WC-Co硬质合金断裂韧性测试方法与韧性评价研究

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硬质合金作为一种在工业上被广泛使用的重要工具材料,为提升其在复杂工况下的使用寿命和质量,准确测定其断裂韧性及合理评价韧性研究一直为硬质合金工作者所关注。本文作者选用株洲硬质合金集团有限公司提供的不同粘结剂(Co)含量及硬质相(WC)粒度的WC-Co硬质合金,利用以降K法及柔度法为基础的疲劳预裂SENB法对实验合金断裂韧性KIc值进行了测定,并与线切口SENB法KIc测定值对比。另外,研究了实验合金常规力学性能间相关性以及部分合金的低周(104次以内)冲击疲劳性能。最后分析了合金宏、微观断裂行为并讨论硬质合金的增韧机制及韧性评价方式。主要研究结论如下:与不预制裂纹的线切口法相比,疲劳预裂SENB法测定KIc值与合金本征断裂韧性值吻合度高,偏差极小。线切口法由于切口根部曲率半径不够理想,而疲劳预裂SENB法克服了硬质合金预裂过程中突然失稳断裂的弱点,数据准确性好,是准确评价硬质合金断裂韧性较为理想的手段。KIc测定值分析表明:当合金WC晶粒度一定时,全部实验合金的KIc均随Co含量增加而提高,其主要机理在于Co含量增加间接导致Co相平均自由程增大、断裂路径上多韧性带范围扩大以及Co相塑性流动效果增强,在Co含量较高的115#、130#合金断口上存在明显的韧性断裂韧窝花样。当合金Co含量一定时,6.5μmWC的208#合金及1.8μmWC的108#合金的KIc值分别为19.9MPa·m1/2和13.1MPa·m1/2,前者高于后者。另外,1.8μmWC的111#、115#合金的KIc值(15.6、17.0MPa·m1/2)也高于平均WC粒度为1.3μm的311#、315#合金的相应KIc值(10.0MPa·m1/2、12.4MPa·m1/2)。粗晶粒WC主要以增加裂纹偏转和穿晶断裂能耗来提高合金断裂韧性。在动态的恒定冲击加载条件下,合金WC晶粒一定时,全部实验合金的耐低周冲击疲劳性能也均随Co含量增加而上升,寿命随Co相增加而提高的原因除Co相平均自由程λ增加外,最关键的是Co相在硬质合金中所起的桥联增韧作用。合金Co含量相同时,208#合金在相同冲击载荷下的低周冲击疲劳寿命要高于108#合金,晶粒粗大引起的裂纹偏转及高能穿晶断裂是寿命增加的主因,但WC晶粒尺寸增加间接提高Co相平均自由程也对合金增韧做出贡献。而1.8μmWC的111#合金低周冲击疲劳寿命低于1.3μm平均WC粒度且结构非均匀的311#合金,这与KIc值对比情况相反,表明粗细粒度WC搭配硬质合金实际上具有良好的韧性。仅使用σbb、αk、KIc来评价合金韧性好坏似乎是不够完善的,而低周冲击疲劳行为能够较为真实有效反映出粗晶低钴搭配,双晶结构对合金的韧性影响。因而低周冲击疲劳行为与σbb、αk、KIc等韧性指标相结合可能会给硬质合金韧性评价问题解决提供新的途径。
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