Mo－La2O3復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的研究

韓強(qiáng)

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司科技信息部，陜西 西安 710077)

Mo－La2O3復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的研究

韓強(qiáng)

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司科技信息部，陜西 西安 710077)

采用X射線衍射儀(XRD)，掃描電子顯微鏡(SEM)，維氏硬度計(jì)，電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，動(dòng)態(tài)熱模擬機(jī)研究了稀土鉬復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形貌、硬度、斷裂韌性、高溫屈服強(qiáng)度、強(qiáng)韌化機(jī)理等。結(jié)果表明:在鉬中添加適量的La2O3，可起到室溫強(qiáng)韌化和高溫強(qiáng)化作用。隨著La2O3含量的增加，樣品的硬度、斷裂韌性呈先增后減的規(guī)律，其最大值分別為l0.85 GPa，7.25 MPa·m1/2。該材料的強(qiáng)化機(jī)制為細(xì)晶優(yōu)化和晶界強(qiáng)化;韌化機(jī)制為細(xì)晶韌化，裂紋偏轉(zhuǎn)、微橋接和彎曲韌化。

Mo－La2O3復(fù)合材料;結(jié)構(gòu);性能;強(qiáng)韌化機(jī)制

0 前言

鉬金屬具有高熔點(diǎn)、低膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率等諸多優(yōu)良性能，故而在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。但是，純鉬的再結(jié)晶溫度較低(約900～1 000℃)，容易發(fā)生變形或脆斷，嚴(yán)重影響其使用性能。因此鉬金屬的強(qiáng)韌化研究一直受到業(yè)內(nèi)重視［1］。在對(duì)鉬基體起到彌散強(qiáng)化作用的稀土氧化物中，研究較多的是La2O3、Y2O3和CeO2，其他還有Sm2O3、Nd2O3和Gd2O3等。

結(jié)構(gòu)決定著性能，性能是結(jié)構(gòu)的反映。因此，本實(shí)驗(yàn)通過均勻摻雜、冷等靜壓型、中頻燒結(jié)、板材軋機(jī)壓力加工等工藝制備了Mo－La2O3復(fù)合材料，采用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，動(dòng)態(tài)熱模擬機(jī)，X射線衍射(XRD)，掃描電子顯微鏡(SEM)等系統(tǒng)地研究了該復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能，為該材料的工業(yè)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

采用固－液摻雜方式，在MoO2粉末中摻入0%～3.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)La(NO3)3，然后將經(jīng)過烘干的MoO2－x%La(NO3)3混合物在平四管電阻爐中，通過氫還原法(溫度為1 273 K，氫氣流量為60 M3/h)得到費(fèi)氏粒度為3.2 μm的Mo－x%La2O3(x=0，0.1，0.3，0.8，3.0)摻雜粉末，接著經(jīng)過冷等靜壓壓力為160 MPa，保壓時(shí)間為5 min，中頻燒結(jié)制成高溫鉬與純鉬的燒結(jié)板坯，兩種鉬板坯進(jìn)行熱軋與交叉換向溫軋生產(chǎn)厚度1.0 mm板材，總變形率達(dá)95%以上。

對(duì)按上述工藝制備出的稀土高溫鉬板和純鉬板沿軋制方向截取試樣。上述試樣在SL63－14A型鎢網(wǎng)爐中于1 050～1 450℃進(jìn)行真空退火。

1.2 樣品分析測(cè)試

采用SIEMENS－500型X射線衍射儀(CuKa輻射，λ=0.154 1 nm)對(duì)所制備的樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，步進(jìn)寬度為0.02，計(jì)數(shù)時(shí)間為3 s。采用HVA－10A型低負(fù)荷維氏硬度計(jì)測(cè)試樣品的室溫硬度，測(cè)量載荷為49 N;在WD－10A型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上采用切口梁法計(jì)算燒結(jié)坯塊的室溫?cái)嗔秧g性KJC值。其中，切口梁法的試樣長(zhǎng)度為26 mm，寬度為6 mm，厚度為1 mm，單邊切口深度為1 mm，跨距為18 mm，壓縮速度為2 mm/min;采用Gleeble1500動(dòng)態(tài)熱模擬機(jī)進(jìn)行高溫壓縮試驗(yàn)，加熱速度為20 K/min，壓縮速度為0.5 mm/min，試驗(yàn)溫度為1 473 K。采用JSMT－200型掃描電子顯微鏡對(duì)樣品的斷口形貌、壓痕裂紋、微裂紋等進(jìn)行分析。

2 結(jié)果及討論

2.1 樣品的X射線衍射分析

圖1 Mo－0.8%La2O3樣品的XRD圖譜

從圖1可以看出，Mo－0.8%La2O3復(fù)合材料(MA)中除了Mo衍射峰外，還存在La2O3的衍射峰，表明樣品經(jīng)冷等靜壓及1 873 K燒結(jié)24 h后，La2O3能夠穩(wěn)定存在。

2.2 La2O3對(duì)Mo的強(qiáng)韌化作用

從圖2可以看出，隨著La2O3含量的增加，Mo－x%La2O3復(fù)合材料的室溫硬度、斷裂韌性值均逐漸增加。當(dāng)La2O3含量為0.8%、0.4%時(shí)分別達(dá)到其最大值10.85 GPa，7.25 MPa·m1/2，此后又有不同程度的下降。其中，當(dāng)La2O3含量在0.8%～3.0%范圍內(nèi)，樣品的室溫硬度趨于穩(wěn)定(保持在10 GPa左右)，而室溫?cái)嗔秧g性的下降趨勢(shì)則相對(duì)較大。即樣品的室溫硬度、斷裂韌性隨La2O3含量的增加呈先增后減的規(guī)律。因此，在鉬材料中加入適量的La2O3起到了室溫強(qiáng)韌化的作用［2］。

圖2 Mo－x%La2O3樣品的室溫硬度、斷裂韌性與成分的關(guān)系

圖3 Mo－x%La2O3樣品的高溫壓縮屈服強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

由圖3可知，實(shí)驗(yàn)所選定的溫度范圍內(nèi)，兩種材料的高溫屈服強(qiáng)度隨溫度的升高而逐漸下降。溫度相同時(shí)，Mo－x%La2O3復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度比純Mo大約提高了120 MPa，因而，La2O3的加入對(duì)鉬材料起到了一定的高溫強(qiáng)化作用。

2.3 Mo－La2O3復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制

2.3.1 室溫強(qiáng)化機(jī)制

與純鉬相比，Mo－La2O3復(fù)合材料的硬度顯著提高(圖2)。引用金屬學(xué)中的Hal1－Petch(H－P)公式來描述Mo基復(fù)合材料晶粒度與屈服應(yīng)力的關(guān)系:

其中:σy為產(chǎn)生0.2%變形時(shí)的屈服應(yīng)力σ0.2，可用顯微硬度Hv代替;σ0為移動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生的晶格磨擦阻力;k，m為常數(shù);d為平均粒徑。

因而，H－P關(guān)系式可改寫成:

從圖2室溫硬度曲線可知，Mo－x%La2O3復(fù)合材料的硬度隨著晶粒尺寸的減小而增加，即上述關(guān)系式是成立的。因而，在Mo中添加適量的La2O3，使材料的晶粒細(xì)化，從而使材料達(dá)到室溫強(qiáng)化的目的。

2.3.2 高溫強(qiáng)化機(jī)制Mo－x%La2O3復(fù)合材料經(jīng)1 473 K高溫壓縮變形后的斷口分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 Mo－x%La2O3樣品經(jīng)1 473 K壓縮后的SEM照片

由圖4a可知，在純鉬的斷面上，晶粒表面比較光滑，有玻璃相存在。當(dāng)玻璃相存在于晶界時(shí)，使得晶界先于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而滑動(dòng)，成為主要的變形機(jī)制。隨著溫度的升高，玻璃相的粘度下降，晶界滑動(dòng)增加，從而使樣品的強(qiáng)度降低［3］。由圖4b可知，在Mo－0.8%La2O3復(fù)合材料的斷面上未發(fā)現(xiàn)玻璃相，即在鉬材料中添加適量的La2O3可阻止高溫變形時(shí)有害的玻璃相的形成，從而提高M(jìn)o基材料的高溫強(qiáng)度(如圖3所示)。

2.4 Mo－La2O3復(fù)合材料的韌化機(jī)制

2.4.1 細(xì)晶韌化機(jī)制

由圖5可知，在Mo中加入La2O3可使其晶粒明顯細(xì)化。細(xì)化晶粒，可增大相鄰晶粒之間的約束，使晶粒內(nèi)的形變立即傳遞給周圍相鄰的晶粒而產(chǎn)生均勻形變，不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，不容易形成裂紋。

圖5 Mo－x%La2O3復(fù)合材料的SEM顯微組織

另外，相對(duì)于兩側(cè)的晶粒而言，晶界是點(diǎn)陣畸變區(qū)，起著抑制裂紋擴(kuò)展的勢(shì)壘作用，晶粒愈細(xì)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展所消耗的能量愈大。判別裂紋是否失穩(wěn)擴(kuò)展的判別式為［4］:

式中，σ0－位錯(cuò)的摩擦阻力:d－晶粒度;ky，ky＇，β－常數(shù);μ－切變模量;γ－比表面積。

由(3)式可知，減小晶粒尺寸，可使裂紋不容易發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。因此，La2O3的加入，可使鉬材料的晶粒細(xì)化、阻礙裂紋的形成和失穩(wěn)擴(kuò)展，從而有效地提高材料的韌性。

圖6 Mo－0.8%La2O3復(fù)合材料中壓痕裂紋的SEM照片

2.4.2 裂紋的偏轉(zhuǎn)、微橋接和彎曲增韌機(jī)制

由圖6可知，在鉬材料中加入適量的La2O3后，在變形過程中，裂紋擴(kuò)展時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、微橋接和彎曲。這是由于在La2O3粒子與Mo基體間存在著彈性模量和膨脹系數(shù)的差異，造成材料內(nèi)部產(chǎn)生徑向張應(yīng)力和切向壓應(yīng)力，這種應(yīng)力的存在和外力相互作用，使裂紋前進(jìn)的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)、微橋接和彎曲，從而提高材料的抗斷裂能力、增加韌性。

3 結(jié)論

(1)Mo－x%La2O3復(fù)合材料由La2O3和Mo組成，樣品的室溫硬度、斷裂韌性隨La2O3含量的增加呈先增后減的規(guī)律，當(dāng)La2O3含量為0.8%，0.4%時(shí)分別達(dá)到其最大值10.85 GPa，7.25 MPa·m1/2。

(2)在鉬材料中加入適量的La2O3，具有較好的高溫強(qiáng)化效果，使材料在1 073～1 473 K溫度范圍內(nèi)的高溫壓縮屈服強(qiáng)度提高120 MPa。

(3)Mo－La2O3復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制主要為細(xì)晶強(qiáng)化(室溫)，優(yōu)化晶界強(qiáng)化(高溫);該材料的韌化機(jī)制主要為細(xì)晶韌化機(jī)制，裂紋的偏轉(zhuǎn)、微橋接和彎曲增韌機(jī)制。

［1］殷勁松，呂忠.鉬和鉬合金［C］.中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)第7屆全國(guó)難熔金屬學(xué)術(shù)交流會(huì)文集.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1991:206－207.

［2］Motomu E.稀土元素對(duì)摻雜鉬絲的影響［C］.第12屆國(guó)際普蘭西會(huì)議論文譯文選集.中南工業(yè)大學(xué)出版社，1991:162－165.

［3］Haertle S.氧化物彌散強(qiáng)化鎢和鉬的生產(chǎn)及其性質(zhì)［C］.第12屆國(guó)際普蘭西會(huì)議論文譯文選集.中南工業(yè)大學(xué)出版社，1991:154－156.

［4］Xiao Jimei(肖紀(jì)美).The Toughness and toughening of metal(金屬的韌性與韌化)［M］.上海:上?？茖W(xué)出版社，1983: l56.

MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF Mo－La2O3COMPOSITES

HAN Qiang
(Technology Information Department，Jinduicheng Molybdenum Co.，Ltd.，Xi＇an 710077，Shaanxi，China)

The structure，morphology，hardness，fracture toughness，high－temperature yield strength，strengthening and toughening mechanism of Mo－La2O3composites were investigated by means of X－ray diffraction(XRD)，scanning electron microscope(SEM)，Vichers hardness tester，electrical omnipotence material tester and dynamic heat simulate in this paper.The results showed that the ambient temperature hardness and fracture toughness，high－temperature yield strength of the samples would increase by adding suitable La2O3into Mo materia1.The hardness and toughness of the specimens would increase，then decrease with increasing the content of La2O3，and their maximum value were 10.85 GPa and 7.25 MPa·m1/2，respectively.The strengthening mechanisms of composites are fine grains and optimal crystal boundary strengthening，and the toughening mechanisms are fine grain toughening and crack deflection，the micro bridge join and the crack bend toughening.

Mo－La2O3composites;microstructure;properties;strengthening and toughening mechanism

TG146.4+12

A

1006－2602(2011)06－0049－04

2011－07－21

韓強(qiáng)(1975－)，男，金屬壓力加工高級(jí)工程師。曾研發(fā)稀土鉬系列產(chǎn)品，現(xiàn)負(fù)責(zé)金鉬股份鉬金屬、鉬化工的技術(shù)管理。