态实验测试装置

[1]

分离式Hopkinson压杆装置(SHPB)是材料

图2　SHPB实验装置

(1—气枪,2—Hopkinson输入杆,3—压缩试样,

4—Hopkinson输出杆,5—吸收杆)

2　实验结果及分析

2.1　电镜原位拉伸实验

电镜原位拉伸试样经线切割成哑铃状薄片,厚

度为0.5mm,再经抛光、腐蚀而成。图3为97钨拉

伸断裂过程的照片,由图可以看出,微裂纹首先在较

大钨颗粒中萌生,文献

[2]

给出了解释。随着载荷的

增大,裂纹进一步加宽,并有更多裂纹在钨颗粒产生

(图3b),断裂的颗粒中的微裂纹成长、汇合最终导

致材料以脆性方式破坏(图3c)。

为了进一步了解钨合金的变形和断裂机制,用

动态性能研究的重要工具,实验装置如图2所示。

利用SHPB实验技术对97钨进行动态压缩拉伸性

能测试,以研究其在动态载荷下的服役状态及变形

机制。

收稿日期:2003-03-24;修订日期:2003-07-19

　作者简介:马红磊(1975-),男,博士研究生

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　兵器材料科学与工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷

40

究的一个热点。针对97钨研究了它的动态压缩和

拉伸并做了断口观察,如图5、6所示。

在动态拉伸载荷下,97钨合金应变率敏感性主

要表现为:强度随应变率的增加而上升;而塑性却表

现为下降。从拉伸的结果看,屈服极限对应变率的

敏感性最强。

　　断口形貌分析是揭示材料在不同载荷和工作环

境下断裂机理的重要手段。对97钨合金SHTB实

验后的正断型断口进行宏观和微观分析,可为易碎

钨合金穿甲弹穿甲后断裂破碎、形成破片群的机理

提供可靠的实验依据。对97钨合金SHTB试样断

口进行观察发现,断口颜色较光亮,有金属光泽,结

晶状小刻面,瞬断区为结晶状,可以判断出断裂性质

为脆性材料的解理断裂;在断口附近无明显宏观塑

性变形迹象,断口源无剪切唇,毛刺、台阶,可看出断

b—平均应力为485MPa

a—初始状态

a—压缩

c—断裂前

图3　97钨拉伸断裂过程的照片

b—拉伸

图5　97钨动态拉伸应力应变曲线

图4　97钨合金简单拉伸应力-应变曲线

实验和细观力学

[3]

方法进行研究。由MT法

[4]

和

二阶距理论

[5]

对97钨的拉伸硬化关系进行计算,

结果如图4所示,可以看出理论分析和实验的结果

较为符合。

2.2　动态实验

钨合金的动态压缩拉伸研究也是其动态性能研

图6　97钨断口形貌分析

第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　马红磊等:97钨合金力学性能研究　　　　　　　　　　　　　　　　　

41

但其拉伸断裂方式却为脆性解理断裂,且断裂强度

较低。

　　(2)97钨合金具有明显的应变率特征,强度指

标(屈服和强度极限)随应变率的增加而上升;而塑

性指标却表现为下降。

a—97钨原始组织　　　　b—97钨变形后组织

图7　97钨合金的压缩变形

(3)97钨合金具有拉压不对称性,也就意味着

这种材料的特殊性和重要性。

参考文献:

[1]李树奎.易碎型钨合金动态拉伸强度测试方法研究[J].

北京理工大学学报,2001,21(4):429-433.

[2]restrengthofspheroidalcarbideparticle

[J].IntJofFracture,1990,44(1):39-41.

[3]echanicsofdefectsinsolids[M].Nether-

lands:MartinusNihoffPublisher,1987.

[4]MoriT,estressinmatrixandaverage

elasticenergyofmaterialswithmisfittinginclusions[J].

ActaMetallMate,1973,21:571-574.

[5]iteplasticitybasedonmatrixaverage

secondorderstressmoment[J].IntJSolidStructures,

1997,34(8):1007-1015.

口与正应力垂直;断口上无氧化色和腐蚀的痕迹,因

试样不是高温、有腐蚀的工作环境下断裂。

从SHPB实验97钨变形后微观组织观察,如图

7所示,97钨钨颗粒垂直受压方向变长,在上述变形

过程中材料并没有发生损伤。通过试验观察结果表

明,正是97钨在拉伸过程中钨颗粒的解理断裂,使

得这种钨合金具有压缩延性、拉伸脆断这种性能不

对称性的特殊性质,这也是97钨这种高密度合金

重要用途的原因之一。

3　结论

　　(1)虽然97钨合金具有较好的韧性压缩性能,

Mechanicalpropertiesof97%tungstenalloy

MAHong-lei,HUGeng-kai,LIShu-kui

(iedMechanics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

Abstract:The97%tungstenalloyfabricatedbyP/Mtechniqueisexaminedexperimentallyinthispaper,thedynamic

compressiontestisrealizedbyHopkinsonbarandthedamagemechanismsareexaminedbytensiontestfromaScanning

undthatthedamagemechanismofthisalloyintensionismainlythecrackinitiationand

propagationinsideofthetungstenparticles,thematerialisbrittleintension,ithoweverhasaverygoodductilityincom-

pression.

Keywords:tungstenalloy;dynamicproperty;micromechanics

用于高温腐蚀环境中的镍基合金

最近,欧洲某公司研究了一种镍基合金,其专利号为EP1047802-A1。这种镍基合金可用于多种高温腐蚀环境中,也可

用于制造回热炉、同流换热器、燃烧器和其它汽体涡轮机部件;也可用于制造闭式烤炉、高炉内部零部件、蒸馏器和其它化学

加工设备、输送管、锅炉管、管道系统、水墙挡板、垃圾焚烧器具。这种镍基合金对高温腐蚀环境有较高的抗力,如碳化、氧化、

氮化和硫化,还有很高的强度。

这种合金含有(质量分数)镍42%～58%,铬21%～28%,钴12%～18%,钼4%～9.5%,铝2%～3.5%,钛0.05%～

2%。含有下列至少一种微合金添加剂:钇0.005%～0.1%,锆0.01%～0.6%,碳0.01%～0.15%,硼0～0.01%,铁0～4%,

锰0～1%或硅或铪,铌0～0.4%,氮0～0.1%,含有附带的杂质和脱氧剂。

高康　译