微观结构控制的W-Cu复合材料变形与断裂：不同W含量下的微型力学测试与中子衍射研究

《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》：On microstructure-controlled deformation and fracture of W Cu composites with varying W content: Miniature mechanical testing and neutron diffraction

　　

钨铜（W-Cu）复合材料兼具高温强度与优异热导率、电导率，是核聚变堆部件与航空航天应用中的关键材料。在材料用量受限时，采用微型试样评估此类材料至关重要。研究人员采用毫米级中尺度与厘米级宏观尺度拉伸试样及小冲杆试验（SPT），结合中子衍射与断口形貌分析，考察了W含量为50–90 wt%的W-Cu复合材料的力学与断裂行为。两种拉伸几何适用于W含量最高80 wt%的复合材料，屈服强度与极限抗拉强度（UTS）取值一致；仅宏观试样对脆性W90Cu10给出有效测量。弹性模量、屈服强度与UTS随W含量增加而升高，屈服强度由约200 MPa增至约640 MPa，UTS由约390 MPa增至约720 MPa。延伸率随W含量增加由约14%降至约2%，且对试样尺寸最敏感。SPT曲线显示随W含量增加延性降低、断裂提前；SPT断口形貌由半韧性向脆性渐进转变。SPT参数与拉伸性能间的经验关系可实现力学性能的实用估算。中子衍射表明塑性变形主要发生于Cu相，W相可探测塑性极小、基本保持弹性，与其承载作用随W含量增加渐进增强一致。随Cu体积分数与连通性下降，塑性变形日益局部化，与向W骨架的载荷转移增强相符。W70Cu30是临界成分，此时表观Cu连续性降低伴随解理主导断裂模式的转变。上述结果在W-Cu复合材料中建立了相连通性、应变局部化与断裂模式间的直接关联。

研究背景方面，钨铜（W-Cu）复合材料因融合钨的高温强度、高熔点、低膨胀系数与铜的高导热、导电及塑性，被广泛用于集成电路、高功率微波器件、火箭喷管喉衬、飞机鼻锥及未来核聚变堆偏滤器热沉部件。钨与铜互不相溶且润湿性差，粉末冶金浸渗为主要工艺。既往研究多聚焦微结构表征与物理性能，系统的跨成分力学性能与微结构关联数据匮乏；同时标准尺寸试样成本高，在辐照样品、增材制造小样等场景难以获取。为此，研究人员以商业板材为对象，开展50、60、70、80、90 wt% W五种成分（对应体积分数约31.76%至80.73%）的室温微观结构控制变形与断裂研究，旨在建立相形态—应变局部化—断裂模式的结构性能关系，成果发表于《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》。

关键技术方法上，研究人员从Stanford Advanced Materials商用板材（纯钨参比购自Plansee SE）取样，低W侧（50/40/30 wt% Cu）为混粉压制烧结，高W侧（20/10 wt% Cu）为预烧钨骨架铜浸渗。微结构用电子背散射衍射（EBSD）与能谱（EDS）在扫描电镜（SEM）下表征XZ面。力学测试含两类微型单轴拉伸——0.26 mm厚中尺度与2 mm厚宏观尺度试样，配数字图像相关（DIC）测伸率；小冲杆试验（SPT）按BS EN 10371:2021用0.5 mm厚?8 mm圆片以0.2 mm/min冲压；中子衍射追踪两相载荷分配；断口用SEM背散射成像分类韧性/脆性形貌。

研究结果部分，引言指出W-Cu复合材料塑性限于铜相、钨在室温下位错滑移受限（低于约466°C膝温），高W成分延性骤降，微型化测试是稀缺材料唯一可行路径。材料与方法确定五成分板材与纯钨参比、EBSD-EDS面扫描参数（500×、步长0.15 μm、20 kV）、拉伸速率（中尺度约4.6×10^?4 s^?1、宏观约1.2×10^?4 s^?1）与SPT四阶段力—位移定义（F_e弹塑转折、F_m最大载荷、d_m对应位移、F_f=0.8F_m断裂载荷）。微型拉伸结果显示：≤80 wt% W时中尺度与宏观屈服/UTS一致，W₉₀Cu₁₀仅宏观有效；屈服强度~200→~640 MPa，UTS~390→~720 MPa，延伸率~14%→~2%且尺寸效应最强。SPT曲线随W升高最大载荷与断裂位移减小、能量吸收E_sp下降，断口由半韧窝向解理渐进。中子衍射定量证实Cu相承担塑性、W相近弹性，W含量越高W骨架载荷份额越大；Cu体积分数与连通性降低使变形局部化，W₇₀Cu₃₀（体积分数约52.06% W）处Cu连通性临界退化，断裂由韧窝/沿晶转为解理主导。SPT特征参量（F_e、F_m、d_m）与σ_y、σ_u、ε_f的经验线性公式可对小样实现拉伸性能反演。

讨论与结论翻译总结：研究人员指出，相连通性而非单一体积分数控制W-Cu变形分配，Cu连续网络存在时塑性可重分布，网络断裂后载荷骤转W骨架并触发局部化与解理；W₇₀Cu₃₀是连通性阈值成分。微型拉伸与SPT联用可在极少材料下给出与宏观一致强度、并预警脆化趋势；中子衍射提供两相应力分配直接证据，弥补单纯断口推演的不足。该工作为聚变热沉、航天喉衬用W-Cu的成分—工艺—微结构—韧性协同设计提供了跨尺度实验基准与SPT替代评价方法。