钨合金动态力学性能研究进展

钨合金动态力学性能研究进展

本文详细总结了钨合金动态力学性能的研究结果,其内容主要包括:(1)钨合金在高应变率载荷下的宏观响应以及不同应变率下力学性
能的差异;(2)影响钨合金性能和应变率敏感因素,并指出了今后研究的方向。本文详细总结了钨合金动态力学性能的研究结果,其内容
主要包括:(1)钨合金在高应变率载荷下的宏观响应以及不同应变率下力学性能的差异;(2)影响钨合金性能和应变率敏感因素,并指出
了今后研究的方向。钨合金 力学性能 合金学华北工学院学报杨卓越 刘国柱 [1]华北工学院 [2]山西电机厂1997

1997年第18卷第1期 华北工学院学报 Vd．18 No．1 1997
(总第57期)
钨合金动态力学性能研究进展
塑垄一
(华北工学院，太原030051) (山西电机厂，太原030012)
摘耍本：史详细总结了钨合金动态力学性能的研究结果，其内窖主要包括：(1)钨台金在
高应变率载荷下的宏观响应以及不同应变率下力学性能的差异；(2)影响钨台盎性能和应变
率敏感性因棠，井指出了今后研究的方向．
关键词墨盒鱼 ．’应变率
分类号"IG113．I ．
钨台金密度大、强度高，同时又有足够的韧性[1]，因此备受学者们的关注．特别是
用这种材料制作的穿甲弹在飞行过程中空气阻力引起的能量损失小．冲击目标物(靶板)
时，单位冲击面上冲击能量大n]，与原来的钢制弹体相比，极限穿甲速度降低(200~
3OO)m／s口]．因此早在二战期间就开始使用这种高密度烧结材料制作的穿甲弹_z]．
二战结束后，各国兵器界很重视这种新型穿甲弹材料的研究与应用，由于穿甲弹的
服役过程主要涉及动态领域，但钨合金在这种加载条件下的宏观响应与准静态下有较大
的差异．本文总结了这一领域的研究成果，并提出了目前存在的问题．
1 钨合金的应变率敏感性特征
1．1 压缩载荷下的敏感性特征
压缩载荷下，钨台金对应变率的敏感性主要表现为：在较小应变时的屈服抗力随应
变率的上升而增高H～】；但在较大应变时，除MeyexLw的结果外 ]，其流变抗力却随应
变率的上升而下降，如附图(a)所示．真应变超过3O 以后，中高应变率(2 s ，
3×10。S )下的流变抗力低于准静态(10 )下的值．出现上述现象的原因是材料塑
性变形时9O 以上的塑性功转化为热量，这种热量在应变率较高时没有足够的时间扩
散出去，以至使材料内温度上升，宏观上表现为热软化[ ．9)．Woodward R I 等人 对
95W'N~Fe高应变率压缩过程中温度上升的研究表明，由于绝热效应可使样品内温度上升
到600℃，可见足以使样品产生热软化．另一方面，一些实验已经证明口 ，温度的上升
会使钨合金的应变率敏感性下降，到600℃时其敏感性完全丧失．从本质上讲，上述大
应变量时更高应变率下钨合金流变抗力下降的原因是由于“绝热”变形使材料内温度上

t总第57期1 钨台金动春力学性能研究进最‘杨卓越等’
升从而导致材料应变率敏感性下降和热软化共同作用造成的．文献[7]所指出的上述流
变抗力下降是由于高应变率下热软化掩盖了其应变率敏感性的说法显得比较片面．
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Natru~SLt~f L％
a 压缩载荷下 e曲线 (b) 拉伸裁荷下的 e曲线 e
(c) g3w型锻l7％
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【c】 扭转载荷下r． 曲线[Ⅲ Ld) 断裂韧性随应变率的变化
附图不同载荷下钨台金对应变率的响应
1．2 其它加载条件下的敏感性特征
在拉伸和剪切载荷下．钨合金应变率敏感性主要表现为：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 州，附图(b)．(c)为典型的一
例．3点弯曲性能指标(抗弯力和挠度)随应变率的变化规律与拉伸、剪切的结果相一
致 ，断裂韧性(kja)随应变率的上升而下降[】 ，如附图(d)所示．
从拉伸和剪切的结果看，屈服极限对应变率的敏感性最强，w mso0riya等人m 对
其试验结果的回归分析表明：93W 抗剪切屈服极限对应变率的敏感性指数可达到
0．0365；相比之下，强度极限对应变率敏感性较小， 等人『=】 对其试验结果的回归分
析表明：9cW 的强度极限对应变率敏感性指数仅0．0054，高应变率剪切载荷下甚至出
现负的形变强化．如附图(c)所示．

46 华北工学院学报 1997年第1期
2 影响钨合金力学性能和应变率敏感性的因素
2．1 冷变形的影响
无论拉伸还是压缩，冷变形均使钨合金的强度明显上升，尤其是准静态条件下，如
附表中冷变形：各的93WIV~e，其低应变率(10~s-’的抗拉屈服极限比烧结态高出72 ；但
其形变强化能力却大大下降，高应变率下91WBIFe的强度极限冷加工态甚至还低于烧
结态见附表；压缩载荷下也有类似的结果_B]．特别值得注意的是高应变率下冷加工态和
烧结态的塑性值(延伸率和断面收缩率)相近，这种屈服强度明显上升而塑性又不下降正
是人们所希望的．终点弹道试验中表明f] ：穿甲过程，冷加工态的93WNiFe比烧结态
塑性变形更大一些．
附衰两种钨台金冷变形和烧结态的力学性能数据
状 态
材料 ⋯。工千⋯，一一l、 J旺止‘⋯●k ，出 ●c：
烧结态怜加工态 可
抗拉屈服极限，M 750 1 290
1O 抗拉强度极限，M 1 140 1 850 文献E113
延伸宰， 17 10
93WMFe 抗拉屈服极限，m 1 250 1 680
400 抗拉强度极限，M 1$50 1 710 文献E113
延伸率， 11 9
15 抗压屈服极限，m 1140 1 440 文献[n]
抗拉屈服极限，M 650 1 000
一 o一 嚣 m
断面收缩辜，％ 25 24
91W Fe 抗拉屈服极限
， M 1 300 1 450
10~ 104 嚣 m 。
断面收缩率． 14 13
冷加工使钨合金明显强化的同时还能使其应变率敏感性下降，如附表中烧结态的
91W在高应变率(10 s-’)下的抗拉屈服极限比准静态(10 s )高出近100 ，冷加工态
则仅增加40％；压缩载荷下则增加更少，约20％伽．尽管敏感性下降，但还是表现为正
敏感，无论应变率如何变化，冷加工态的屈服强度始终高于烧结态．因此冷加工是钨合
金有效的强化手段．
钨合金的冷变形方法在工艺上常采用型锻，其玲变形量以其截砸的减少来衡量目前
采用的型锻量：勾10 ～25 [5 ]．但哪一个型锻量下其性能最佳，目前还没有一致的看
法，从文献[8：的压缩试验结果看，型锻量超过l0％ 以后其强化效果趋于一致；而美国

(总第57期) 钨台金动态力学性能研究进展(杨卓越等) 47
陆军弹道研究所的模拟靶试验结果却表明：90WIN~'e型锻25％ 时其穿甲效果最佳m ．
2．2 钨含量对钨合金力学性能的影响
穿甲弹用的钨合金其钨含量一般为90 ～97 ，但就这么小的钨成分变化却又引起
其力学性能的明显变化．一般来说，钨量的增加使抗拉屈服极限和加工硬化指数均上
升，塑性却在下降““ z ．含93 w的钨合金强度极限最高，钨含量超过93 以后，·由
于塑性很差未出现形变强化即断裂．97W 的断裂极限甚至低于88w o]．在压缩载荷
下，钨含量的增加可有效地增加钨合金的强化效果+尤其是高应变速率下，如
(93～97)w 在应变率达到10 s-。时，其抗压屈服强度接近纯钨的值 ．在这种情况
下，强度相对较低、应变率敏感性较差的粘结相并未影响钨合金的抗压能力0 ；相
反这些少量粘接相的存在会使得钨晶体协调变形，表现出更好的宏观塑性 ”．
2．3 晶粒尺寸对钨合金力学性能的影响
改变钨合金中钨晶粒的尺寸同样会引起力学性能的变化，但与改变钨含量一样，对
不同的加载条件呈现不同的影响结果．在拉伸载荷下，钨晶粒尺寸增大使屈服极限和强
度极限都下降∞ ]，其中强度极限下降更为明显；但在压缩载荷下，改变钨晶粒尺寸并
未对其力学性能产生明显的影响_日 ]．很明显压缩载荷下的这一现象与Hall-Perch关系是
不一致的．
上述结果的出现是由于钨合金本身的微观组织造成的，钨合金的微观组织中，钨晶
粒直接接触的界面(即w／W界面)是最弱的，在拉伸载荷的作用下产生较小的宏观应变
(1 ～3 )时，就会在w，w界面上形成微裂纹 。 剐．如果晶粒尺寸较大，w／w接触的
界面也相应较大，其相应的傲裂纹尺寸也较大，从而有效地降低了钨合金的承载截面，
因此其强度降低便成为必然的了 相反在压缩载荷下，这些较弱的w／w界面不易形成
裂纹，甚至可使已形成的裂纹闭合叫，因此并未对钨合金的整个压缩性能形成不利的影
响，事实上所用的钨合金大多经过一定量的型锻，在压缩载荷下最初的变形主要集中在
强度相对较弱的粘结相内[ 25_，而钨晶体在变形的初始阶段并未参与变形，其相应的尺
寸效应也束暴露出来，从这一点上来说，上述压缩载荷下改变晶粒尺寸未明显影响其力
学性能的现象并不与I-hil—Pete．h关系矛盾．
除上述冷加工、成分和晶粒尺寸对钨合金的力学行为有较大的影响之外，其它诸如
烧结后的热处理、试验温度等等都对钨合金的力学性能有一定的影响，如试验温度上
升，钨合金应变率敏感性下降，300℃ 时强韧性最好_1 等等，但目前对这些影响因素的
研究还不够系统，有待于进一步完善．
3 结束语
由于钨合金在军用穿甲弹上使用最多，因此对其力学性能的研究也主要集中在高应
变加载条件下．从研究的结果看，主要以常规力学性能为主，所涉及的应变率大多未超
过10。s～，这一应变率范围仅与弹体在发射时的应变率接近 蚓，而实际穿甲作南所对应

48 华北工学院学报 1997年第l期
的应变率在11)5 以上，相差两个数量级以上[ ，因此建立两者之间的对应关系显得十
分重要；而且就目前还很难提高测试设备应变率的情况下，研究材料本构行为、建立本
构方程是一条可行的途径，Johnson等人 已经做过尝试．此外由于原材料的制备、随后
处理及测试手段的差异也会引起测试结果的不一致，这些都有待于进一步完善．