《Journal of Alloys and Compounds》：Dynamic mechanical responses of a Novel Ni–W–Co–Ta medium-heavy alloy with different microstructure
编辑推荐：
Ni-W-Co-Ta合金在动态压缩下的应变率强化效应及绝热剪切带行为研究，采用分划Hopkinson压杆（SHPB）测试发现：温轧（WR）和温轧时效（WR-AG）合金的流变应力随应变率升高显著增加，WR-AG合金表现出更窄的绝热剪切带和更高的剪切敏感性，其峰值流变应力分别达2250 MPa和2330 MPa。微观分析揭示动态压缩下合金激活了变形孪晶、变形带及次生孪晶等多重变形机制，并伴随动态再结晶过程。
Jin-jin Tang|Yi Xiong|Yong Li|Xiao-qin Zha|Shao-ru Zhang|Feng-zhang Ren|Shubo Wang
河南科技大学材料科学与工程学院，中国洛阳471023
摘要
本文采用分裂霍普金森压力棒（SHPB）研究了室温下不同应变率下动态压缩载荷下温轧并时效处理的中重合金（Ni-W-Co-Ta合金）的力学性能。同时分析了该合金的微观结构和变形机制。结果表明，温轧（WR）及温轧时效处理（WR-AG）后的合金的流动应力随压缩应变率的增加而提高，表现出应变率强化效应和加工硬化行为，流动应力分别达到了2250 MPa和2330 MPa。在动态载荷作用下，WR和WR+AG试样均形成了绝热剪切带（ASBs），表明发生了动态软化。在这些ASBs内部，通过纳米晶粒结构的存在证实了动态再结晶现象，说明在高应变率加载过程中发生了剧烈的局部塑性变形和微观结构细化。微观结构分析表明，动态压缩过程中激活了复杂的变形机制，包括变形孪晶、变形带和次级孪晶形成。由于Ni?W含量较高，WR+AG合金的ASB宽度更窄，绝热剪切敏感性更强。
引言
由于钨重合金（WHAs）具有高强度、高密度和耐腐蚀性，因此常被用作航空航天工业中的结构材料[1]、[2]、[3]。对于这些合金，传统的制造方法通常采用粉末冶金技术。然而，这些合金所需的强度和延展性协同效应受到两相之间连接强度低的固有缺陷的限制[4]、[5]。此外，受限于钨资源的稀缺，这些因素共同限制了钨重合金的大规模开发和应用。近年来，研究人员逐渐将注意力转向中重合金（MHAs），并对其进行了大量研究，发现它们具有优异的延展性和高温性能[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。例如，Ni-42W-10Co-1Mo合金在强度（屈服强度530 MPa）和延展性（拉伸应变55%）方面表现出良好的协同效应。此外，该合金在2000至5000 s?1的应变率范围内表现出显著的动态性能[11]。Ni-W-Al中重合金具有优异的力学性能，屈服强度高达1184 MPa，拉伸延展性达27%[12]。因此，MHAs作为在苛刻服役条件下的理想材料受到了广泛关注。
我们的团队开发了一种具有单面体心立方（FCC）结构的MHA（Ni-37W-5Co-1Ta）合金，其伸长率达到了49%[13]、[14]。一般来说，具有单FCC结构的合金通常具有较高的延展性和持续的硬化能力，但强度较低[15]、[16]。因此，对该合金进行了轧制和时效等强化处理，从而提高了其静态强度。多项研究表明，材料在动态和静态力学测试中的行为存在显著差异。例如，在力学性能方面，高应变率下的流动应力高于静态条件下的流动应力。具体来说，Liu等人在对CoCrFeMnNi高熵合金（HEAs）的研究中发现，静态压缩试验下的屈服强度为517 MPa，而在动态压缩试验下增加到727 MPa[17]。Wang等人[18]还观察到，在高应变率条件下，材料的变形机制发生了转变，从准静态变形时的位错滑移主导转变为动态载荷下的位错滑移和变形孪晶混合模式。研究还发现，合金在动态载荷下表现出应变率强化效应[19]、[20]、[21]。
先前已有研究考察了经过温轧和时效处理的Ni-W-Co-Ta合金的静态力学性能，结果表明该合金在725°C下时效8小时后达到了最佳的力学性能[22]。然而，关于时效处理和温轧变形合金的动态变形行为仍缺乏相关数据。与准静态载荷不同，高应变率下材料的变形过程中涉及多种复杂相互作用，包括应变硬化、应变率强化、热软化和声子拖拽效应[23]、[24]。特别是，需要进一步研究温轧或沉淀作用如何影响高应变率条件下的微观结构演变和动态变形过程。因此，有必要研究时效处理和温轧变形合金的动态力学性能。本文研究了温轧并时效处理的Ni-W-Co-Ta合金的动态力学性能，并阐明了这些合金如何调节动态性能，如动态强度、应变率敏感性（SRS）和绝热剪切敏感性。这些发现为优化这类合金在承受极端冲击载荷的部件中的热处理提供了直接的理论支持和工艺指导，实现了高密度与冲击韧性的平衡。
实验程序
实验步骤
采用真空消耗电弧熔炼和真空感应熔炼工艺制备了名义组成为57Ni-37W-5Co-1Ta（重量百分比）的Ni-W-Co-Ta中重合金，随后将其铸造成锭材。锭材在1200-1250°C下进行不少于24小时的均质化处理，以消除成分偏析、夹杂物、气孔和晶粒不均匀性。之后将其锻造并空气冷却至室温，然后在1000°C下进行1.5小时的固溶处理。
力学性能
图2a和图2b展示了WR和WR+AG合金在不同应变率下的压缩应力-应变曲线。结果表明，合金的流动应力随应变率的增加而提高，表现出明显的应变率强化效应。以WR为例，在1444 s?1的应变率下，流动应力峰值达到2016 MPa；当应变率增加到3879 s?1时，该值上升至2250 MPa。Xu等人提出，在高应变率下，位错受到强烈作用
结论
本研究系统地研究了不同条件下Ni-W-Co-Ta中重合金的动态力学性能及其相应的微观结构演变：温轧（WR）和温轧时效处理（WR-AG）。主要研究结果如下：
1. WR和WR-AG在动态压缩载荷下表现出应变率强化和应变强化行为，峰值应力随应变率的提高而增加。
作者贡献声明
Ren Feng-zhang：数据可视化、实验研究、资金获取。Wang Shubo：数据可视化、正式分析、数据管理。Li Yong：资源协调、资金获取、正式分析、数据管理。Yi Xiong：实验研究、方法设计、数据管理。Jin-jin Tang：论文撰写与审稿、初稿撰写、实验研究、正式分析。Zhang Shaoru：方法设计、正式分析、数据管理。Zha Xiao-qin：正式分析、数据管理、概念构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFB3705200）、河南省重大科技项目（221100230200）以及国家自然科学基金（U1804146、51905153和52111530068）的支持。
