简介概要

W-Ni-Fe高比重合金板材冷轧变形行为及其显微组织特征研究

来源期刊：稀有金属2007年第4期

论文作者：陈玉华朱玉斌张晓燕肖海滨

关键词：高比重合金; 变形; 冷轧; 显微组织特征;

摘要：采用冷轧变形工艺制备了93W-4.9Ni-2.1Fe高比重合金板材试样,并用数码金相显微镜和扫描电镜观察和分析了冷轧前后显微组织的演变.研究结果表明,在轧制过程中,随着变形量的增大,试样在宏观上表现为纵向延伸与横向宽展,微观上近球形的钨颗粒首先椭球化,最终变成纤维状.钨颗粒长短轴比随轧制变形量的增大而增大,出现各向异性特征.当试样压延变形量＜10%时,Ni-Fe粘结相的变形对宏观变形起主导作用;当10%＜变形量＜60%时,钨颗粒和Ni-Fe粘结相的变形对宏观变形共同作用;而变形量＞60%时,钨颗粒变形成为宏观变形的主要因素.

稀有金属 2007,(04),425-429 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.04.013

W-Ni-Fe高比重合金板材冷轧变形行为及其显微组织特征研究

陈玉华张晓燕朱玉斌

上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系,上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系,上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系,上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系上海200072,上海200072,上海200072,上海200072

摘要：

采用冷轧变形工艺制备了93W-4.9Ni-2.1Fe高比重合金板材试样, 并用数码金相显微镜和扫描电镜观察和分析了冷轧前后显微组织的演变。研究结果表明, 在轧制过程中, 随着变形量的增大, 试样在宏观上表现为纵向延伸与横向宽展, 微观上近球形的钨颗粒首先椭球化, 最终变成纤维状。钨颗粒长短轴比随轧制变形量的增大而增大, 出现各向异性特征。当试样压延变形量<10%时, Ni-Fe粘结相的变形对宏观变形起主导作用;当10%<变形量<60%时, 钨颗粒和Ni-Fe粘结相的变形对宏观变形共同作用;而变形量>60%时, 钨颗粒变形成为宏观变形的主要因素。

关键词：

高比重合金;变形;冷轧;显微组织特征;

中图分类号： TG335.12

作者简介：朱玉斌 (E-mail:ybzhu@mail.shu.edu.cn) ;

收稿日期：2006-10-08

基金：上海市教委资助项目 (203439);

Deformation Behavior and Microstructure Characteristics of Cold Rolled W-Ni-Fe Heavy Alloys Sheet

Abstract：

Microstructures development, hardness and mechanical properties of cold rolled 93W-4.9Ni-2.1Fe alloy sheets were investigated.Microstructure morphology and grain size were analyzed with digital microscope and SEM.The experimental results showed that the ratio of the long-short axis of tungsten particles and the hardness of sheets increased with the increasing of the cold deformation in thickness of 93W-4.9Ni-2.1Fe samples.If the reduction was less than 10%, microdeformation of the samples was mainly dependent on the deformation amount of Ni-Fe binder phase.Otherwise, the deformation of both tungsten and Ni-Fe binder phases contributed to the sample deformation if the deformation in thickness was between 10% and 60%.Deformation of tungsten grains played a crucial role when the reduction in thickness was more than 60%.

Keyword：

tungsten heavy alloys;deformation;cold rolling;microstructure;

Received： 2006-10-08

W-Ni-Fe高比重合金是以W相 (体心立方) 作为硬质相, Ni-Fe-W相 (面心立方) 作为粘结相, 用粉末冶金工艺制取的一种复合材料 ^[1] 。由于高比重合金具有高密度、较好的强度与韧性配合而成为军事工业和民用工业重要的材料之一, 尤其是作为动能穿甲弹、平衡配重元件、惯性元件、射线屏蔽用材料等得到了广泛的应用 ^[2] 。

近年来, 国内外的许多研究者采用各种压力加工方式对W-Ni-Fe高比重合金进行形变强化, 主要集中在锻造 ^[3,4,5] 、旋转锻造 ^[6] 、静液挤压变形 ^[7,8] 、棒材轧制 ^[9,10] 工艺的研究。而对于W-Ni-Fe高比重合金板材的轧制加工的研究报道较少。随着科学技术的发展和人类社会的进步, 具有良好射线屏蔽能力的W-Ni-Fe高比重合金板材将会得到越来越广泛的重视和应用。因此, 对W-Ni-Fe高比重合金板材轧制 (尤其是冷轧) 变形行为及其显微组织特征开展研究工作, 将具有重要的实际意义。

本研究采用数码金相显微镜和扫描电镜等实验手段对W-Ni-Fe高比重合金板材不同冷轧变形量的塑性变形行为, 以及变形后显微组织的演变进行了研究, 并探讨了W-Ni-Fe高比重合金板材冷轧变形的内在机制。

1 材料及实验方法

1.1 材料及试样制备

本研究采用钨基高比重合金的配料成分及原始粉末粒度如表1所示, 试样的制备工艺为: 配粉及混合-加粘结剂-压坯-预烧结-液相烧结-冷轧。

整个烧结过程是在连续推舟式钼丝氢气炉中进行的, 首先在900～1000 ℃对坯料预烧2.5 h, 然后在高温区1450～1500 ℃进行液相烧结2.5 h, 经过冷却带冷却后出炉; 烧结试样的尺寸为158.5 mm×34 mm×1.26 mm (图1) , 将烧结试样在二辊板材冷轧机上进行冷变形, 其变形量分别为10%, 37%, 60%, 76%, 82%, 然后用数码金相显微镜和扫描电镜观察轧制纵剖面 (平行轧制方向) , 横截面 (垂直轧制方向) 的显微组织的演变。

图1 试样形状示意图

Fig.1 Shape of the sample

表1 W-Ni-Fe高比重合金的配料成分及粉末粒度

Table 1Alloy composition and powder size of W-Ni-Fe alloy

Elements	W	Ni	Fe
ω/%	93	4.9	2.1
Particle size/μm	2～3	2～3	2～3

1.2 组织观察和性能测试

利用VHX-100K数码金相显微镜和S 570扫描电子显微镜对钨合金微观组织特征进行观察分析; 用CMT5305精密型微型控制电子万能实验机测量纵横向抗拉强度; 用HRD×1000的显微硬度计测量不同变形量试样的显微硬度值, 其载荷0.025 kg, 加载时间20 s。

2 结果与讨论

2.1 冷轧变形对显微组织的影响

W-Ni-Fe高比重合金是由硬质相 (W颗粒) 和塑性相 (Ni-Fe-W) 组成的复合材料。该合金烧结态试样显微组织为近球形的钨颗粒均匀地分布于基体相中 ^[8] (图2 (a) 和 (b) ) 。经过37%的冷轧变形后, 其显微组织发生了显著变化, 不论是在轧制试样的纵剖面或是横截面, 钨颗粒相均由烧结态的圆球形变为椭球形, 只是两者的椭球化程度不同。相应地, 钨颗粒相之间的Ni-Fe相也沿轧制方向被拉长 (图2 (c) 和 (d) ) 。

随着轧制变形量的增大, 钨颗粒逐渐由椭球状变成纤维状, 当轧制变形量达到76%时, 钨颗粒沿轧制方向变成细纤维状 (图2 (e) ) , 这些显微组织的演变导致了W-Ni-Fe高比重合金力学性能的变化。

2.2 钨颗粒的形状随变形量的定量变化

研究采用钨颗粒长短轴比的变化, 从微观上定量描述钨合金材料的变形程度 ^[8] , 即:

其中, C表示钨颗粒的变形程度, 即所观察区域的纵剖面和横截面的钨颗粒平均长短轴比; b_i为第i个钨颗粒的长轴长度; a_i为第i个钨颗粒的短轴长度; n为所测量的钨颗粒的数目, 图3为冷轧前后钨颗粒形状演变示意图, 由此公式计算出不同变形量条件下钨颗粒的平均长短轴比 (见图4) 。

从图4可以看出, 纵剖面和横截面钨颗粒长短轴比均随变形量的增大而变大, 当变形量<10%时, 纵剖面和横截面钨颗粒长短轴比都保持在1左右, 即钨颗粒保持球形; 当10%<变形量<60%时, 纵剖面和横截面钨颗粒的长短轴比稳定增加, 球形的钨颗粒也逐步变成椭球形。当60%<变形量<82%时, 纵剖面钨颗粒的长短轴比迅速增加, 钨颗粒被拉成纤维状组织。此时纵剖面钨颗粒之间的界面已经无法分辨 (图2 (e) ) 。

图2 冷轧变形试样的显微组织

Fig.2 Microstructures of cold rolled W-Ni-Fe sheet with different varied cold deformations of 0% (a, b) , 37% (c, d) and 76% (e, f) (a, c, e) Profile section; (b, d, f) Cross section

图3 冷轧变形前后钨颗粒形状演变示意图

Fig.3 Microstructure and tungsten grain′s ratio of long-short axis in tungsten alloy with different cold deformations

随着变形量的增大, 纵剖面钨颗粒长短轴比的增大速率比横截面钨颗粒要快得多, 这是由于轧辊所施加的压应力作用, 轧制规律表明纵向延伸程度比横向宽展大得多 ^[11] 。

2.3 宏观变形与微观变形的关系

由于变形过程中钨颗粒沿轧制方向伸长, 本文采用统计分析方法对不同轧制变形量试样的钨颗粒 (统计个数>300个) 长轴尺寸进行统计, 求出各种变形量试样钨颗粒长轴的平均值, 再与宏观变形结果相对照, 可以得到试样冷轧宏观变形与钨颗粒微观变形之间的关系。

从图5中可以看出, 随着变形量的增大, 宏观纵向延伸率和钨颗粒纵剖面长轴延伸率与钨颗粒变形延伸率接近, 此时钨颗粒变形决定了试样的宏观变形, Ni-Fe相变形对试样的宏观变形影响较小。

图4 钨颗粒长短轴比随变形量的变化曲线

Fig.4 Tungsten grain′s ratio of long-short axis in tungsten alloy with different cold deformations

2.4 冷变形对合金抗拉强度的影响

对不同变形量的冷轧试样在轧向和横向分别取样进行拉伸实验, 测量出纵横向抗拉强度随着变形量的变化规律 (如图6所示) 。烧结态试样的横向抗拉强度与纵向抗拉强度相近, 此时材料不表现各向异性, 然而随着变形量的增大, 纵向抗拉强度与横向抗拉强度、延伸率均有一定程度的增大。当变形量<10%时, 钨颗粒基本没有发生变形, 仍然保持圆球状, 此时Ni-Fe粘结相的变形对宏观纵向延伸为主要贡献; 当变形量>10%时, 钨颗粒和粘结相相互协调变形, 对宏观纵向变形均有贡献, 宏观变形延伸率比钨颗粒长轴延伸率大, 可见宏观纵向延伸来自钨颗粒和Ni-Fe相变形的共同作用。当变形量达到76%时, 试样宏观纵向延伸量更大, 出现明显的纵横向各向异性特征。由前面结论可知, 冷轧试样纵剖面钨颗粒长短轴比的增大速率比横截面钨颗粒要快得多, 可能是由于冷轧试样轧向具有纤维结构, 使其轧向结合强度比横向更大, 从而导致材料出现各向异性特征。

图5 试样宏观形变与微观形变之间关系

Fig.5 Elongation of microdeformation and tungsten grain with different cold deformations

图6 试样轧向和横向抗拉强度与冷变形量的关系

Fig.6 Effect of cold deformations on tensile strength

2.5 冷轧变形对合金显微硬度的影响

对不同变形量的冷轧试样纵剖面进行了显微硬度测试, 分别测量了W颗粒和Ni-Fe相的显微硬度值。结果表明在轧制过程中W-Ni-Fe高比重合金同时发生了明显的加工硬化现象。当变形量为10%时, 钨颗粒硬度从烧结态的284上升到293, 硬度值增加很小, 而Ni-Fe相硬度值从烧结态的231增加到变形量为10%的259, 其硬化速率比钨相的大, 此时Ni-Fe相变形占主导作用。而当10%<变形量<60%时, 钨颗粒的硬化速率与Ni-Fe相几乎相同; 当变形量>60%, 钨颗粒硬化速率大幅度增大, 比Ni-Fe相硬化速率大得多 (图7) , 此时钨颗粒的硬化对试样整体硬度的提高起着主导作用, 以上结果与冷轧纵向显微组织分析的结果是一致的。

图7 钨颗粒和Ni-Fe相的硬度随冷轧变形量的变化曲线

Fig.7 Microhardness of tungsten and Ni-Fe binder phase with different cold deformations

2.6 轧制过程的探讨

根据以上轧制过程中显微组织演变和硬度变化的分析, 可以将轧制过程分为3个阶段: 第一阶段, 变形量<10%时, 由于粘结相的塑性高, 可以优先变形, 其加工硬化速率比钨颗粒大, 所以显微组织中的硬质相 (钨颗粒) 保持原来的球形, 只是随着粘结相 (Ni-Fe相) 的变形产生了相对移动; 第二阶段, 当10%<变形量<60%时, 由于粘结相和钨颗粒均发生较大的加工硬化, 从而提高了试样的硬度, 钨颗粒由晶间变形转变为晶内变形, 即钨颗粒由圆球形变为椭球形, 各晶粒的变形相互协调, 从而保持晶粒之间的连续性; 第三阶段, 变形量大于60%时钨颗粒被拉成纤维状, 加工硬化速率比粘结相大得多, 此时钨颗粒的变形是宏观变形的主要决定因素。