钨合金因具有耐高温、穿甲能力强、密度高、储能性好等材料特性^[1-2]，使其在武器系统中作为杀伤破片而被大量使用，又因球形结构具有飞行阻力衰减系数小的特点，使钨合金球型破片的应用最为广泛^[3]。目前国军标上对钨合金球的供货状态要求有烧结态与精磨态两种^[4]，精磨态钨合金球是将烧结态钨合金球再经过研磨工序后获得。烧结态钨合金球较精磨态钨合金球在生产制造上具有工艺简单、制造成本低等优点，但因其尺寸与质量较难控制，故在武器系统中的使用没有精磨态钨合金球广泛，同时国内、外对钨合金球力学性能的相关研究也主要是以精磨态钨合金球为研究对象^[5-6]。本研究以烧结态与精磨态钨合金球为研究对象，通过静态与动态加载试验，对比两种状态的钨合金球的力学性能及损伤模式的差异，并对其原因进行分析。

1.   试验研究

1.1   试样材料

选用某钨合金制造厂家所生产的同一批次直径为7 mm、牌号为W252(化学成分如表 1所示)的烧结态与精磨态钨合金球为试验研究对象。

表  1  钨合金球化学成分

Table  1.  Chemical composition of tested tungsten alloy spheres (%)

Ni	Fe	Co	W
4.3	2.2	0.4	93.1

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由于制造工艺限制，烧结态钨合金球较精磨态钨合金球在外表上多了一道宽度约为2 mm的凸起环带(如图 1所示)。

图  1  两种状态钨合金球外形结构

Figure  1.  Two structural states of tungsten alloy spheres

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为降低环带对试验结果的影响，试验前挑选尺寸相近的两种状态的钨合金球各6枚(如表 2所示)，其中No.1、No.2、No.3用于静态加载试验，No.4、No.5、No.6用于动态加载试验。

表  2  参试钨合金球外径尺寸

Table  2.  Diameter of tested tungsten alloy spheres

State	Diameter/mm
	No.1	No.2	No.3	No.4	No.5	No.6
Sintered	7.00-7.09	7.01-7.04	7.00-7.08	7.02-7.10	7.01-7.04	7.03-7.09
Polished	7.00-7.02	7.00-7.01	7.00-7.01	7.00-7.01	7.00-7.02	7.00-7.01

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1.1.1   静态加载试验方法

静态加载试验使用国产WDW-300E微机控制电子万能试验机进行。将两种状态的钨合金球(共6枚)依次放置在试验机上并以5 mm/min压缩速度缓慢施加压力，待试验钨合金球压溃时记录其极限压溃载荷及变形量^[7]。

1.1.2   动态加载试验方法

动态加载试验利用∅ 40 mm×80 mm的JH-14C炸药对单枚钨合金球进行爆轰加载，使其高速撞击4 mm厚Q235钢板，其中钨合金球距钢板距离为250 mm，在钢板的上方布设两层测速靶(两层测速靶之间距离为50 mm)，用以测量钨合金球的触靶速度^[7-8]，在钢板的下方布设回收用的多层橡胶板，用以回收穿透钢板的钨合金球。试验后对钨合金球进行回收，观察其变形及破碎情况。试验方法示意图及现场布局如图 2所示。

图  2  动态加载试验示意图及现场布局图

Figure  2.  Illustration of dynamic loading test

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1.2   电镜观察

使用美国FEI公司生产的QUANTA600F电镜对两种状态的钨合金球试验前及试验后的表面进行微观组织观察。

2.   试验结果

2.1   静态加载试验结果

静态加载试验后，两种状态的钨合金球表面均出现肉眼可见的裂纹，如图 3所示，试验结果见表 3。通过试验结果可以得到烧结态钨合金球的极限压溃载荷是精磨态钨合金球压溃载荷的2.02倍。

图  3  静态加载试验结果

Figure  3.  Quasi-static loading test results

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表  3  静态加载试验结果

Table  3.  Results of quasi-static test

State	No.1			No.2			No.3
	Crushing load/kN	Deformation/%		Crushing load/kN	Deformation/%		Crushing load/kN	Deformation/%
Sintered	157	66.54		163	67.01		155	65.86
Polished	77	50.39		85	51.05		73	51

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2.2   动态加载试验结果

爆轰加载试验钨合金球终点速度如表 4所示，试验后的钨合金球均镶嵌在钢板上，未能穿过钢板，结果如图 4所示。

表  4  动态加载试验钨合金球触靶速度

Table  4.  Terminal velocity of tungsten alloy spheres

State	Terminal velocity/(m·s-1)
	No.4	No.5	No.6
Sintered	468	492	446
Polished	430	447	506

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图  4  动态加载试验钨合金球触靶速度

Figure  4.  Terminal velocity of tungsten alloy spheres

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试验后能够非常直观地看到，烧结态钨合金试验后表面有裂纹，或发生局部破碎，但其主体仍然完整；精磨态钨合金球在撞击钢板时发生破碎、解体，最终以碎片的状态镶嵌在钢板上。

通过对比试验结果发现，烧结态钨合金球在经过炸药爆轰与侵彻钢板加载后较精磨态钨合金球完整，可以较为直观地判断烧结态钨合金球动态性能要高于精磨态钨合金球。

2.3   电镜结果

通过对两种状态的钨合金球表面(图 5)及内部的电镜扫描结果(图 6)可以观察到，烧结态钨合金球表面的钨元素以颗粒的形态被镍-铁元素形成的黏结相包裹，钨颗粒之间通过黏结相连接，精磨态钨合金球表面均为钨元素，且钨元素以鳞片状态或相互挤压态覆盖在球体的表面，未看到镍-铁元素形成的黏结相^[9-10]；而两种状态钨合金球的内部结构相同，均为镍-铁元素形成的黏结相包裹着钨颗粒。

图  5  钨合金球表面电镜结果

Figure  5.  Result of SEM on surface of tungsten alloy sphere

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图  6  钨合金球内部电镜结果

Figure  6.  Result of SEM internal of tungsten alloy sphere

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由于动态加载试验后两种状态的钨合金球均镶嵌在钢板上，并已经和钢板材料融合，无法观察到微观的破坏形态，因此只对静态试验后的两种状态的钨合金球的破坏处进行电镜扫描，其结果如图 7所示。

图  7  静态试验后钨合金球表面裂纹电镜结果

Figure  7.  Result of SEM on surface crack of tungsten alloy spheres after quasi-static loading test

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观察静态加载试验后两种状态的钨合金球的裂纹的电镜结果，可以看到，烧结态钨合金球断裂形式主要为钨颗粒的解理与黏结相撕裂，而精磨态钨合金球断裂形式主要表现为钨-钨界面的开裂，且表层的钨-钨界面层厚度约为10 μm。

3.   结果分析

通过电镜扫描结果可以看出，试验前两种状态钨合金球内部的金相结构是相同的，表面金相结构不同，因此可以判定是因表面金相结构的不同，造成了两种状态钨合金球力学性能的差异。目前已知的钨合金的断裂有4种形式：钨颗粒的解理、黏结相撕裂、黏结相与钨颗粒的界面剥离及钨-钨界面的开裂^[11]。以往的研究发现，由于钨-钨的结合强度很低，以至往往形成假结合，一旦钨颗粒之间直接接触而形成钨-钨界面，则该界面在变形中常成为裂纹源。German提出了“钨晶粒连接度”的概念^[12]，定义为

式中: c_W为钨晶粒连接度, s_W为单位体积钨颗粒表面积, s_W-W为同一体积内钨-钨接触面积。研究表明，c_W越大，该钨合金的抗拉强度与延伸率越低^[12-13]。将两种状态钨合金球表面的电镜扫描结果代入(1)式可以求得，烧结态钨合金球表面因镍-铁元素形成的黏结相包裹着的钨颗粒, 所以其c_W值不大于0.2，而精磨态钨合金球表面几乎全部为钨颗粒相互挤压、接触形成的钨-钨界面，故其c_W值近似为1。由此可以证明, 因精磨态钨合金球表面力学强度低，在受到载荷作用时，其表面容易提前坏产生裂纹源，当载荷持续作用时，表面裂纹源会向钨合金球内部扩展，从而造成整个钨合金球的破坏。从理论上说明了为什么烧结态钨合金球的力学性能优于精磨态钨合金球。

图 8为精磨态钨合金球的精磨过程示意图，其过程为其表面受到挤压与磨削的过程，钨颗粒受到挤压后，向周围变形扩展，把镍-铁元素形成的黏结相向表面及内部挤压，由于钨颗粒的硬度大于黏结相的硬度，因此经过磨削后，钨颗粒破碎且之间相互挤压、覆盖，而黏结相则被磨削消失，导致其表面的钨颗粒与黏结相分布不均匀，最终在其表面形成了一个厚度约为10 μm钨-钨界面层，此界面层使精磨态钨合金球表面强度降低，在受到载荷作用时容易开裂形成裂纹源，从而降低了其力学性能。

图  8  钨合金球精磨加工示意图

Figure  8.  Schematic diagram of lapping process on tungsten alloy sphere

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4.   结论

牌号为W252、直径为7 mm的烧结态钨合金球表面钨颗粒与黏结相分布均匀，而精磨态钨合金球因其受到挤压与研磨的作用，其表面的钨颗粒被挤压变形、黏结相减少，形成了一层钨-钨界面层。这就使烧结态钨合金球在静态条件下其极限压溃载荷是精磨态钨合金球的2.02倍，动态条件烧结态钨合金球的力学性能也要优于精磨态钨合金球。在武器系统中使用烧结态钨合金球作为杀伤破片能够增强侵彻能力，从而提高对目标的毁伤效果，同时可以节省加工成本与时间。