鎢含量對W-Cu復合材料高溫變形行為的影響

劉 勇，孫永偉，田保紅，趙瑞龍，張 毅

(1. 河南科技大學 材料科學與工程學院，洛陽 471003; 2. 河南科技大學 河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室，洛陽 471003)

鎢含量對W-Cu復合材料高溫變形行為的影響

劉 勇1,2，孫永偉1，田保紅1,2，趙瑞龍1，張 毅1,2

(1. 河南科技大學 材料科學與工程學院，洛陽 471003; 2. 河南科技大學 河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室，洛陽 471003)

采用Gleeble?1500D熱模擬試驗機，在溫度為650～950 ℃、應變速率為0.01～5 s?1、總應變量為0.7的條件下，對25%W-Cu和50%W-Cu(質量分數(shù))復合材料的熱變形行為及其熱加工圖進行研究和分析。結果表明：此兩種復合材料的高溫流動應力—應變曲線主要以動態(tài)再結晶為特征，峰值應力隨變形溫度的降低或應變速率的升高而增大；在真應力—應變曲線基礎上建立的W-Cu復合材料高溫變形本構模型較好地表征了其高溫流變特性；同時，利用50%W-Cu復合材料DMM加工圖分析了其變形機制和失穩(wěn)機制，確定其熱加工工藝參數(shù)應優(yōu)先選擇變形溫度為650～700 ℃、應變速率為1～5 s?1，或者變形溫度為850～950 ℃、應變速率為0.01～0.1 s?1。

W-Cu復合材料；應變速率；峰值應力；動態(tài)再結晶；加工圖

W-Cu復合材料是由高熔點、低熱膨脹系數(shù)的鎢和高電導率、熱導率的銅組成的復合材料，它具有較高的密度、強度和硬度，良好的延展性、導電性和熱性及較低熱膨脹系數(shù)。近年來，現(xiàn)代電子信息業(yè)和國防工業(yè)高尖端領域的快速發(fā)展使鎢合金及其復合材料的應用日益擴大，其中W-Cu復合材料因其性能優(yōu)良、成本較低，被認為是極具發(fā)展?jié)摿蛻们熬暗男滦凸δ懿牧蟍1?4]。但是，對于不同鎢含量的W-Cu復合材料，其性能隨著成分的變化而變化。因此，研究不同鎢含量的W-Cu復合材料的綜合性能，對制備高性能的鎢銅制品具有重要意義。

目前，對于W-Cu復合材料的研究主要集中在致密度、制備工藝等方面；而關于W-Cu復合材料高溫塑性變形的研究，在國內外還鮮見報道。研究材料流動特性主要采用熱模擬試驗法，不僅可以建立金屬的高溫流動應力與變形溫度、應變速率、變形程度的本構關系，進行塑性成形數(shù)值模擬，而且可以建立金屬塑性成形能力的表征關系來描述材料加工性能[5?7]。本文作者通過熱壓縮試驗，建立不同鎢含量的W-Cu復合材料的本構模型，并采用DMM加工圖理論研究材料的熱加工性能，為W-Cu復合材料熱加工工藝制定與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 實驗

實驗材料采用真空熱壓燒結制備的25%W-Cu和50%W-Cu復合材料，其致密度、顯微硬度和電導率見表1。由表1可知，兩種W-Cu復合材料的致密度較高，組織致密；且隨著鎢含量的增加，其顯微硬度增大、電導率降低。這是由于隨著鎢顆粒質量分數(shù)的增加，其彌散強化作用增強，材料的硬度增加；同時，其對電子的散射作用增強，從而導致電導率下降。

表1 不同鎢含量W-Cu復合材料的物理性能Table 1 Physical properties of W-Cu composites with different W contents

沿軸向將試樣加工成d8 mm×12 mm圓柱，在Gleeble?1500D熱模擬機上進行熱壓縮試驗，壓縮時在試樣兩端均勻涂敷潤滑劑(石墨+機油)以減小試樣與壓頭之間的摩擦。兩種復合材料的變形溫度均分別為650、750、850和950 ℃，應變速率分別為0.01、 0.1、1和5 s?1。變形后立即水淬，以保留熱變形組織便于觀察和分析。

2 結果與討論

2.1 真應力—真應變曲線

圖1和2分別為25%W-Cu和50%W-Cu復合材料在不同溫度、不同應變速率下的真應力—真應變曲線。

由圖1和2可以看出，25%W-Cu和50%W-Cu復合材料都是動態(tài)再結晶類型，即所有的應力—應變曲線上都出現(xiàn)了一個明顯的應力峰值；而在整個壓縮過程中，流變應力隨著應變量的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是加工硬化和動態(tài)回復、再結晶軟化共同作用的結果。此外，在相同的溫度和應變速率下，隨著鎢含量的增加，流變應力呈增大趨勢：即在相同變形條件下，與25%W-Cu復合材料相比，50%W-Cu復合材料的流變應力整體上提高20 MPa，這是因為隨著鎢含量的增加，鎢顆粒的釘扎作用增強，導致流變應力增大。在相同溫度下，流變應力隨著應變速率的增加而增大，且其應力峰值也相應地在更大應變量時才出現(xiàn)；當應變速率相同時，流變應力隨著溫度的升高而降低，其峰值應力對應的應變量則相應降低。

可見，應變速率的降低和溫度的升高都有利于動態(tài)再結晶的發(fā)生，即應變速率和溫度對W-Cu復合材料的熱變形行為具有顯著影響。

2.2 流變應力方程

金屬材料的高溫塑性變形過程與高溫蠕變過程相似，都存在熱激活過程，流變應力取決于變形溫度和應變速率，通?？梢杂肁rrhenius方程來描述[8]：

式(1)～(3)中：A1、A2、A、α、n、n′和β均為材料常數(shù)，與溫度無關；式(3)中的α為式(2)中β與式(1)中n′的比值；為應變速率；T為熱力學溫度；R為摩爾氣體常數(shù)；Q為熱變形激活能；求出A、α、n和Q即可描述材料的高溫流變特性。SELLARS和MCTEGART[7]提出并用實驗驗證了熱變形條件，通?？梢杂脺囟妊a償?shù)膽兯俾室蜃覼ener-Hollomon參數(shù)Z來表示[8?10]：

圖1 不同溫度下25%W-Cu復合材料熱壓縮變形的真應力—真應變曲線Fig. 1 True stress—true strain curves of 25%W-Cu composite during hot compression deformation at different temperatures: (a) 650 ℃; (b) 750 ℃; (c) 850 ℃; (d) 950 ℃

對式(1)、(2)和(4)兩邊取對數(shù)，可得

在一定的應變和應變速率下，由式(3)對1/T求偏導數(shù)得

25%W-Cu和50%W-Cu復合材料在熱變形過程中的擬合參數(shù)值如表2所列。由表2可知，不同鎢含量的W-Cu復合材料的Q值也不相同，且隨著鎢含量的增加，其Q值增大。25%W-Cu復合材料的熱變形激活能比50%W-Cu復合材料的低，主要是由于鎢含量的降低，第二相粒子的釘扎作用減弱，這也表明了25%W-Cu復合材料的熱變形比50%W-Cu復合材料的熱變形更容易，可成形性較高。

將以上所求得的參數(shù)值代入式(3)，即可得到25%W-Cu和50%W-Cu復合材料的高溫熱變形流變應力本構方程分別如式(9)和(10)所示：

圖2 不同溫度下50%W-Cu復合材料熱壓縮變形真應力—真應變曲線Fig. 2 True stress—true strain curves of 50%W-Cu composite during hot compression deformation at different temperatures: (a) 650 ℃; (b) 750 ℃; (c) 850 ℃; (d) 950 ℃

表2 W-Cu復合材料的參數(shù)擬合值Table 2 Fitted values of W-Cu composite constants

2.3 DMM加工圖

印度學者RAO等[11]與PRASAD等[12]提出了動態(tài)材料模型，它是基于材料在熱加工過程中的不可逆熱力學的最大值定理在大應變塑性變形方面的應用[13]。在給定應變ε和變形溫度T的條件下，應變速率敏感指數(shù)m可以由耗散量函數(shù)和耗散協(xié)量函數(shù)的變化率來表示[14]：

無量綱的功率耗散效率因子η可以由應變速率敏感指數(shù)m來描述：

η描述的是材料在熱處理變形過程中因組織改變而消耗的能量與理想線性耗散狀態(tài)下因顯微組織改變而消耗的能量的比值。

在功率耗散圖中，并不是功率耗散效率越高，材料的內在可加工性能就越好，因為在加工失穩(wěn)區(qū)功率耗散效率也可能較高，所以有必要先判斷合金的加工失穩(wěn)區(qū)。根據(jù)大應變塑性變形時極大值原理，可推導出保持塑性流變穩(wěn)定的條件式[15?16]為

圖3 50%W-Cu復合材料在不同真應變時的DMM加工圖Fig. 3 DMM processing maps of 50%W-Cu composite at various true strains (Numbers in Fig. 3 are values of power dissipation efficiency, %): (a)ε= 0.4; (b)ε=0.6

DMM加工圖是功率耗散圖和失穩(wěn)圖的疊加，可用來研究和確定材料熱加工工藝參數(shù)。圖3所示為50%W-Cu復合材料在不同真應變時的DMM加工圖。從圖3可知，50%W-Cu復合材料在變形溫度為850～950 ℃、應變速率大于0.1 s?1時均會發(fā)生流變失穩(wěn)，這可能是由于變形溫度較高時，鎢顆粒與銅基體界面和銅基體晶界更容易發(fā)生滑移，界面處產(chǎn)生嚴重的應力集中，從而引起界面出現(xiàn)裂紋，在熱加工時應避開這部分區(qū)域；而在低應變速率下，界面滑移產(chǎn)生的應力集中有足夠的時間通過擴散等途徑釋放，從而避免開裂。加工圖中隨著應變速率的減小，功率耗散效率逐漸提高，當變形溫度為950 ℃、應變速率0.01 s?1時，出現(xiàn)功率耗散效率極值為26%，較高的功率耗散效率意味著出現(xiàn)特殊的顯微組織或導致流變失穩(wěn)。

圖4所示為50%W-Cu復合材料熱變形后的顯微組織。從圖4可以看出，在加工圖中功率耗散效率較高區(qū)域即變形溫度為850～950 ℃、應變速率為0.01～0.1 s?1時復合材料都發(fā)生了完全動態(tài)再結晶，得到等軸狀再結晶組織，這個區(qū)域的組織易于控制，其對應的變形溫度和應變速率即為最佳變形工藝參數(shù)。在加工圖中失穩(wěn)區(qū)域，即變形溫度為950 ℃、應變速率為5 s?1條件下，壓縮試樣表面產(chǎn)生了宏觀裂紋，在熱變形時應避開此區(qū)域。

圖4 不同變形溫度和應變速率時50%W-Cu復合材料的顯微組織Fig. 4 Microstructures of 50%W-Cu composite at various deformation temperatures and strain rates: (a)t=950 ℃, ε˙= 0.01 s?1; (b)t=850 ℃, ε˙=0.01 s?1

綜上所述，根據(jù)加工圖及顯微組織可以確定該復合材料優(yōu)先選擇的高溫塑性變形工藝參數(shù)如下：變形溫度650～700 ℃、應變速率1～5 s?1，或變形溫度850～950 ℃、應變速率0.01～0.1 s?1。

3 結論

1) 不同鎢含量的W-Cu復合材料在熱變形過程中的動態(tài)軟化機制以動態(tài)再結晶機制為主，峰值應力均隨變形溫度的降低或應變速率的增大而增大，W-Cu復合材料是溫度和應變速率敏感材料。

2) 25%W-Cu和50%W-Cu復合材料的本構方程分別如下：

3) 根據(jù)50%W-Cu復合材料的DMM加工圖和顯微組織，結合其流變失穩(wěn)條件，可以確定其高溫塑性變形優(yōu)先選擇工藝參數(shù)如下：變形溫度650～700 ℃、應變速率1～5 s?1，或變形溫度850～950 ℃、應變速率0.01～0.1 s?1。

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(編輯 陳衛(wèi)萍)

Effect of W content on hot deformation behavior of W-Cu composite at elevated temperature

LIU Yong1,2, SUN Yong-wei1, TIAN Bao-hong1,2, ZHAO Rui-long1, ZHANG Yi1,2
(1. School of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China; 2. Henan Key Laboratory of Advanced Non-Ferrous Materials, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Using the Gleeble?1500D simulator, the high-temperature plastic deformation behavior and processing map of 25%W-Cu and 50%W-Cu (mass fraction) composites were investigated at 650?950 ℃ with the strain rate of 0.01?5 s?1and total strain of 0.7. The results show that the softening mechanism of the dynamic recrystallization is a feature of high-temperature flow stress—strain curves of the two composites, and the peak stress increases with the decrease of deformation temperature or the increase of strain rate. Based on the true stress—strain curves, the established constitutive equation represents the high-temperature flow behavior of W-Cu composite, and the calculated results of the flow stress are in good agreement with the experimental results of the high-temperature deformation of the two composites. Meanwhile, the obtained processing map of dynamic material modeling is used to analyze the deformation mechanism and the destabilization mechanism of 50%W-Cu composite, the optimal deformation processing parameters of the deformation temperatures range and the strain rates range are 650?700 ℃ and 1?5 s?1or 850?950 ℃ and 0.01?0.1 s?1, respectively.

W-Cu composite; strain rate; peak stress; dynamic recrystallization; processing map

TG146

A

國家自然科學基金資助項目(51101052)；河南科技大學博士科研啟動基金資助項目(09001199)

2011-09-03；

2011-12-28

劉 勇，教授，博士；電話：0379-64229405；E-mail: liuyong@mail.haust.edu.cn

1004-0609(2012)09-2553-06