作者:严涛 来源:中国科学报 发布时间:2024/1/2 17:59:08
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科研人员发现低铼合金化难以降低钨的韧脆转变温度

 

近日,西安交通大学材料学院教授韩卫忠团队通过冲杆试验,对再结晶态的W-Re合金进行了系统研究,揭示了其韧脆转变的关键缺陷机制,并阐明了低含量的Re合金化并不能有效降低W的韧脆转变温度。相关研究成果发表在Acta Materialia上。

铼(Re)被认为是提高钨(W)变形能力并降低其韧脆转变温度的最佳合金元素。在大量的实验研究中,报道的“Re效应”通常与机械加工(高温轧制等)引入的初始位错、层片结构、晶粒细化等因素混淆在一起,难以澄清单一因素(Re合金化)对W变形能力的影响。因此,Re合金化能否实现低温增韧、降低W的韧脆转变温度,一直缺乏系统的研究和关键的实验证据。

W及W-Re合金的韧脆转变行为。

研究人员发现,Re合金化引起的有限韧化仅发生在很窄的低温区间(50°C~200°C)。高温(≥300°C)变形时,W-Re合金的塑性变形能力明显降低,最终导致合金高温韧性下降、韧脆转变温度升高。而且Re含量越高,W-Re合金的韧脆转变温度越高(图1所示)。通过表面变形形貌的表征发现,相比于纯W的沿晶开裂,Re合金化促进了更多的位错行为,从而增加了W-Re合金的低温韧性,但这一改善非常有限。此外,当变形温度升高到300°C时,W-Re合金中还出现了大量的位错交滑移现象。随着Re含量的增加,交滑移程度越来越剧烈。有趣的是,虽然W-Re合金在高温下发生了大量的位错交滑移,但其变形能力和韧性反而变差了。

Re合金化促进了位错滑移/交滑移。

通过进一步的缺陷表征发现,随着温度升高,位错增殖能力的突然增加使得纯W发生了脆韧转变。然而,合金化后,Re元素在高温下促进了螺位错的局部交滑移,从而产生了横跨多个滑移面(三维结构)的超割阶和位错环。这些缺陷结构的密度和分布不仅和Re元素的含量相关,而且还表现出明显的温度依赖性:Re含量和变形温度越高,缺陷的密度越高。

高密度的三维不可动缺陷(超割阶和位错环)强烈地阻碍了位错的运动,最终导致W-Re合金高温变形能力下降、韧脆转变温度升高。

空间型的割阶和位错环导致了W-Re合金的高温硬化。(图片均由论文课题组提供)

 
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