图 1试样A、B、C结构示意
钨铜合金是使用粉末冶金工艺制造而成的高性能合金，也被称为假合金[1]，其在航空、航天、军工国防、核工业等领域应用广泛[2]。这些领域对产品的质量及可靠性要求都非常高，不允许出现不合格品。原材料要经过入厂复验，且入厂复验需符合国家军用标准、国家标准或企业标准等技术条件，最终才能被使用到产品上。然而，钨铜合金的入厂复验时采用验收标准进行试验，其力学性能指标往往很难达到规定的技术要求。通过大量的试验研究，发现这可能与拉伸试样的类型或夹持方式有关。钨铜合金的制造工艺复杂，成本高，复购周期长。因此，选择能快速、准确地测试出钨铜合金力学性能的试样类型及夹持方式具有十分重要的意义。
王曼娟等[3]研究表明，对于H型钢，采用不同类型的试样，测得的屈服强度及抗拉强度可能不同。王俊华等[4]研究表明，热煨弯管拉伸试样的尺寸对试验结果的准确性有影响。孙宏[5]研究高级螺旋焊缝钢管的力学性能时，发现试样类型对其拉伸性能有影响。赵金兰等[6]研究了X65/X70钢大壁厚海底用直缝埋弧焊管的试样类型对其拉伸性能的影响，发现纵向圆棒试样的屈服强度、屈强比明显低于纵向板状试样。张建民等[7]对45#钢的室温拉伸性能进行研究，结果表明板状试样的抗拉强度与其试样尺寸关系不大，而不同试样类型测试出的屈服强度略有不同。曾赞喜等[8]对SS400钢的不同类型试样进行力学性能测试，发现试样带头或不带头对其力学性能影响不大。王勇等[9]对Q355钢板进行力学性能测试，结果表明试样的宽度对钢板的屈服强度与断后伸长率影响较大，而钢板的抗拉强度基本不受试样宽度的影响。刘宏伟等[10]研究了试样类型对TC4丝材力学性能的影响，提到试样的类型对其断后伸长率影响较大。当采用全截面试样时，试样在拉伸过程中容易被夹断。此外，材料的蠕变性能也与试样类型有关。庄法坤等[11]研究表明，不同试样类型对材料的蠕变性能影响较大。
在拉伸试验过程中，试样类型决定试样的夹持方式，试样的夹持方式决定试验用的夹具。由GB/T 16865—2023 《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》可知，拉伸试验用夹具可选用楔形夹具、平推夹具、台肩夹具、套环夹具、螺纹夹具、销钉夹具等。
金属材料拉伸试样的类型、尺寸、形状等对其力学性能均会产生影响。此外，试样类型的不同决定了其夹持方式的不同，最终可能会影响其在拉伸过程中断裂的位置是否符合标准要求。但目前极少有人研究不同试样类型和夹持方式对钨铜合金力学性能的影响。笔者利用现有条件，针对不同夹持方式，设计了3种不同类型的钨铜合金试样，根据 GB/T 228.1—2021 《金属材料 拉伸试样 第1部分：室温试验方法》，研究了钨铜合金试样类型与其断裂位置、力学性能之间的关系，探究出用于测试钨铜合金室温力学性能的最佳试样类型，研究结果可提高试验的准确率。
1. 试样制备与试验方法
1.1 试样制备
某公司使用的钨铜合金入厂复验技术要求为GJB 2299A—2005 《喉衬用钨渗铜制品规范》，其中要求对钨铜合金复验时，室温抗拉强度必须不小于300 MPa。依据标准GB/T 228.1—2021和GJB 2299A—2005，设计了A、B、C三种类型试样，试样A为单台阶直径为10 mm的圆形棒状试样，试样B为单台阶2×M10-6h (两端均有外螺纹，螺纹直径为10 mm,公差等级为6 h)圆形头部带螺纹的试样，试样C为双台阶2×M10-6h圆形头部带螺纹的试样，3种试样的尺寸结构如图1所示。
根据设计的试样类型，选取同一厂家、相同炉号、同一批次号,且拥有质量证明文件的W-7Cu合金制作拉伸试样，共加工18根拉伸试样，每种类型试样各6根。使用等离子光谱仪分析试样的化学成分，验证本次拉伸试验所选择材料的化学成分符合标准GJB 2299A—2005的要求。
1.2 试验方法
使用AG-I 100KN型拉力机，其精度为0.5%，设备合格且在校验期内，选用的夹具为楔形夹具和螺纹夹具，依据标准GB/T 228.1—2021对试样进行拉伸试验，试验过程不施加预紧力，应变速率恒定设置为0.002 s−1。
2. 试验结果
2.1 试验过程试样受力分析
单轴拉伸试验过程中，试样的受力情况与其夹持方式有关。夹具分为楔形夹具、平推夹具、台肩夹具、套环夹具、螺纹夹具、销钉夹具等。根据夹具种类，可进一步将试样受力方式分为两种，一种为仅受拉力，一种为受拉力与压力。其中，楔形夹具与平推夹具拉伸试验过程中，试样受拉力与压力的共同作用；台肩夹具、环套夹具、螺纹夹具、销钉夹具仅受拉力作用。本试验选择螺纹夹具与楔形夹具进行分析，两种夹具结构及试样拉伸过程的受力情况如图2所示。
由图2可知：楔形夹具拉伸过程中，试样会受到拉力与压力的共同作用；使用螺纹夹具，试样仅受拉力作用，试样拉伸过程的受力不同，可能会导致拉伸试样断裂的位置不同；试样A适用于楔形夹具，拉伸过程中试样受到压力与拉力的共同作用；试样B、C适用于螺纹夹具，拉伸过程中试样仅受拉力作用。
2.2 试样类型与断裂位置
采用楔形夹具对试样A进行试验。试验结果表明，其在拉伸过程中全部断裂在头部。通过仔细观察试验过程发现，试样A断裂在头部的原因可能是其在拉伸过程中存在打滑现象。由于试样A使用楔形夹具进行夹持，而楔形夹具的夹持面为锯齿面。当试样出现打滑后，拉力机便会在液压作用下，通过楔形夹具进一步增大横向压力，以保证试样能持续拉伸。由于楔形夹具的夹持面为锯齿状，而钨铜合金为脆性金属，在横向压力急剧变化的过程中，试样头部可能会产生微裂纹，随着拉伸过程的持续进行，试样头部微裂纹进一步扩展，试样头部的微裂纹扩展速率大于试样平行段的微裂纹扩展速率，试样头部发生断裂。
采用螺纹夹具对试样B进行试验。试验结果表明，试样在拉伸过程中断裂的位置可能是头部，也可能是试样平行段。试样断裂在头部的原因除了试样发生打滑外，还可能是在机械加工螺纹过程中，试样的头部积累了内应力或微裂纹[12]。当试样出现微裂纹时，试样会出现打滑现象，内应力的持续积累以及微裂纹的加速扩展，均可能会导致试样断裂。此外，试样B拉伸过程的断裂位置不同也进一步说明了试样B头部和平行段的微裂纹扩展速率不同。当螺纹加工过程未形成微裂纹或试样不存在打滑现象时，试样平行段的微裂纹扩展速率大于其头部的微裂纹扩展速率，试样的断裂位置在平行段；当螺纹加工过程形成微裂纹或试样存在打滑现象时，试样头部微裂纹的扩展速率可能大于平行段的微裂纹扩展速率，试样可能会在头部发生断裂。
通过试验进一步分析发现，当试样B断裂在头部时，大多数试样的平行段依然完好，无裂纹、裂缝存在，且试样头部的螺纹段也可保持部分完好，无裂纹、裂缝存在，可再次使用这些试样进行拉伸试验。这也表明，使用试样B进行拉伸试验，能在一定程度上避免试样头部断裂后重新取样，提高了试验效率。
采用螺纹夹具对试样C进行试验。试验结果表明，在拉伸过程中，试样全部断裂在平行段。虽然试验过程也观察到试样出现了打滑现象，但是试样并没有断裂在头部,这可能是因为采用双台阶头部带螺纹的试样后，试样平行段的直径减小，进而减小了拉伸过程需要的最大载荷。当试样C发生打滑后，随着拉力的继续增大，试样头部螺纹的微裂纹扩展速率依然小于平行段的微裂纹扩展速率，导致试样最终只会在平行段发生断裂,表明使用试样C进行试验可以有效避免因再次利用试样而引起的对试验结果误判，试验的准确度进一步提高。
钨铜合金拉伸过程中，3种试样均出现了打滑现象，且打滑现象引起的试样受力变化是导致钨铜合金断裂位置不同的主要原因。此外，使用螺纹夹具及试样C开展拉伸试验，拉伸过程中试样均断裂在平行段，符合相关标准对拉伸试样断裂位置的规定，提高了试验准确率。
2.3 试样类型与力学性能的关系
钨铜合金不同类型试样的应力-应变曲线如图3所示。由图3可知：不同类型试样的抗拉强度不相同。试样A断裂位置为头部，试样B断裂位置可能是头部或平行段，试样C全部断裂在平行段。当试样断裂在头部时，使用式（1）计算材料的真实抗拉强度。
式中：Rp为抗拉强度（实际最大值应力）；F为最大载荷；S为断裂位置试样的面积。
不同类型试样的拉伸试验结果如表1所示。由表1可知：试样A全部断裂在头部，其真实抗拉强度仅约为14 MPa，不符合标准GJB 2299A—2005的要求（≥300 MPa），进一步说明了采用试样A开展钨铜合金拉伸试验，试验结果不具备真实性；对于试样B，虽然断裂在试样头部或平行段，试验结果可能表现为合格，但其并不是该批原材料的真实抗拉强度；试样C全部断裂在平行段，且试样均符合标准GJB 2299A—2005的要求，进一步分析，试验结果与厂家质保书提供的数据差距不大，且试验数据表现的一致性也较好，试验数据具备真实性。
Table 1.不同类型试样的拉伸试验结果
试样C拉伸过程中全部断裂在试样的平行段，这与试样B可能会断裂在头部不同，主要原因是试样C的平行段直径较小，并不需要太大的载荷就可以使其断裂。通过计算发现，试样B拉伸过程中的最大载荷约为试样C的1.9~5.2倍。此外，对比3种类型的试样可以发现，使用头部带螺纹的试样可以有效避免因试样打滑引起其断裂位置不同所带来的试验误差。在拉伸过程中，拉力机对试样B、C施加的力与试样A不同。当使用头部带螺纹的试样时，拉力机的夹具对试样只有纵向拉力，没有横向压力；而使用不带螺纹的试样时，拉力机为了防止试样打滑脱落，拉伸过程还会对试样施加一个横向压力。
2.4 试样类型与复验合格率的关系
统计试样类型、断裂位置与复验合格率的关系，结果如图4所示。由图4可知：试样A的断裂位置在头部，全部不符合验收规范；试样B有83.3%断裂在头部，但是断裂在头部的试样中仅有20%符合验收规范，试样B有16.7%断裂在平行段，断裂在平行段的试样全部符合验收规范；试样C断裂位置在平行段，试样全部符合验收规范。
3. 结论
单轴拉伸试样的类型决定其夹持方式。根据不同夹持方式，设计了3中不同类型的拉伸试样，对钨铜合金开展力学性能测试，分析了试样的夹持方式、类型与其断裂位置、材料复验合格率之间的关系。试样类型对抗拉强度测试结果具有较大影响，原因是在拉伸过程中，试样的断裂位置不同。试样A全部断裂在头部，且试验结果全部不合格；试样B有83.3%断裂在头部，且断裂在头部的试样中仅有20%合格；试样C全部断裂在平行段，且试验结果全部合格。
对于钨铜合金的室温拉伸试验，使用双台阶2×M10-6h类型的拉伸试样可以避免因断裂位置不同引起对试验结果的误判，提高了试验准确率，避免给供应商造成不必要的负担，节约了成本，保证了科研生产进度。
文章来源——材料与测试网