余永新，肖代紅，劉文勝，馬運(yùn)柱

鈹是低原子序數(shù)結(jié)構(gòu)材料，具有一系列優(yōu)異特性，如低密度、高熔點(diǎn)、高彈性模量尤其是比彈性模量(彈性模量/密度)及較好的尺寸穩(wěn)定性等，使其在原子能和航空航天工業(yè)中有著重要的作用[1?4]。但鈹?shù)陌嘿F以及毒性也制約著它的廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)鈹粉的制備一般為圓盤磨法，制備的粉末氧含量高，而固結(jié)鈹?shù)姆椒ㄍǔ檎婵諢釅悍?，其成本低，效率? 但性能不佳且有明顯各向異性。隨著鈹材制備技術(shù)的發(fā)展，鈹粉采用沖擊研磨法和霧化法制備，制備的粉末氧含量低純度高。隨著金屬鈹粉的熱等靜壓工藝不斷成熟與完善，鈹由脆性材料躋身于實(shí)用結(jié)構(gòu)材料之列，使其在核技術(shù)和空間技術(shù)領(lǐng)域，特別在航空航天領(lǐng)域，有著巨大的優(yōu)勢(shì)[5?6]。BeO 含量以及鈹晶粒尺寸是影響鈹材性能的主要因素，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這些問題進(jìn)行了大量的研究[7?11]。如ALDINGER等[8]研究認(rèn)為，減少BeO含量有助于提高材料的塑性。許德美等[9?10]認(rèn)為相比于BeO含量，BeO雜質(zhì)的分布和形態(tài)對(duì)金屬鈹力學(xué)性能的影響更為關(guān)鍵。而王零森等[11]研究認(rèn)為，隨鈹材的晶粒細(xì)化，材料強(qiáng)度尤其是屈服強(qiáng)度和微屈服強(qiáng)度得到顯著提高，細(xì)小而彌散分布的BeO是較高純度熱等靜壓鈹材強(qiáng)化的主要原因。納米壓痕作為一種新興的非破壞性檢測方法，可表征材料的多種力學(xué)性能，如硬度、彈性模量、粘彈性或蠕變行為等[12?13]。現(xiàn)有文獻(xiàn)顯示，關(guān)于鈹材的納米壓痕行為的研究還未見報(bào)道。為此，本文擬通過納米壓痕方法，探究鈹材的顯微組織對(duì)其納米壓痕行為與蠕變性能影響，為鈹材的力學(xué)性能研究提供一些參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

采用切削法和霧化法制備的 Be粉為原料，并控制霧化參數(shù)，以制備不同氧含量鈹粉，利用熱等靜壓法制備具有不同顯微組織的三種鈹材試樣，分別為試樣1，試樣2及試樣3，其中試樣1有切削法制備，試樣2和試樣3由霧化法制備，試樣2的氧含量最高，試樣1與3的氧含量接近，然后通過線切割方式取樣。試樣經(jīng)打磨拋光處理后，采用LEICA MEF 4A/M金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，并進(jìn)一步采用附帶有OXFORD型能譜儀的Nava Nano SEM 230場發(fā)射掃描電鏡觀察試樣的顯微組織形貌。采用 UNHT+MCT納米壓痕力學(xué)性能綜合測試儀測試力學(xué)性能，分別測得加載載荷20mN，加載速率分別為5，10，50，100和300 mN/min試樣的載荷?位移(P-h)曲線，通過進(jìn)一步對(duì)P-h曲線分析可以得到所測樣品的硬度、彈性模量和蠕變特征等力學(xué)信息，并通過擬合計(jì)算得到的樣品的蠕變應(yīng)力指數(shù)，探討鈹材的蠕變機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖1所示為3個(gè)試樣的金相組織，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試樣的組織都是由大小不一的晶粒組成，平均粒徑相差不大，但試樣2與試樣3的組織明顯比試樣1更為致密。試樣1的晶粒更多地趨向于板狀，而試樣2與試樣3則趨向于等軸狀，晶粒形貌的差異是由于兩者的原料不同所引起的，前者是由切削粉末制備，后兩者由霧化法制備。

圖2為各試樣的SEM照片，經(jīng)過能譜分析發(fā)現(xiàn)，其中箭頭所指出的白色小顆粒為BeO顆粒。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：3個(gè)試樣均含有氧化鈹，試樣2中的BeO含量明顯最高，并分布于晶界與晶內(nèi)，而試樣1與試樣3則都只含少量的BeO且基本分布在晶界上。另外，試樣1中還可以發(fā)現(xiàn)一些凹陷的氣孔，與前面的金相照片對(duì)比也進(jìn)一步證明了后兩個(gè)試樣的致密度高于第一個(gè)試樣。

2.2 納米壓痕行為

圖1 試樣的金相組織圖Fig.1 Metallographic microstructures of the samples(a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3

圖2 試樣的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of the samples(a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3

圖3 所示為最大載荷20 mN，試樣在不同加載速率下所測得的P-h曲線(為便于觀察曲線，圖中將不同加載速率的P-h曲線分別向后移動(dòng)100 nm，為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每個(gè)加載速率重復(fù)3次)，分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨壓入載荷增加，壓入深度呈非線性增加，當(dāng)達(dá)到最大載荷后保載15 s，試樣產(chǎn)生了明顯的蠕變特征。圖4所示為蠕變深度Δh與加載速率的關(guān)系，隨加載速度增大，3個(gè)樣品的蠕變深度都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，表明 Be樣品的蠕變行為整體上存在明顯的加載速率相關(guān)性，但對(duì)于2號(hào)和3號(hào)試樣，當(dāng)加載速率為10 mN/min時(shí)，其壓痕曲線明顯不同于其余四組曲線，其原因可能與該加載速率下位錯(cuò)纏結(jié)塞積所造成的局部形變硬化現(xiàn)象有關(guān)[14?15]。

圖3 各試樣的壓痕P-h曲線Fig.3 Indentation load-depth curves of the samples(a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3

圖4 加載速率對(duì)鈹試樣蠕變深度的影響Fig.4 Effect of loading rate on the creep depth of the samples

表1為采用Oliver-Pharr方法計(jì)算出各樣品的彈性模量和顯微硬度。從結(jié)果可以看出，由切削法粉末制備的試樣 1的顯微硬度和彈性模量分別為 3.75和177.5 GPa，且略高于霧化法粉末所制備的試樣，結(jié)合上述的顯微組織觀察結(jié)果可知，這主要是由于試樣 1的顯微組織細(xì)小且晶界處存在氣孔釘扎效應(yīng)導(dǎo)致。對(duì)比試樣2和試樣3的力學(xué)性能可知，試樣2的硬度和彈性模量均略高于試樣3，這主要與試樣2中BeO顆粒彌散分布有關(guān)。

表1 試樣的顯微硬度和彈性模量Table 1 Microhardness and elastic modulus of the samples

分別從加載速率為5 mN/s的P-h曲線中截取出保載階段的位移-時(shí)間曲線，并利用以下公式對(duì)蠕變深度與保載時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，并求取蠕變應(yīng)變速率隨保載時(shí)間的變化關(guān)系。其中，壓痕蠕變過程中位移與保載時(shí)間的關(guān)系可以通過以下公式擬合[16?17]：

式中：h0、a、t0、p和 k均為擬合參數(shù)。在納米壓痕保載階段，等效應(yīng)變速率ε˙和壓頭位移h的關(guān)系如下：

圖5所示為以試樣1為例擬合出的關(guān)系曲線，從結(jié)果可以看出，在蠕變開始階段，壓痕深度加深得較快，蠕變應(yīng)變速率較大；隨保載時(shí)間延長，應(yīng)變速率逐漸降低，壓痕深度也呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，整個(gè)蠕變過程由暫態(tài)蠕變向穩(wěn)態(tài)蠕變轉(zhuǎn)變。

圖5 試樣1的蠕變測試擬合結(jié)果Fig.5 Fitted curves of h-t of sample 1

對(duì) 3個(gè)試樣進(jìn)行擬合計(jì)算后的蠕變應(yīng)變率?時(shí)間關(guān)系曲線如圖6所示，試樣1和試樣3具有較高的蠕變應(yīng)變速率，隨保載時(shí)間延長均逐漸趨于穩(wěn)定，且試樣3穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變速率最低，表明其抗蠕變性能相對(duì)較好，而試樣1的組織不均勻，試樣2中的BeO顆粒過多，鈹材產(chǎn)生脆化效應(yīng)從而導(dǎo)致其蠕變性能下降。

圖6 各試樣的蠕變應(yīng)變率?時(shí)間曲線Fig.6 ε˙-t curves of the samples

為進(jìn)一步確定試樣的蠕變應(yīng)力指數(shù)，從而定性地確定在壓痕保載過程中的蠕變機(jī)制。試樣在壓痕保載過程中一般遵循如下經(jīng)驗(yàn)方程[18?20]：

式中：A為材料與壓針相關(guān)的常數(shù)；n為蠕變應(yīng)力指數(shù)；σ為應(yīng)力；Q為蠕變激活能；R為理想氣體常數(shù)。對(duì)于公式(3)中：

又因?yàn)閷?duì)于Berkovich壓頭，Ac=24.56 h2。所以，綜合公式(3)和(4)可以得到以下關(guān)系式：

利用公式(5)對(duì)lnε˙-lnσ的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算擬合，得到的直線斜率即為各試樣的壓痕應(yīng)力指數(shù) n，其結(jié)果如圖7。

圖7 各試樣的蠕變應(yīng)力指數(shù)Fig.7 Creep stress of the samples(a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3

從擬合計(jì)算的結(jié)果可以看出，3個(gè)試樣的蠕變應(yīng)力指數(shù)都大于 10。而一般認(rèn)為，n＞10代表高密度位錯(cuò)?顆粒相互作用下的蠕變；n＞7代表位錯(cuò)滑移蠕變；n=3～5代表位錯(cuò)攀移蠕變；n＜2代表晶界滑移機(jī)制；n≈1代表擴(kuò)散蠕變機(jī)制[21]。所以，所測試的3個(gè)試樣的蠕變變形機(jī)制主要以高密度位錯(cuò)?顆粒相互作用下的蠕變?yōu)橹?。原因主要是由于鈹材中的氣孔和BeO顆粒改變了樣品的位錯(cuò)與顆粒之間的相互作用力，從而影響了其蠕變行為。

4 結(jié)論

1) 鈹材的蠕變有明顯的加載速率相關(guān)性，且隨加載速率增大，蠕變深度加深。鈹材中的BeO含量會(huì)對(duì)其蠕變應(yīng)變速率產(chǎn)生影響，從而影響其蠕變行為，且BeO含量過多會(huì)導(dǎo)致其蠕變性能降低。經(jīng)過擬合計(jì)算，鈹材蠕變應(yīng)力指數(shù)n均大于10，表明鈹材的蠕變變形機(jī)制主要以高密度位錯(cuò)?顆粒相互作用下的蠕變?yōu)橹鳌?/p>

2) 由切削法粉末制備的鈹材顯微硬度和彈性模量分別為3.75和177.5 GPa，略高于霧化法粉末所制備的鈹材。主要與切削法粉末所制鈹材晶粒組織細(xì)小且晶界處存在氣孔釘扎效應(yīng)有關(guān)。

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