铱属铂族金属元素, 其熔点高 (2443℃) 、硬度高 (退火态Hv=240 MPa) 、弹性模量大 (E=527 GPa) 、高温性能好、化学性质稳定, 可以在氧化性气氛中应用到2300℃, 也是唯一能在1600℃以上仍具有良好机械性能的金属。铱还是最耐腐蚀的金属, 一般的腐蚀剂不能腐蚀铱, 致密态铱不溶于所有无机酸, 也不被其他金属熔体浸蚀, 例如熔化的铅、锌、镍、铁、金等。由于具有这些特殊的物理化学性质, 铱及其合金制品已成功应用于航天航空、高能物理、兵器、机械电子、医学等诸多领域, 是高新技术领域不可替代的重要战略物质[1,2,3,4]。
铱的高温抗氧化性和热电性能使铱丝与铱铑合金丝配对成为唯一能在大气中测量达2100℃高温的贵金属测温材料[5,6], 铱合金热电偶在航空发动机高温燃气温度测量、航天、拉制人工晶体的高温实验中广泛应用[7,8,9], 主要牌号包括Ir Rh40/Ir、Ir Rh50/Ir、Ir Rh60/Ir等[10]。其中日本古谷金属公司研发的Ir Rh40/Ir热电偶, 在惰性氩气环境能经受800~1700℃反复升温降温约230次后丝材才断裂[11]。铱合金丝作为汽车火花塞中央电极, 与传统材料制备的汽车火花塞相比具有点火容易、省油、噪声低、动力强等优势, 主要合金牌号包括Ir Rh5、Ir Rh10、Ir Rh40等[12,13]。
虽然铱在高技术领域具有重要用途, 但铱合金制品的加工变形十分困难, 室温下多晶铱无明显塑性变形就沿晶界脆断, 只有在1600℃以上的高温才具有一定塑性, 铱的这种本征脆性大大限制了其广泛应用。我国在铱深加工制品方面起步晚、技术落后、产品品种少、成材率低、产品的科技含量和附加值较低, 尖端领域所需的Ir丝和Ir Rh40合金丝还严重依赖进口, 本文以昆明贵金属研究所自主开发的Φ0.5 mm的Ir丝和Ir Rh40合金丝为研究对象, 对其显微组织特征、力学性能和断裂机理进行分析, 以期给铱合金丝材产品的开发和应用提供借鉴。
1 实验
实验用Ir丝和Ir Rh40合金丝为采用原料纯度99.95% (质量分数, 下同) 的铱粉和99.95%的铑粉制备而成。主要制备过程为:先采用高频感应熔炼底漏浇注成质量为200 g左右的Ir和Ir Rh40合金铸锭, 直径为20 mm, 随后对Ir和Ir Rh40铸锭进行高温模锻, 锻制成Φ5 mm左右的棒料, 再经过热轧和热拉丝后加工成Φ0.5 mm的丝材。
对加工态的Ir丝和Ir Rh40丝的横截面和纵截面进行金相电解腐蚀, 腐蚀介质为饱和的盐酸+氯化钠溶液, 电流大小约为10 A, 腐蚀时间控制在20 s。采用岛津AG-X100k N型万能力学试验机对Φ0.5mm的铱合金丝材进行室温拉伸测试, 加载速率为2 mm/min, 试验完成后由计算机给出应力-应变曲线。采用日立SPM-S3400N型电子显微镜型扫描电子显微对丝材的拉伸断口进行二次电子形貌观察。
2 结果与讨论
2.1 Ir和Ir Rh40合金丝的显微组织
图1为Φ0.5 mm的Ir和Ir Rh40合金丝的加工态金相组织。从图1可看出, Ir和Ir Rh40合金丝的横截面组织[图1 (a) 、 (c) ]中晶界为锯齿状, 形状不规则, 没有出现退火孪晶, 这是典型的加工态组织形貌;纵截面组织[图1 (b) 、 (d) ]中呈现出沿拉伸方向的纤维组织形貌。图1 (a) 中纯Ir丝的显微组织较为粗大, 且晶粒大小分布非常不均匀, 存在明显的“混晶组织”现象, 而图1 (c) 中Ir Rh40合金丝的组织较为均匀和细小, 平均晶粒尺寸小于5μm, 表明在Ir中加入Rh元素能起到明显的细化晶粒作用。
图1 Ir和Ir Rh40丝的加工态组织Fig.1 Microstructures of as-deformed Ir and Ir Rh40 wires 下载原图
[ (a) .Ir丝横截面; (b) .Ir丝纵截面; (c) .Ir Rh40丝横截面; (d) .Ir Rh40丝纵截面][ (a) .Cross section of Ir wire; (b) .Longitudinal section of Ir wire; (c) .Cross section of Ir Rh40 wire; (d) .Longitudinal section of Ir Rh40 wire]
2.2 Ir和Ir Rh40合金丝的力学性能
表1 Ir和Ir Rh40丝的力学性能Tab.1 Mechanical properties of Ir and Ir Rh40 wire 下载原表
从表1可以看出, 纯Ir丝的平均抗拉强度2103MPa, 最高达到2151 MPa;而Ir Rh40合金丝的平均抗拉强度约为1765 MPa, Ir和Ir Rh40丝的延伸率为8%~10%。以上数据表明, 在Ir中加入Rh使铱的抗拉强度下降, 但延伸率基本没有改变。文献[14]报道, Φ1.5 mm的多晶铱丝室温延伸率为3%~5%, 而Φ0.3 mm的多晶铱丝延伸率达到了10%~15%。本文制备的Φ0.5 mm多晶铱丝延伸率 (8%~10%) , 正好处于上述2个值之间, 这些实验结果说明铱丝的延伸率具有明显的尺寸效应, 即丝径越小, 延伸率越大。此外, 铱丝的延伸率还受丝材表面质量 (如光洁度) 的影响, 即铱丝具有裂纹敏感性[14]。
铱是所有面心立方金属中弹性模量最大的元素, 在早期的文献报道[4]中, 铱的弹性模量为516MPa;而在文献[15]中报道铸态铱的室温弹性模量为525.5 MPa, 表1给出的本文制备的加工态Φ0.5mm铱丝的弹性模量约为485 MPa, Ir Rh40合金丝的弹性模量约为416 MPa。弹性模量是工程材料重要的性能参数, 从宏观角度来说, 弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度, 从微观角度来说, 则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。因合金成分不同、热处理状态不同、冷塑性变形不同等, 金属材料的弹性模量值会有5%或者更大的波动, 本文制备的Ir丝弹性模量比文献报道的数值略小, 其主要原因是材料的组织状态差异。图2为Ir和Ir Rh40丝的拉伸应力-应变曲线。
图2 Ir和Ir Rh40丝的拉伸应力应变曲线Fig.2 Tensile test curves of Ir and Ir Rh40 wires 下载原图
由图2可以看出, 2种丝材都存在非常明显的弹性阶段和塑性变形阶段, 2种丝材的弹性应变和塑性应变值相近, 但纯Ir丝的加工硬化速率更大。
2.3 Ir和Ir Rh40合金丝的拉伸断口分析
图3为Ir和Ir Rh40合金丝的拉伸断口的扫描电镜二次电子照片。从图3可看出, Ir和Ir Rh40合金丝在试验拉伸条件下都发生了穿晶断裂, 且都出现了塑性材料的拉伸断裂特征, 即断裂发生时伴随着“颈缩”现象[图3 (a) 、 (d) ], 这一点与图2的拉伸曲线上反应出的较大延伸率吻合。在文献[14]中对Φ0.3 mm的纯Ir丝拉伸时也发现了类似的“颈缩”现象, 对比图3 (g) 可看出, 纯Ir丝的“颈缩”现象比Ir Rh40合金丝更明显, 这种现象一定程度上反应出往Ir中添加Rh并未能有效改善铱的加工性能。
仔细观察图3可发现, Ir和Ir Rh40合金的晶粒结构为沿着拉伸方向的流线纤维状组织, 这是铱合金丝在室温下具有良好塑性的重要原因, 即对于铱合金材料, 其加工态组织比再结晶组织具有更好的塑性[16]。对比图3 (a) ~ (f) 可看出, Ir和Ir Rh40合金的拉伸断口出现了大量沿晶裂纹, 该裂纹贯穿整个拉伸断面, 且发生了晶界撕裂[图3 (c) 和 (f) ], 说明铱合金晶界是其脆弱环节。
3 结论
本文采用光学显微镜、扫描电镜和力学试验机等测试手段对加工态Ir丝和Ir Rh40合金丝的金相组织、力学性能和断口形貌进行了分析, 得出如下主要结论:
(1) Ir Rh40合金丝比纯Ir丝具有更细的显微组织, Ir丝的平均抗拉强度为2103 MPa, Ir Rh40合金丝的平均抗拉强度为约为1765 MPa, 2种合金的延伸率均约为8%~10%。
(2) Ir丝和Ir Rh40合金丝的断裂方式主要为穿晶断裂, 在断裂之前存在“颈缩”现象, 表现出塑性材料的断裂特征。