銅鎢合金在快速加熱后水冷熱沖擊下的實驗研究

劉冬喜，陳寬勇

(海拓儀器（江蘇）有限公司，江蘇 蘇州215100)

銅鎢合金具有良好的導熱性，是工業(yè)生產(chǎn)中的常見原材料。為了解銅鎢合金性能，經(jīng)過快速加熱處理之后，針對水冷熱沖擊組織實驗，觀察銅鎢合金受到熱沖擊后產(chǎn)生的力學性能變化。在實驗觀察階段運用有限元方法，了解熱沖擊期間合金溫度、熱應力分布情況。當增加了熱沖擊次數(shù)之后，銅鎢合金材料強度雖然減弱，但韌性增加。熱沖擊條件下最大熱應力是在加熱、冷卻兩個的條件，反復熱沖擊后，銅鎢合金內(nèi)外承受拉應力、壓應力轉換之后產(chǎn)生交變載荷。為此，本文圍繞銅鎢合金在快速加熱之后，受水冷熱沖擊的實驗展開分析，按照熱彈性效應，計算得出熱沖擊載荷條件下的銅鎢合金內(nèi)應力。

1 銅鎢合金快速冷熱沖擊測試裝置

銅鎢合金在快速加熱后水冷熱沖擊的實驗，需要用到小型快速冷熱沖擊測試裝置，該裝置由主機、測試頭組成，其中測試頭的作用是對壓縮空氣進行溫度控制，被測元件進行冷熱沖擊后輸出結果。主機則是由控制裝置、調節(jié)裝置等組成，控制裝置向測試頭傳輸溫度控制數(shù)據(jù)，調節(jié)裝置的作用是調節(jié)測試頭位置。測試頭內(nèi)部安裝了渦流機構、加熱器，其中渦流機構是由進氣口、冷氣出口、熱氣出口組成，負責壓縮空氣的降升溫處理；加熱器主要包括進氣端、出氣端。在測試過程中需按規(guī)定的操作流程、安全事項、約束條件等要求操作測試裝置，避免發(fā)生危險事故，而導致人員和財務損失。

2 銅鎢合金在快速加熱后水冷熱沖擊實驗過程

實驗材料為銅鎢合金，材料制備是在燒結鎢骨架的過程中滲透銅，鎢粉的使用粒度在4～6μm之間。銅鎢合金在實驗之前需要對其退火處理，鎢、銅對應的標稱質量分數(shù)依次為70%、30%[1]。快速加熱后的熱沖擊試驗，銅鎢合金需要提前加工為拉伸試樣，熱沖擊過程中，實驗人員將試樣放置到電阻爐內(nèi)部，調整溫度為250℃，加熱處理2 min，時間到后將試樣取出，置于20℃的水中進行快速淬火處理，處理時間約1 min。在熱沖擊循環(huán)分別進行了25次、50次之后，實驗人員需要使用計算機伺服控制材料試驗機，由其負責具體的拉伸試驗。

針對內(nèi)部溫度、熱應力的實驗測試，建議應用軸對稱模型進行有限元分析。從模型分別從兩個階段施加載荷[2]。第一，設置初始溫度為20℃，實驗樣本中設置對流、900℃輻射邊界條件；第二，設置初始溫度是900℃，而且只采用20℃的環(huán)境溫度下的對流邊界條件。最后，實驗過程中設置銅鎢合金熱機械性能參數(shù)，具體如表1所示，觀察快速加熱后水冷熱沖擊導致的變化。

表1 銅鎢合金熱機械性能參數(shù)

3 結果分析與建議

3.1 機械性能

通過熱沖擊實驗，銅鎢合金的屈服強度和極限強度曲線分別如圖1和圖2所示。在實驗過程中經(jīng)過了50次熱沖擊之后，觀察材料的屈服強度、極限強度變化，屈服強度從408 MPa降到355 MPa，極限強度從619 MPa降到544 MPa。銅鎢合金延伸率則由原本的3.1%提升至5.0%。CuW70觀察銅鎢合金斷裂面，斷裂表面主要表現(xiàn)出鎢晶粒邊界分離、鎢/銅界面分離、鎢晶粒解理和銅斷裂4個現(xiàn)象[3]。通常斷裂表面大部分區(qū)域會發(fā)生鎢顆粒晶間斷裂、銅相韌性撕裂的現(xiàn)象。反復50次熱沖擊，觀察銅鎢合金材料，發(fā)現(xiàn)凹坑深，且均勻性增加，凹坑數(shù)量更多。分析該現(xiàn)象，表示熱沖擊之后的銅鎢合金塑性變形、塑性變形顯著增多。

圖1 熱沖擊的銅鎢合金屈服強度曲線

圖2 熱沖擊的銅鎢合金極限強度曲線

3.2 熱應力

銅鎢合金試樣在實驗過程中，實驗人員需要觀察試樣的內(nèi)應力分布情況。當加熱、淬火兩項操作結束之后，發(fā)現(xiàn)銅鎢合金不同位置的溫度、環(huán)境溫度相似度極高，代表銅鎢合金試樣和外部介質平衡已經(jīng)達到了熱平衡狀態(tài)，而且應力近似為零值?？焖偌訜岷笏錈釠_擊操作期間，最大熱應力是在加熱、淬火環(huán)節(jié)開始出現(xiàn)，而且在1 s時就已經(jīng)有第一主應力分布。觀察銅鎢合金熱沖擊實驗的熱應力變化，發(fā)現(xiàn)淬火過程中的熱應力和加熱環(huán)節(jié)產(chǎn)生熱應力相比，前者較高。拉伸應力加熱期間，對比淬火環(huán)節(jié)壓縮應力，會有部分發(fā)生變化。因為實驗環(huán)節(jié)反復施加熱沖擊，各個振幅條件下的交替應力，會在銅鎢合金試樣各個位置施加。另外，當時間不斷延長之后，各個位置的軸向應力、徑向或周向應力，特別是軸向應力呈降低趨勢，周向應力與軸向應力更是占據(jù)主要作用。

雖然熱應力和最終強度相比較小，而且只是在彈性階段存在。但因為銅相、鎢相兩者的熱膨脹系數(shù)無法完全匹配，銅鎢合金的銅相更是會有明顯塑性變形產(chǎn)生。鑒于此，銅相可施加交變載荷，加強銅鎢合金組織的均勻性，由此提高銅鎢合金塑性[4]。另外，因為鎢晶粒存在尖銳邊界，所以部分鎢/銅界面有應力集中現(xiàn)象。當熱沖擊次數(shù)開始增多之后，鎢/銅界面強度開始降低，因此銅鎢合金損傷值發(fā)生變化，降低了銅鎢合金強度。反復熱沖擊期間可能產(chǎn)生彈性變形，所以此次實驗展開單次熱沖擊模擬，針對熱沖擊全過程進行分析。為了更加真實地了解銅鎢合金快速加熱之后水冷熱沖擊條件下各個相、界面的內(nèi)部力學機制，還需要在今后的研究中，著手于細觀層次展開模擬實驗分析。

3.3 實驗結論

通過觀察銅鎢合金快速加熱之后的水冷熱沖擊實驗過程，發(fā)現(xiàn)熱沖擊次數(shù)增多之后，銅鎢合金塑性得到顯著改善，但是合金強度卻會降低。熱沖擊加熱與淬火兩個環(huán)節(jié)，內(nèi)部應力受到熱沖擊之后，在熱沖擊的初期便可達到最大值，而且在時間延長之后內(nèi)部應力逐漸減小。每次熱沖擊結束，同時恢復為零。拉伸應力、壓縮應力分別產(chǎn)生于銅鎢合金試樣的內(nèi)、外部，而且會在不同的熱沖擊過程中發(fā)生替換。銅鎢合金施加交變載荷，此時可能會使銅相出現(xiàn)塑性變形以及損傷[5]。

4 結束語

綜上所述，根據(jù)銅鎢合金仿真實驗以及過程的觀察與分析，發(fā)現(xiàn)銅鎢合金材料具有良好的導熱性，而且受到多次熱沖擊之后，將會產(chǎn)生拉伸應力、壓縮應力。特別是在施加交變載荷之后，很大概率會發(fā)生塑性變形與損傷。為此，在工業(yè)生產(chǎn)中運用銅鎢合金這一材料，需要重點關注塑性變形、損傷問題，保證銅鎢合金運用效果。