ZrCp/W复合材料的高温压缩变形行为及强化机制

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本文采用热压烧结工艺(2200oC/1h/30MPa)制备了ZrCp/W系列复合材料,作为对比,同时制备了不同晶粒尺寸的纯钨材料。系统研究了ZrC颗粒含量、尺寸和分布及烧结温度和热处理对复合材料的组织结构、室温力学性能及高温压缩变形行为的影响;详细分析了复合材料变形后的组织结构,揭示了复合材料的高温压缩变形机制和断裂机制;根据实验分析结果,建立了复合材料的高温强化模型,并阐明了复合材料的高温强化机制。  组织结构分析表明,随烧结温度升高,纯钨的致密度升高,晶粒尺寸增大。ZrCp/W复合材料由稀固溶钨基体、(Zr,W)C固溶体颗粒及W2C新相组成。随ZrC颗粒含量增加和尺寸减小,W2C新相的量增加;在ZrC颗粒尺寸为5μm的复合材料中未发现有W2C生成。20ZW-1.25复合材料经2300oC退火1h后,W2C的生成量增加,ZrC颗粒发生明显长大。  随烧结温度升高,纯钨的抗弯强度降低,而弹性模量升高。随ZrC颗粒含量增加,20ZW-1.7复合材料的抗弯强度和弹性模量分别达到1210MPa和416GPa的最大值。随ZrC颗粒尺寸减小,复合材料的弹性模量降低;20ZW-1.25的最高,达到434GPa。随ZrC颗粒含量增加和尺寸增大,复合材料的断裂韧性升高。退火提高了20ZW-1.25复合材料的断裂韧性,但其它力学性能均下降。  随晶粒尺寸增大,纯钨的高温压缩流变应力下降。ZrCp/W复合材料的高温压缩真应力-应变曲线呈锯齿型流变特征。随ZrC颗粒含量增加和尺寸减小,ZrCp/W复合材料的高温压缩流变应力升高,塑性下降。ZrCp/W复合材料的室温压缩屈服强度都大于1000MPa,30ZW-2.5的屈服强度达到1810MPa。随应变速率降低和变形温度升高,30ZW-2.5复合材料的流变应力下降,断裂应变升高。30ZW-2.5复合材料具较高的高温压缩屈服强度,在1600℃,10-3/s应变速率条件下还保持着633MPa的屈服强度。在1300~1600oC范围内,30ZW-2.5复合材料的变形激活能和应力指数分别为344kJ/mol和17.6。  ZrCp/W复合材料在低于1500℃下的变形机制主要为钨基体的动态回复,在高于1500℃时,在钨基体中动态再结晶开始。温度高于1200℃时,大量ZrC发生位错滑移,并随变形温度升高和应变量增大,产生位错滑移的ZrC晶粒的数量增加,位错密度升高。宏观裂纹起源于压缩试样赤道表面,呈“Z”字型。微观上,首先在ZrC/W/ZrC三角晶界处产生微孔,而后沿ZrC/ZrC和W/W晶界扩展。在钨基体粘塑性作用下,ZrC颗粒发生沿晶剪切断裂或穿晶断裂。  ZrCp/W复合材料的高温强化机制主要有:细晶强化、界面强化、几何必需位错强化及载荷传递强化。基于几何必需位错强化和载荷传递强化,建立了预测复合材料的高温压缩屈服强度的模型,模型很好地预测了ZrC颗粒尺寸和体积含量及变形温度对复合材料的高温压缩屈服强度的影响。
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