Mo－La2O3复合材料微观结构与力学性能的研究

韩强

(金堆城钼业股份有限公司科技信息部，陕西 西安 710077)

Mo－La2O3复合材料微观结构与力学性能的研究

韩强

(金堆城钼业股份有限公司科技信息部，陕西 西安 710077)

采用X射线衍射仪(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)，维氏硬度计，电子万能材料试验机，动态热模拟机研究了稀土钼复合材料的结构、形貌、硬度、断裂韧性、高温屈服强度、强韧化机理等。结果表明:在钼中添加适量的La2O3，可起到室温强韧化和高温强化作用。随着La2O3含量的增加，样品的硬度、断裂韧性呈先增后减的规律，其最大值分别为l0.85 GPa，7.25 MPa·m1/2。该材料的强化机制为细晶优化和晶界强化;韧化机制为细晶韧化，裂纹偏转、微桥接和弯曲韧化。

Mo－La2O3复合材料;结构;性能;强韧化机制

0 前言

钼金属具有高熔点、低膨胀系数和高热导率等诸多优良性能，故而在工业中有着广泛的应用。但是，纯钼的再结晶温度较低(约900～1 000℃)，容易发生变形或脆断，严重影响其使用性能。因此钼金属的强韧化研究一直受到业内重视［1］。在对钼基体起到弥散强化作用的稀土氧化物中，研究较多的是La2O3、Y2O3和CeO2，其他还有Sm2O3、Nd2O3和Gd2O3等。

结构决定着性能，性能是结构的反映。因此，本实验通过均匀掺杂、冷等静压型、中频烧结、板材轧机压力加工等工艺制备了Mo－La2O3复合材料，采用电子万能材料试验机，动态热模拟机，X射线衍射(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)等系统地研究了该复合材料的微观结构与宏观性能，为该材料的工业应用提供了基础数据和理论依据。

1 实验

1.1 试样制备

采用固－液掺杂方式，在MoO2粉末中掺入0%～3.0%(质量分数，下同)La(NO3)3，然后将经过烘干的MoO2－x%La(NO3)3混合物在平四管电阻炉中，通过氢还原法(温度为1 273 K，氢气流量为60 M3/h)得到费氏粒度为3.2 μm的Mo－x%La2O3(x=0，0.1，0.3，0.8，3.0)掺杂粉末，接着经过冷等静压压力为160 MPa，保压时间为5 min，中频烧结制成高温钼与纯钼的烧结板坯，两种钼板坯进行热轧与交叉换向温轧生产厚度1.0 mm板材，总变形率达95%以上。

对按上述工艺制备出的稀土高温钼板和纯钼板沿轧制方向截取试样。上述试样在SL63－14A型钨网炉中于1 050～1 450℃进行真空退火。

1.2 样品分析测试

采用SIEMENS－500型X射线衍射仪(CuKa辐射，λ=0.154 1 nm)对所制备的样品进行结构分析，步进宽度为0.02，计数时间为3 s。采用HVA－10A型低负荷维氏硬度计测试样品的室温硬度，测量载荷为49 N;在WD－10A型电子万能材料试验机上采用切口梁法计算烧结坯块的室温断裂韧性KJC值。其中，切口梁法的试样长度为26 mm，宽度为6 mm，厚度为1 mm，单边切口深度为1 mm，跨距为18 mm，压缩速度为2 mm/min;采用Gleeble1500动态热模拟机进行高温压缩试验，加热速度为20 K/min，压缩速度为0.5 mm/min，试验温度为1 473 K。采用JSMT－200型扫描电子显微镜对样品的断口形貌、压痕裂纹、微裂纹等进行分析。

2 结果及讨论

2.1 样品的X射线衍射分析

图1 Mo－0.8%La2O3样品的XRD图谱

从图1可以看出，Mo－0.8%La2O3复合材料(MA)中除了Mo衍射峰外，还存在La2O3的衍射峰，表明样品经冷等静压及1 873 K烧结24 h后，La2O3能够稳定存在。

2.2 La2O3对Mo的强韧化作用

从图2可以看出，随着La2O3含量的增加，Mo－x%La2O3复合材料的室温硬度、断裂韧性值均逐渐增加。当La2O3含量为0.8%、0.4%时分别达到其最大值10.85 GPa，7.25 MPa·m1/2，此后又有不同程度的下降。其中，当La2O3含量在0.8%～3.0%范围内，样品的室温硬度趋于稳定(保持在10 GPa左右)，而室温断裂韧性的下降趋势则相对较大。即样品的室温硬度、断裂韧性随La2O3含量的增加呈先增后减的规律。因此，在钼材料中加入适量的La2O3起到了室温强韧化的作用［2］。

图2 Mo－x%La2O3样品的室温硬度、断裂韧性与成分的关系

图3 Mo－x%La2O3样品的高温压缩屈服强度与温度的关系

由图3可知，实验所选定的温度范围内，两种材料的高温屈服强度随温度的升高而逐渐下降。温度相同时，Mo－x%La2O3复合材料的高温强度比纯Mo大约提高了120 MPa，因而，La2O3的加入对钼材料起到了一定的高温强化作用。

2.3 Mo－La2O3复合材料的强化机制

2.3.1 室温强化机制

与纯钼相比，Mo－La2O3复合材料的硬度显著提高(图2)。引用金属学中的Hal1－Petch(H－P)公式来描述Mo基复合材料晶粒度与屈服应力的关系:

其中:σy为产生0.2%变形时的屈服应力σ0.2，可用显微硬度Hv代替;σ0为移动单个位错时产生的晶格磨擦阻力;k，m为常数;d为平均粒径。

因而，H－P关系式可改写成:

从图2室温硬度曲线可知，Mo－x%La2O3复合材料的硬度随着晶粒尺寸的减小而增加，即上述关系式是成立的。因而，在Mo中添加适量的La2O3，使材料的晶粒细化，从而使材料达到室温强化的目的。

2.3.2 高温强化机制Mo－x%La2O3复合材料经1 473 K高温压缩变形后的断口分析结果如图4所示。

图4 Mo－x%La2O3样品经1 473 K压缩后的SEM照片

由图4a可知，在纯钼的断面上，晶粒表面比较光滑，有玻璃相存在。当玻璃相存在于晶界时，使得晶界先于位错运动而滑动，成为主要的变形机制。随着温度的升高，玻璃相的粘度下降，晶界滑动增加，从而使样品的强度降低［3］。由图4b可知，在Mo－0.8%La2O3复合材料的断面上未发现玻璃相，即在钼材料中添加适量的La2O3可阻止高温变形时有害的玻璃相的形成，从而提高Mo基材料的高温强度(如图3所示)。

2.4 Mo－La2O3复合材料的韧化机制

2.4.1 细晶韧化机制

由图5可知，在Mo中加入La2O3可使其晶粒明显细化。细化晶粒，可增大相邻晶粒之间的约束，使晶粒内的形变立即传递给周围相邻的晶粒而产生均匀形变，不容易产生应力集中，不容易形成裂纹。

图5 Mo－x%La2O3复合材料的SEM显微组织

另外，相对于两侧的晶粒而言，晶界是点阵畸变区，起着抑制裂纹扩展的势垒作用，晶粒愈细，裂纹失稳扩展所消耗的能量愈大。判别裂纹是否失稳扩展的判别式为［4］:

式中，σ0－位错的摩擦阻力:d－晶粒度;ky，ky＇，β－常数;μ－切变模量;γ－比表面积。

由(3)式可知，减小晶粒尺寸，可使裂纹不容易发生失稳扩展。因此，La2O3的加入，可使钼材料的晶粒细化、阻碍裂纹的形成和失稳扩展，从而有效地提高材料的韧性。

图6 Mo－0.8%La2O3复合材料中压痕裂纹的SEM照片

2.4.2 裂纹的偏转、微桥接和弯曲增韧机制

由图6可知，在钼材料中加入适量的La2O3后，在变形过程中，裂纹扩展时会发生偏转、微桥接和弯曲。这是由于在La2O3粒子与Mo基体间存在着弹性模量和膨胀系数的差异，造成材料内部产生径向张应力和切向压应力，这种应力的存在和外力相互作用，使裂纹前进的方向发生偏转、微桥接和弯曲，从而提高材料的抗断裂能力、增加韧性。

3 结论

(1)Mo－x%La2O3复合材料由La2O3和Mo组成，样品的室温硬度、断裂韧性随La2O3含量的增加呈先增后减的规律，当La2O3含量为0.8%，0.4%时分别达到其最大值10.85 GPa，7.25 MPa·m1/2。

(2)在钼材料中加入适量的La2O3，具有较好的高温强化效果，使材料在1 073～1 473 K温度范围内的高温压缩屈服强度提高120 MPa。

(3)Mo－La2O3复合材料的强化机制主要为细晶强化(室温)，优化晶界强化(高温);该材料的韧化机制主要为细晶韧化机制，裂纹的偏转、微桥接和弯曲增韧机制。

［1］殷劲松，吕忠.钼和钼合金［C］.中国有色金属学会第7届全国难熔金属学术交流会文集.西安:陕西科学技术出版社，1991:206－207.

［2］Motomu E.稀土元素对掺杂钼丝的影响［C］.第12届国际普兰西会议论文译文选集.中南工业大学出版社，1991:162－165.

［3］Haertle S.氧化物弥散强化钨和钼的生产及其性质［C］.第12届国际普兰西会议论文译文选集.中南工业大学出版社，1991:154－156.

［4］Xiao Jimei(肖纪美).The Toughness and toughening of metal(金属的韧性与韧化)［M］.上海:上海科学出版社，1983: l56.

MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF Mo－La2O3COMPOSITES

HAN Qiang
(Technology Information Department，Jinduicheng Molybdenum Co.，Ltd.，Xi＇an 710077，Shaanxi，China)

The structure，morphology，hardness，fracture toughness，high－temperature yield strength，strengthening and toughening mechanism of Mo－La2O3composites were investigated by means of X－ray diffraction(XRD)，scanning electron microscope(SEM)，Vichers hardness tester，electrical omnipotence material tester and dynamic heat simulate in this paper.The results showed that the ambient temperature hardness and fracture toughness，high－temperature yield strength of the samples would increase by adding suitable La2O3into Mo materia1.The hardness and toughness of the specimens would increase，then decrease with increasing the content of La2O3，and their maximum value were 10.85 GPa and 7.25 MPa·m1/2，respectively.The strengthening mechanisms of composites are fine grains and optimal crystal boundary strengthening，and the toughening mechanisms are fine grain toughening and crack deflection，the micro bridge join and the crack bend toughening.

Mo－La2O3composites;microstructure;properties;strengthening and toughening mechanism

TG146.4+12

A

1006－2602(2011)06－0049－04

2011－07－21

韩强(1975－)，男，金属压力加工高级工程师。曾研发稀土钼系列产品，现负责金钼股份钼金属、钼化工的技术管理。