钨合金冲击韧性随温度变化的演变规律及断裂方式研究
DOI ：10.3969/j.issn.1009-0622.2020.02.009
钨合金冲击韧性随温度变化的演变规律
及断裂方式研究
王
玲1，秦颖楠2，熊宁2，刘桂荣1，刘国辉1
（1.安泰天龙钨钼科技有限公司，北京100094；2.安泰科技股份有限公司，
北京100081）摘
要：选用粉末冶金法制备93W-5Ni-2Fe 合金，通过低温冲击韧性试验测试合金在常温到-60℃之间的冲击韧
性，探索材料在低温环境下冲击韧性演变规律，通过扫描电镜观察低温冲击韧性断口，研究材料在低温环境下的断裂机制演变规律。结果表明：93WNiFe 合金材料随着材料环境温度的降低，材料的冲击韧性开始基本维持不变，当环境温度低于-30℃之后，材料冲击韧性开始下降，材料的断裂模式逐渐由钨颗粒的穿晶断裂、粘结相撕裂演变为钨-钨界面分离、钨-粘结相的界面分离，材料开始变脆，随着温度进一步的降低材料越来越脆。
关键词：粉末冶金；钨合金；冲击韧性；低温脆性中图分类号：TG146.4
文献标识码：A
收稿日期：2020-01-05资助项目：国家重点研发计划专项资助（2017YFB0306000）高密度钨合金材料是以钨为基体，镍、铁或铜的固溶体为粘结相，采用粉末冶金工艺制备而成，具有强度高、硬度高、延展性好、机加工性能好、热膨胀系数小、导热系数大、抗氧化和抗腐蚀性能好等一系列优点，并被广泛应用于航空航天、电子信息、武器装备等领域。随着现代科学技术的飞速发展，特别是在军事科学领域，高密度钨合金被越来越多的在极端环境下使用，根据军用设备环境试验方法要求，国际范围内的低温极值为-61℃[1-5]。近年来国内外学者对于钨合金室温状态下的力学性能以及高温状态下的力学行为有着较多的研究报道，但对于零下低温环境中高密度钨合金的力学行为研究罕有报道[6-9]。高密度钨合金作为武器装备中战斗部的关键材料，使用过程中经常会承受巨大的冲击载荷，而冲击韧性是材料在冲击
载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，反映材料内部的细微缺陷和抗冲击性能，因此冲击韧性是高密度钨合金材料的一项重要的性能指标。常温状态下高密度钨合金的冲击韧性研究已有报道，但在低温极值环境下的冲击力学响应研究仍未见报道。为此，本文以高密度钨合金的冲击韧性为研究对象开展一系列研究工作，对93WNiFe 合金
在常温条件到-60℃环境下的冲击韧性进行研究，分析不同温度下材料的冲击断口，初步探索出材料冲击韧性随环境温度变化的演变规律。
1
试验方法
1.1
材料制备方法
试验采用93WNiFe 合金为研究对象，采用3μm
细颗粒W 粉、电解Ni 粉和羰基Fe 粉为原料，按照93W-5Ni-2Fe 的成分配比进行三维混料，
采用冷等静压工艺制备毛坯棒料，采用氢气烧结炉对毛坯棒
料进行液相烧结，并对烧结合格的材料进行真空热处理，最终制备出室温抗拉强度＞900MPa ，延伸率＞20%的高强度93WNiFe 材料。1.2
冲击韧性试验
将制备的材料按照图1加工冲击韧性试样室温和低温冲击韧性采用GB/T 229—2007的检测方法进行试验，冲击韧性值执行HB 5144—96测试标准。测试温度分别为常温、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃和-60℃；并在GSM-6380LV 扫描电镜上观察冲击断口形貌，研究不同温度下材料冲击
断裂模式。
第35
卷
2
试验结果与分析
2.1
冲击韧性测试结果与分析
表1是93WNiFe 合金材料在不同低温环境下
测得的冲击韧性数据。在室温条件下，93WNiFe 合金材料冲击韧性为88J/cm 2，从室温到零下、从-10℃到-60℃之间，材料的冲击韧性从室温到-20℃之间基本维持不变，冲击韧性在82～89J/cm 2之间，当温度降低到-30℃时，材料冲击韧性开始降低，随着温度的持续降低，冲击韧性不断下降，最终-60℃时材料冲击韧性降低到39J/cm 2。
图2是93WNiFe 合金材料冲击韧性随温度变化的趋势图，分析曲线可以更清晰地看出93WNiFe 合金材料在低温环境下材料冲击韧性走势，材料的冲击韧性在-30℃开始随着温度的下降而逐渐降低。材料的冲击韧性的实际意义在于揭示材料的变脆倾向，材料韧性冲击功越大，其韧性越好，说明材
料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力越强，发生脆性断裂的可能性越小。从93WNiFe 合金材料在不同低温环境下测得的冲击韧性结果显示，在室温、-10℃、-20℃时，冲击韧性没有明显变化，考虑到试验误差及环境影响因素，微小波动可视为仍在同一水平。但当环境温度低于-30℃之后，材料冲击韧性开始急剧下降，材料开始变脆，随着温度越来越低材料越来越脆。
表193WNiFe 合金材料在不同温度下的冲击韧性
Tab.1
Impact toughness of 93WNiFe alloy at different temperatures 序号测试温度/℃
冲击韧性/（J ·cm -2）
1室温88
2
-10823-20894-30705-40566-50437-60
39图1冲击韧性试样
Fig.1Sample of impact toughness
0.855±0.5
0.8
10±0.2
10±0.2
B 0.015A
A
0.015
A
0.05
B
3.2
其余
图293WNiFe 低温冲击韧性演变规律
102030405060708090100
-60
-50-40-30-20
-10室温88
82
89
70
56
43
39
测试温度/℃
52
第2期
2.2冲击断口分析
钨合金的冲击断口同拉伸断口非常相似，由4
种断裂形态组成，分别是钨颗粒穿晶解理断裂、钨颗粒与钨颗粒的界面分离、钨颗粒与粘结相界面剥离和粘结相撕裂[10-12]。而不同温度下钨合金的冲击断口形貌呈现出一定的差异。图3为常温环境下
93WNiFe 合金材料典型冲击断口形貌，图中a 、b 、c 、d 分别为钨颗粒穿晶解理断裂、钨颗粒与钨颗粒的
界面分离、钨颗粒与粘结相界面剥离和粘结相撕裂。可以看到常温下冲击断口主要由钨颗粒穿晶解理断
裂和粘结相撕裂为主，伴随着少量的钨颗粒与粘结相的界面剥离，这点同常温拉伸断口很相似。
图4为不同低温温度下93WNiFe 合金材料的冲击断口形貌，从图中可以看到93WNiFe 合金在低
a —钨颗粒穿晶解理断裂；
b —钨颗粒与钨颗粒的界面分离；
c —钨颗
粒与粘结相界面剥离；d —粘结相撕裂
图393WNiFe 常温冲击断口形貌
Fig.3Impact fracture morphology of 93WNiFe at room temperature
温度：（a ）-10℃；（b ）-20℃；（c ）-30℃；（d ）-40℃；（e ）-50℃；（f ）-60℃
图493WNiFe 低温冲击断口形貌
(a)
(b)
(c)(d)
(e)(f )
王玲，等：钨合金冲击韧性随温度变化的演变规律及断裂方式研究53
第35
卷
温冲击条件下，冲击断口的断裂方式也由上述4种断裂模式组成，从图4（a ）、（b ）可以看到材料在-
10℃和-20℃的断口形貌与常温断口形貌基本一致，没有明显的差别，这也符合冲击韧性值的测试结果，材料在常温到-20℃的环境下冲击韧性基本保持一致，拥有相同的冲击断裂模式。从图4中（c ）和（a ）（b ）对比可以发现，当温度达到-30℃时，冲击断口中的钨颗粒穿晶解理开始变少，（c ）中的钨颗粒穿晶解理断裂明显比（a ）（b ）中有所减少，随着测试温度的不断降低，穿晶解理断裂逐渐减少并消失，取而代之的是钨颗粒与钨颗粒的界面分离以及钨颗粒与粘结相界面剥离，当温度达到-60℃时，冲击断口中已很难出钨颗粒穿晶解理断裂，几乎全部是钨颗粒与钨颗粒的界面分离以及少量的钨颗粒与粘结相界面剥离，对应的宏观表现为材料冲击韧性越来越低，材料表现出明显的脆性。2.3
冲击韧性随温度变化演变规律分析
材料的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，反映材料内部的细微缺陷和抗冲击性能，揭示材料的变脆倾向。已有研究表明
[3]
，在低温环境里，93WNiFe 合金的抗拉强
度、屈服强度随着温度的降低而逐步提高，且屈服强度与抗拉强度随着温度的降低趋于接近，材料的延伸率随着温度的降低而逐渐降低，材料拉伸的断裂方式由塑性断裂转变为脆性断裂。材料的冲击韧性是揭示材料变脆倾向，在常温状态下，由于W 、Ni 、
Fe 形成的固溶体对相界起到固溶强化的作用，使钨与粘结相界面具有较高强度，因此当材料内部产生缺陷并扩展时，裂纹更偏向于沿钨颗粒穿晶、粘结相撕裂的方式展开。这点从钨合金的常温断口也可以明显观察到。而当温度降到-30℃甚至以下时，钨颗粒穿晶断裂减少，钨和粘结相界面分离明显增多，说明随着温度的降低，钨与粘结相、钨与钨界面结合强度极度恶化。缺陷、裂纹更容易在脆弱部位拓展，所以导致钨与粘结相分离、钨钨分离，宏观表现为冲击韧性值急剧下降。但与材料低温拉伸试验不同的是，材料冲击韧性随着温度降低的变化规律与拉伸试验存在一定的不同，拉伸性能是随着温度的降低呈线性变化，而冲击韧性在温度开始降低阶段并没有发生明显的变化，直至环境温度降低到-30℃之后，冲击韧性值才开始随着测试温度的下降而降低。可以得到结论：93WNiFe 合金材料在-30℃时开始发生冷脆现象，材料随着测试温度进一步降低而变得越3结论
（1）在室温到-60℃温度范围内，93WNiFe 合金
材料的冲击韧性在室温到-20℃之间基本维持不变，冲击韧性值在82～89J/cm 2之间，当温度降低到
-30℃时，
材料发生冷脆现象，冲击韧性开始降低，随着测试温度的持续降低冲击韧性值不断下降，当测试温度达到-60℃时材料冲击韧性降低到39J/cm 2。（2）钨合金在室温环境下的冲击断口与拉伸断口较接近，但在低温环境下材料的冲击断口随温度的降低表现出了明显的变化，在室温到-20℃之间材料冲击断口中主
要以钨颗粒穿晶解理断裂和粘结相撕裂为主，而当温度降低到-30℃之后，随着温度的不断降低，穿晶解理断裂逐渐减少并消失，取而代之的是钨颗粒与钨颗粒的界面分离以及钨颗粒与粘结相界面剥离。参考文献：
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Evolution of Impact Toughness with Different Temperature of Tungsten Alloy WANG Ling1,QIN Yingnan2,XIONG Ning2,LIU Guirong1,LIU Guohui1
(1.ATTL.Advanced Materials Co.,Ltd.,Beijing100094,China;2.Advanced Technology&Materials Co.,Ltd.,Beijing100081,China) Abstract:The93W-5Ni-2Fe alloy was prepared by powder metallurgy method.The impact toughness of the alloy between normal temperature and-60℃was tested by low-temperature impact toughness test,and the evolution rule of impact toughness at low temperature was explored.the fracture of low-temperature impact toughness was observed by scanning electron microscope,and the evolution rule of fracture mechanism at low temperature was studied.The results show that the impact toughness of93WNiFe alloy basically keeps unchanged with the decrease of environmental temperature.When the environmental temperature is lower than-30℃,the impact toughness of the material begins to decrease.The fracture mode of the material gradually changes from transgranular fracture of tungsten particles and tearing of bonding phase to tungsten-tungsten interface separation and tungsten-bonding phase interface separation,and the material begins to become brittle.
Key words:powder metallurgy;tungsten alloy;impact toughness;low temperature brittleness
（编辑：刘新敏）王玲，等：钨合金冲击韧性随温度变化的演变规律及断裂方式研究55

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