Page 100 - 《爆炸与冲击》2025年第12期

第 45 卷 陈军红，等： 铱合金在高温下的动态拉伸力学性能 第 12 期

intergranular fracture to plastic deformation and granular fracture. The dynamic fracture behavior of iridium alloy at high
temperatures is governed by the competition between grain-boundary failure and granular softening.
Keywords: split Hopkinson tension bar; iridium alloy; high temperature; dynamic tension; failure mechanism

铱具有化学性能稳定、硬度高、高温性能好、良好的耐腐蚀性和高温抗氧化性等优异性能，被认为
是新一代超合金的理想候选材料 [1-4] 。铱为面心立方结构，但它也是面心立方中的一个特例，表现出室温
脆性，这使得铱的工程开发应用受到了极大的限制。合金化是使金属间化合物增韧的一种有效手段。
通过合金化，可以改变合金的电子浓度、弹性模量，形成空位，引起晶格畸变，以至改变其位错组态、变
形方式和提高韧性 [5-7] 。研究表明，在合金 Ir-0.3W（质量分数）中添加 Th，一方面可以提高其再结晶温度，
增强晶界的结合力，另一方面，Th 元素的加入抑制了高温时晶粒的长大 [6-7] 。这使得铱合金的延性得到
一定程度的提升，并成为航空航天发动机、发电站燃气涡轮、放射性同位素电池和超音速风动喷嘴等高
新技术领域中不可替代的材料。
在实际应用中，由铱合金构成的工程结构不可避免地会遭遇高温冲击环境，如异常再入大气层时，
[8]
空天飞行器结构高温高速撞击地面 。研究铱合金在高温动态下的力学性能，需解决如何建立材料高温
动态力学性能实验技术和阐明铱合金高温动态变形机理这两个关键问题。在高温动态力学性能实验技
术方面，受铱合金高昂的经济成本以及难加工成型的限制，铱合金高温动态拉伸试样为小尺寸薄板状构
型，如何选取合适的高温实现方式和试样与波导杆的连接方式来实现高温与应力波协同加载，是铱合金
高温动态拉伸实验中需解决的关键技术。文献 [9] 对金属材料高温霍普金森拉杆实验技术进行了总结，
针对板状的金属材料试样，张方举等 [10] 利用大电流对金属试件进行了快速加热，并使用了结构胶来连接
试件和波导杆，但高温下结构胶强度软化限制了该方法在高温（＞1 000 ℃）下的应用。Song 等 [11-12] 采用
高频电磁感应加热的方法对 DOP-26 铱合金进行了最高温度为 1 030 ℃ 下的动态拉伸实验，试样与波导
杆之间通过预紧夹具实现有效连接，但针对小尺寸试样，高频感应加热效率较低，试样高温（＞1 000 ℃）
的实现需要极大的加热功率输入。快速自组装方法采用先单独加热试样至指定温度后将波导杆与试件
快速装配 [13-15] ，可实现高的实验温度（＞1 000 ℃），试样与波导杆之间采用特殊的挂钩式连接，在实验中
可精确控制试件与波导杆接触的时间。快速自组装高温霍普金森拉杆系统较为复杂，对时间和位置精
度控制要求极高，且试样与波导杆间无预紧连接方式可能使应力波弥散效应放大。
在铱合金高温动态变形机理研究方面，学者们发现，铱合金力学性能具有高的应变率和温度敏感
性 [12-13, 16-18] 。McKamey 等 [17] 研究了 Ir-0.3W 合金中添加 Al、Cr、Fe、Ni 和 Si 对合金高温动态拉伸延性的
影响。Song 等 [12] 对 DOP-26 铱合金进行了动态拉伸实验，获得了铱合金在不同温度和应变率下的应力-
应变曲线以及压缩流动应力、拉伸强度和延性随温度和应变率的变化规律。李奇颖等 [18] 研究了应变率
和温度对 Ir-W-Th 合金力学性能的影响，通过开展不同应变率和温度下的拉伸实验，获取了铱合金宏观
强度和延性随温度和应变率的变化规律，发现随着温度的升高，铱合金的塑性增强。对于常规金属材料
（如钢等），随着温度的升高，材料延性会增强，而随着应变率的增大，材料延性会减弱，这种材料延脆转
变的原因是解理断裂的倾向为随着应变率的增大或温度的降低而增大。现有的关于铱合金力学性能的
研究主要集中在获取宏观性能随温度和应变率的变化规律。铱合金具有晶粒尺寸大（100 μm）以及晶界
强度低的特性，在温度和应变率耦合作用下，其延脆转变微观机理亟需进一步阐明。
本文中基于大电流加热方式建立小尺寸铱合金板状试样高温动态拉伸实验技术，并对铱合金进行室
温、600、900 和 1 100 ℃ 下的动态拉伸实验，获得铱合金在不同加载条件下的应力-应变曲线以及动态拉
伸强度和延性随温度的变化规律，结合宏微观断面形貌表征，阐明铱合金在高应变率下的延脆转变机理。

1 实 验

1.1 实验材料
实验所用铱合金的化学成分为 Ir-0.3W-0.003Th-0.003Al，该合金为在 Ir-0.3W 合金中添加微量的

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