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(dǎo)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(shí)驗(yàn)，觀察銅鎢合金受到熱沖擊后產(chǎn)生的力學(xué)性能變化。在實(shí)驗(yàn)觀察階段運(yùn)用有限元方法，了解熱沖擊期間合金溫度、熱應(yīng)力分布情況。當(dāng)增加了熱沖擊次數(shù)之后，銅鎢合金材料強(qiáng)度雖然減弱，但韌性增加。熱沖擊條件下最大熱應(yīng)力是在加熱、冷卻兩個(gè)的條件，反復(fù)熱沖擊后，銅鎢合金內(nèi)外承受拉應(yīng)力、壓應(yīng)力轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)展開分析，按照熱彈性效應(yīng)，計(jì)算得出熱沖擊載荷條件下的銅鎢合金內(nèi)應(yīng)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(shí)驗(yàn)，需要用到小型快速冷熱沖擊測試裝置，該裝置由主機(jī)、測試頭組成，其中測試頭的作用是對壓縮空氣進(jìn)行溫度控制，被測元件進(jìn)行冷熱沖擊后輸出結(jié)果。主機(jī)則是由控制裝置、調(diào)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(diào)節(jié)裝置的作用是調(diào)節(jié)測試頭位置。測試頭內(nèi)部安裝了渦流機(jī)構(gòu)、加熱器，其中渦流機(jī)構(gòu)是由進(jìn)氣口、冷氣出口、熱氣出口組成，負(fù)責(zé)壓縮空氣的降升溫處理；加熱器主要包括進(jìn)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(xiàng)、約束條件等要求操作測試裝置，避免發(fā)生危險(xiǎn)事故，而導(dǎo)致人員和財(cái)務(wù)損失。

2 銅鎢合金在快速加熱后水冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)材料為銅鎢合金，材料制備是在燒結(jié)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(shí)驗(yàn)之前需要對其退火處理，鎢、銅對應(yīng)的標(biāo)稱質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為70%、30%[1]?？焖偌訜岷蟮臒釠_擊試驗(yàn)，銅鎢合金需要提前加工為拉伸試樣，熱沖擊過程中，實(shí)驗(yàn)人員將試樣放置到電阻爐內(nèi)部，調(diào)整溫度為250℃，加熱處理2 min，時(shí)間到后將試樣取出，置于20℃的水中進(jìn)行快速淬火處理，處理時(shí)間約1 min。在熱沖擊循環(huán)分別進(jìn)行了25次、50次之后，實(shí)驗(yàn)人員需要使用計(jì)算機(jī)伺服控制材料試驗(yàn)機(jī)，由其負(fù)責(zé)具體的拉伸試驗(yàn)。

針對內(nèi)部溫度、熱應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)測試，建議應(yīng)用軸對稱模型進(jìn)行有限元分析。從模型分別從兩個(gè)階段施加載荷[2]。第一，設(shè)置初始溫度為20℃，實(shí)驗(yàn)樣本中設(shè)置對流、900℃輻射邊界條件；第二，設(shè)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(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置銅鎢合金熱機(jī)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(dǎo)致的變化。

表1 銅鎢合金熱機(jī)械性能參數(shù)

3 結(jié)果分析與建議

3.1 機(jī)械性能

通過熱沖擊實(shí)驗(yàn)，銅鎢合金的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度曲線分別如圖1和圖2所示。在實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)過了50次熱沖擊之后，觀察材料的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度變化，屈服強(qiáng)度從408 MPa降到355 MPa，極限強(qiáng)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(gè)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(fù)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(qiáng)度曲線

圖2 熱沖擊的銅鎢合金極限強(qiáng)度曲線

3.2 熱應(yīng)力

銅鎢合金試樣在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)人員需要觀察試樣的內(nèi)應(yīng)力分布情況。當(dāng)加熱、淬火兩項(xiàng)操作結(jié)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(zhì)平衡已經(jīng)達(dá)到了熱平衡狀態(tài)，而且應(yīng)力近似為零值。快速加熱后水冷熱沖擊操作期間，最大熱應(yīng)力是在加熱、淬火環(huán)節(jié)開始出現(xiàn)，而且在1 s時(shí)就已經(jīng)有第一主應(yīng)力分布。觀察銅鎢合金熱沖擊實(shí)驗(yàn)的熱應(yīng)力變化，發(fā)現(xiàn)淬火過程中的熱應(yīng)力和加熱環(huán)節(jié)產(chǎn)生熱應(yīng)力相比，前者較高。拉伸應(yīng)力加熱期間，對比淬火環(huán)節(jié)壓縮應(yīng)力，會有部分發(fā)生變化。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)反復(fù)施加熱沖擊，各個(gè)振幅條件下的交替應(yīng)力，會在銅鎢合金試樣各個(gè)位置施加。另外，當(dāng)時(shí)間不斷延長之后，各個(gè)位置的軸向應(yīng)力、徑向或周向應(yīng)力，特別是軸向應(yīng)力呈降低趨勢，周向應(yīng)力與軸向應(yīng)力更是占據(jù)主要作用。

雖然熱應(yīng)力和最終強(qiáng)度相比較小，而且只是在彈性階段存在。但因?yàn)殂~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(qiáng)銅鎢合金組織的均勻性，由此提高銅鎢合金塑性[4]。另外，因?yàn)殒u晶粒存在尖銳邊界，所以部分鎢/銅界面有應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)熱沖擊次數(shù)開始增多之后，鎢/銅界面強(qiáng)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(qiáng)度。反復(fù)熱沖擊期間可能產(chǎn)生彈性變形，所以此次實(shí)驗(yàn)展開單次熱沖擊模擬，針對熱沖擊全過程進(jìn)行分析。為了更加真實(shí)地了解銅鎢合金快速加熱之后水冷熱沖擊條件下各個(gè)相、界面的內(nèi)部力學(xué)機(jī)制，還需要在今后的研究中，著手于細(xì)觀層次展開模擬實(shí)驗(yàn)分析。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過觀察銅鎢合金快速加熱之后的水冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度卻會降低。熱沖擊加熱與淬火兩個(gè)環(huán)節(jié)，內(nèi)部應(yīng)力受到熱沖擊之后，在熱沖擊的初期便可達(dá)到最大值，而且在時(shí)間延長之后內(nèi)部應(yīng)力逐漸減小。每次熱沖擊結(jié)束，同時(shí)恢復(fù)為零。拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)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(shí)可能會使銅相出現(xiàn)塑性變形以及損傷[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，根據(jù)銅鎢合金仿真實(shí)驗(yàn)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(dǎo)熱性，而且受到多次熱沖擊之后，將會產(chǎn)生拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)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(yùn)用銅鎢合金這一材料，需要重點(diǎn)關(guān)注塑性變形、損傷問題，保證銅鎢合金運(yùn)用效果。