Mo－La2O3復合材料微觀結構與力學性能的研究

韓強

(金堆城鉬業股份有限公司科技信息部，陜西 西安 710077)

Mo－La2O3復合材料微觀結構與力學性能的研究

韓強

(金堆城鉬業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，電子萬能材料試驗機，動態熱模擬機研究了稀土鉬復合材料的結構、形貌、硬度、斷裂韌性、高溫屈服強度、強韌化機理等。結果表明:在鉬中添加適量的La2O3，可起到室溫強韌化和高溫強化作用。隨著La2O3含量的增加，樣品的硬度、斷裂韌性呈先增后減的規律，其最大值分別為l0.85 GPa，7.25 MPa·m1/2。該材料的強化機制為細晶優化和晶界強化;韌化機制為細晶韌化，裂紋偏轉、微橋接和彎曲韌化。

Mo－La2O3復合材料;結構;性能;強韌化機制

0 前言

鉬金屬具有高熔點、低膨脹系數和高熱導率等諸多優良性能，故而在工業中有著廣泛的應用。但是，純鉬的再結晶溫度較低(約900～1 000℃)，容易發生變形或脆斷，嚴重影響其使用性能。因此鉬金屬的強韌化研究一直受到業內重視［1］。在對鉬基體起到彌散強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。

結構決定著性能，性能是結構的反映。因此，本實驗通過均勻摻雜、冷等靜壓型、中頻燒結、板材軋機壓力加工等工藝制備了Mo－La2O3復合材料，采用電子萬能材料試驗機，動態熱模擬機，X射線衍射(XRD)，掃描電子顯微鏡(SEM)等系統地研究了該復合材料的微觀結構與宏觀性能，為該材料的工業應用提供了基礎數據和理論依據。

1 實驗

1.1 試樣制備

采用固－液摻雜方式，在MoO2粉末中摻入0%～3.0%(質量分數，下同)La(NO3)3，然后將經過烘干的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，接著經過冷等靜壓壓力為160 MPa，保壓時間為5 min，中頻燒結制成高溫鉬與純鉬的燒結板坯，兩種鉬板坯進行熱軋與交叉換向溫軋生產厚度1.0 mm板材，總變形率達95%以上。

對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型鎢網爐中于1 050～1 450℃進行真空退火。

1.2 樣品分析測試

采用SIEMENS－500型X射線衍射儀(CuKa輻射，λ=0.154 1 nm)對所制備的樣品進行結構分析，步進寬度為0.02，計數時間為3 s。采用HVA－10A型低負荷維氏硬度計測試樣品的室溫硬度，測量載荷為49 N;在WD－10A型電子萬能材料試驗機上采用切口梁法計算燒結坯塊的室溫斷裂韌性KJC值。其中，切口梁法的試樣長度為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動態熱模擬機進行高溫壓縮試驗，加熱速度為20 K/min，壓縮速度為0.5 mm/min，試驗溫度為1 473 K。采用JSMT－200型掃描電子顯微鏡對樣品的斷口形貌、壓痕裂紋、微裂紋等進行分析。

2 結果及討論

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，表明樣品經冷等靜壓及1 873 K燒結24 h后，La2O3能夠穩定存在。

2.2 La2O3對Mo的強韌化作用

從圖2可以看出，隨著La2O3含量的增加，Mo－x%La2O3復合材料的室溫硬度、斷裂韌性值均逐漸增加。當La2O3含量為0.8%、0.4%時分別達到其最大值10.85 GPa，7.25 MPa·m1/2，此后又有不同程度的下降。其中，當La2O3含量在0.8%～3.0%范圍內，樣品的室溫硬度趨于穩定(保持在10 GPa左右)，而室溫斷裂韌性的下降趨勢則相對較大。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律。因此，在鉬材料中加入適量的La2O3起到了室溫強韌化的作用［2］。

圖2 Mo－x%La2O3樣品的室溫硬度、斷裂韌性與成分的關系

圖3 Mo－x%La2O3樣品的高溫壓縮屈服強度與溫度的關系

由圖3可知，實驗所選定的溫度范圍內，兩種材料的高溫屈服強度隨溫度的升高而逐漸下降。溫度相同時，Mo－x%La2O3復合材料的高溫強度比純Mo大約提高了120 MPa，因而，La2O3的加入對鉬材料起到了一定的高溫強化作用。

2.3 Mo－La2O3復合材料的強化機制

2.3.1 室溫強化機制

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

其中:σy為產生0.2%變形時的屈服應力σ0.2，可用顯微硬度Hv代替;σ0為移動單個位錯時產生的晶格磨擦阻力;k，m為常數;d為平均粒徑。

因而，H－P關系式可改寫成:

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

2.3.2 高溫強化機制Mo－x%La2O3復合材料經1 473 K高溫壓縮變形后的斷口分析結果如圖4所示。

圖4 Mo－x%La2O3樣品經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。當玻璃相存在于晶界時，使得晶界先于位錯運動而滑動，成為主要的變形機制。隨著溫度的升高，玻璃相的粘度下降，晶界滑動增加，從而使樣品的強度降低［3］。由圖4b可知，在Mo－0.8%La2O3復合材料的斷面上未發現玻璃相，即在鉬材料中添加適量的La2O3可阻止高溫變形時有害的玻璃相的形成，從而提高Mo基材料的高溫強度(如圖3所示)。

2.4 Mo－La2O3復合材料的韌化機制

2.4.1 細晶韌化機制

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

圖5 Mo－x%La2O3復合材料的SEM顯微組織

另外，相對于兩側的晶粒而言，晶界是點陣畸變區，起著抑制裂紋擴展的勢壘作用，晶粒愈細，裂紋失穩擴展所消耗的能量愈大。判別裂紋是否失穩擴展的判別式為［4］:

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

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

圖6 Mo－0.8%La2O3復合材料中壓痕裂紋的SEM照片

2.4.2 裂紋的偏轉、微橋接和彎曲增韌機制

由圖6可知，在鉬材料中加入適量的La2O3后，在變形過程中，裂紋擴展時會發生偏轉、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的差異，造成材料內部產生徑向張應力和切向壓應力，這種應力的存在和外力相互作用，使裂紋前進的方向發生偏轉、微橋接和彎曲，從而提高材料的抗斷裂能力、增加韌性。

3 結論

(1)Mo－x%La2O3復合材料由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律，當La2O3含量為0.8%，0.4%時分別達到其最大值10.85 GPa，7.25 MPa·m1/2。

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

(3)Mo－La2O3復合材料的強化機制主要為細晶強化(室溫)，優化晶界強化(高溫);該材料的韌化機制主要為細晶韌化機制，裂紋的偏轉、微橋接和彎曲增韌機制。

［1］殷勁松，呂忠.鉬和鉬合金［C］.中國有色金屬學會第7屆全國難熔金屬學術交流會文集.西安:陜西科學技術出版社，1991:206－207.

［2］Motomu E.稀土元素對摻雜鉬絲的影響［C］.第12屆國際普蘭西會議論文譯文選集.中南工業大學出版社，1991:162－165.

［3］Haertle S.氧化物彌散強化鎢和鉬的生產及其性質［C］.第12屆國際普蘭西會議論文譯文選集.中南工業大學出版社，1991:154－156.

［4］Xiao Jimei(肖紀美).The Toughness and toughening of metal(金屬的韌性與韌化)［M］.上海:上?？茖W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(1975－)，男，金屬壓力加工高級工程師。曾研發稀土鉬系列產品，現負責金鉬股份鉬金屬、鉬化工的技術管理。