Ta-10W 合金壓縮力學性能實驗研究
發(fā)布時間:
2025-06-27
1 引 言
Ta和Ta合金具有高密度、高熔點、耐腐蝕、優(yōu)異的高溫強度、良好的加工性和可焊性以及低的塑脆轉變溫度等優(yōu)良性能,而廣泛應用于電子、化工、武器等多種行業(yè)［1-2］。在難熔金屬中,Ta的低溫塑性是最好的,其塑性-脆性轉變溫度低于－196℃,同時其對腐蝕介質干氯、濕氯、氯水、次氯酸、次氯酸鹽以及鹽酸等均具有優(yōu)異的抗腐蝕性能［3］,美國 Los Alamos 國家實驗室利用 Ta合金對熔融钚良好的耐腐蝕性,將其作為核原料钚的熔煉坩堝和攪拌器原料［4］。
作為一種典型的 BCC（Body Centered Cubic）結構金屬,T a 和 T a 合金的力學性能受微量雜質含量、結晶結構等內在因素的影響,對溫度及應變率的變化比較敏感,引起了國內外許多學者的關注。S．Nemat-Nasser［5-6］通過對 T a 和 T a-2?5W 材料的動態(tài)力學性能實驗結果進行分析發(fā)現,W 成分增加使 T a-2?5W 具有更高的流動應力,但降低其應變率敏感性。彭建祥［7］ 利用所測得的應力-應變曲線擬合了 T a 在不同應變率和不同溫度下的 Johnson-Cook 與 Zerill-i Armstrong 本構方程,并對 JohnsonCook 本構方程中的應變率強化項作了修正。張林［8］通過平面對稱碰撞實驗,給出了 T a 在低壓下的沖擊特性參數和層裂強度。L．M．Hsiung［9］ 研究了平板沖擊實驗對 T a 和 T a-10W 材料微結構排列的影響。Q．Wei［10］研究了等通道拉伸后 T a 材料的微結構和力學特性。丁旭［11］ 通過 X 射線衍射實驗方法測定了較高 W 含量的 T a-W 二元合金的晶格常數,采用3種不同方法計算了 T a-W 密度,并對結果之間的差異進行了分析。本工作采用 MTS 試驗機和 S HPB（Split Hopkinson Pressure Bar）裝置對非退火狀態(tài) T a-10W 合金進行準靜態(tài)和動態(tài)壓縮實驗,獲得了其準靜態(tài)壓縮屈服強度和動態(tài)壓縮應力-應變關系曲線,并對其力學特性及應變率敏感性進行了分析。
2 準靜態(tài)壓縮實驗
利用 MTS 材料實驗機以1mm／min 的加載速度對直徑為10mm、軸向長度為15mm 的圓柱形非退火狀態(tài) T a-10W 試件進行準靜態(tài)壓縮,經壓縮后試件的變形如圖1所示。從圖1中可以看出,在準靜態(tài)壓縮過程中,試件呈鼓狀變形,隨著載荷增加試件變粗,在本實驗中加載的最大載荷約為9t,此載荷使試件發(fā)生了明顯的塑性變形,但還未達到試件破壞的載荷極限,試件表面沒有明顯的裂紋產生,說明試件材料具有良好的韌性。由實驗測試計算得到的試件應力隨加載頭下降位移的關系曲線如圖2所示,從圖中可知,非退火狀態(tài) T a-10W 合金具有較高的強度,其準靜態(tài)壓縮屈服強度約為930MPa。
3 動態(tài)壓縮實驗方法
3．1 SHPB 實驗原理
Ta-10W 動態(tài)壓縮實驗在直徑為25mm 的分離式 Hopkinson 壓桿（Split Hopkinson Pressure Bar,S HPB）實驗系統(tǒng)上完成,其加載裝置如圖3所示,其中子彈長度為300mm,輸入桿與輸出桿的長度均為1000mm,應變片粘貼于輸入桿和輸出桿的中部。S HPB 實驗裝置的原理如圖4所示［5］,實驗過程中子彈以一定速度撞擊輸入桿,在輸入桿內產生一個入射脈沖εi,當入射脈沖傳播至輸入桿與試件的接觸界面時,一部分脈沖被反射在輸入桿中,形成反射脈沖εr,另一部分脈沖傳入試件內部,該部分脈沖在試件與輸出桿的接觸界面部分被反射,另一部分將在輸出桿中形成透射脈沖εt,這些脈沖信號通過分別粘貼在輸入桿和輸出桿上的應變片來測得。試件在應力脈沖的作用下發(fā)生變形,通過輸入桿和輸出桿上采集得到的信號,結合一維應力假定和均勻假定,則可確定試件材料在應力波作用下的應變率.εs（t）、應變εs（t） 和應力σs（t）曲線。
3．2 實驗數據處理方法
根據一維波傳播理論,入射波與反射波信號之和等于透射波信號,因此可以選擇任兩波信號或采用三波信號進行處理,以獲得試件的應力、應變和應變率曲線。從文獻［12］可知,基于絕對時間下的試件應力及應變計算的三波處理法具有很好的可信度,且能最大程度地避免數據處理過程中的人為因素,傳統(tǒng)二波法不是優(yōu)選的方法,但對于只有兩個波信號的數據（輸出桿應變片壞或反射波信號異常情況）可采用二波法分析獲得試件的動態(tài)力學性能。三波法是將實驗采集的入射波、反射波和透射波信號進行綜合分析,計算試件材料的應變率、應變和應力曲線,計算公式為（1）式～（3）式
式中：C0 為壓桿的彈性波速；l0 為試件的初始長度；E 為壓桿的彈性模量；A 為壓桿的橫截面積；As 為試件的橫截面積。兩波法是在試件兩端應力平衡公式（4）的基礎上對三波法的簡化,采用3個波中采集到的兩個波信號進行分析,以此來獲取試件材料的動態(tài)力學性能。在此以反射波和透射波信號為例計算材料的動態(tài)應力、應變,其具體的處理公式為（5）式～（7）式
（5）式～（7）式中的參量與（1）式～（3）式中的參量一致,按上述公式對實驗數據進行進一步分析,可以得到試件的動態(tài)壓縮應力-應變曲線以及數值模擬中所需的材料參數。
4 動態(tài)壓縮實驗
4．1 實驗測試典型曲線
實驗中分別以不同子彈速度對 T a-10W 試件進行了動態(tài)壓縮實驗,實驗記錄的典型原始波形如圖5所示,該波形是子彈速度為16?27m／s 時的測試結果。圖中橫坐標為時間,縱坐標為電壓信號,電
壓值與導桿上應變大小的關系為每1V 電壓值所對應的應變值為0?01。
4．2 動態(tài)壓縮實驗結果
對14件直徑為10mm、厚度為5mm 的 Ta-10W 試件進行了動態(tài)壓縮實驗,實驗中子彈速度為13～30m／s,試件經歷的應變率為700～3100s－15種應變率,相關實驗條件及實驗測試分析結果如
表1所示。在整個實驗中試件沿軸向壓縮變形,試件表面并未產生可見裂紋。從表1中可知,試件在彈丸速度為13?06m／s 時,試件沿軸向的壓縮變形約為6％；隨著彈速提高試件的壓縮量增大,當彈速為29?29m／s時,試件的壓縮變形達到37％,由于試件均未破壞,因此試件的動態(tài)破壞應變大于0?37。
在本實驗中,入射、反射和透射波采集完整的實驗數據按（1）式～（3）式三波法進行分析,對只采集
到兩個有效波形的數據按（5）式～（7）式兩波法進行處理,以獲得 T a-10W 合金的動態(tài)應力-應變關系,經分析處理得到的試件材料在不同應變率下的動態(tài)應力-應變曲線如圖6所示。從圖6可以看出,不同應變率下獲得的動態(tài)應力-應變曲線的形狀基本一致,材料在高應變率下所獲得的塑性流動應力值略高。由于圖6的動態(tài)應力-應變曲線在塑性階段所對應的應變包括彈性應變和塑性應變,而表1試件的壓縮表征為塑性變形百分比,因此不同應變率下試件的動態(tài)應力-應變曲線在卸載階段所對應的應變略大于表1中的壓縮變形百分比,低應變率下材料產生的變形較小,即進入卸載階段時對應的應變較小。圖7為準靜態(tài)和動態(tài)實驗中試件屈服應力隨應變率的變化趨勢圖,從圖中可以看出,非退火狀態(tài)T a-10W 合金動態(tài)屈服應力（＞1GPa）比靜態(tài)屈服強度（930MPa）大,雖然在相同應變率下由實驗獲得的動態(tài)屈服應力有一定的分散性,但不難看出隨著應變率的增加,其動態(tài)屈服應力呈上升趨勢,因此在實驗應變率為700～3100s－1的范圍內,材料的屈服強度具有率敏感性,隨應變率的提高而略有增加。
5 結 論
利用 MTS 材料試驗機和 S HPB 實驗裝置,對非退火狀態(tài) Ta-10W 合金進行了準靜態(tài)和動態(tài)壓縮實驗,給出了材料的靜態(tài)壓縮屈服強度和應變率在700～3100s－1范圍內的動態(tài)壓縮應力-應變曲線,并獲得了不同應變率下材料的屈服強度。通過對實驗結果的分析可以得到以下結論：
（1） 非退火狀態(tài) T a-10W 合金具有較高的靜、動態(tài)壓縮屈服強度,靜態(tài)屈服強度約為930MPa,動態(tài)流變應力在1GPa 以上,其動態(tài)壓縮強度大于靜態(tài)強度。
（2） 在應變率為700～3100s－1動態(tài)壓縮實驗中,材料的動態(tài)屈服強度由1?0GPa 增加到1?3GPa,屈服強度隨應變率的增加而提高,具有率相關性。
（3） 在本工作所涉及的實驗應變率和應力范圍內,T a-10W 試件發(fā)生了大變形,表面均未出現可見裂紋,試件材料具有較好的韌性,其動態(tài)破壞應變大于0?37。
論文引用信息
高壓物理學報
第24卷 第1期
2010年2月
鉭鎢合金是一種高密度的材料，具有較高的熔點、較高的抗拉強度、良好的動態(tài)延展性和耐腐蝕性等特點，應用于化工防腐蝕，機械，航空航天以及軍工領域。星塵科技生產的球形Ta-10W合金粉采用射頻等離子體球化工藝制成，具有高純低氧、球形度高、表面光滑、無衛(wèi)星、粒度分布均勻、流動性能優(yōu)良、松裝密度和振實密度高等特點。適用于激光/電子束增材制造、熱等靜壓、激光熔覆、熱/冷噴涂等工藝。
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