论文部分内容阅读
WC-Co硬质合金因其高硬度、高强度和良好的韧性被广泛用作切削刀具、矿井钻头、成形模具和结构零部件。这些工具和部件在服役过程中常常要承受反复的冲击载荷和长时间的静态载荷,疲劳是这类硬质合金失效的主要原因,因此研究硬质合金相应的疲劳性能进而提高工具的服役寿命显得非常重要。本文对六种不同WC晶粒尺寸和钴含量的硬质合金进行了常规力学性能试验、冲击疲劳实验和静态疲劳试验,研究了微观组织参数对冲击疲劳性能的影响,探讨了硬质合金静态疲劳寿命的尺寸效应。此外,使用扫描电子显微镜(SEM)观察了试样的疲劳断口,并分析了硬质合金的冲击和静态疲劳断裂机制。主要得到以下结论:(1)随着黏结相平均自由程增大,硬质合金的断裂韧性增大,硬度降低,断裂韧性与硬度呈反比关系。相同Co含量的硬质合金,WC晶粒尺寸越小,抗弯强度越大;WC晶粒尺寸相同的硬质合金,当钴含量不超过20%时,钴含量越多,抗弯强度越高。(2)硬质合金的冲击韧性随着钴含量增多或者WC晶粒尺寸增大而升高。硬质合金承受冲击载荷时,fcc-Co相发生马氏体相变转变成hcp-Co相,裂纹从两种Co相的界面和粉末冶金缺陷处萌生;随着冲击次数的增加,萌生的裂纹逐渐长大,长大的裂纹撕裂钴相或者穿过WC晶粒扩展直至材料断裂。高钴硬质合金的疲劳敏感性较高,冲疲劳寿命较短;WC晶粒尺寸越大的合金冲击疲劳寿命越长。(3)当硬质合金试样承受的静态应力超过80%的抗弯强度时,试样表面和亚表面的缺陷(如粗大的WC、微孔和微裂纹)处产生强烈的应力集中,最大应力高达外加应力的4倍。于是,裂纹从这些粉末冶金缺陷处萌生,萌生的裂纹与孔洞相互连接形成主裂纹,主裂纹快速扩展导致材料疲劳失效。硬质合金试样经过一定时间的静态加载后,其抗弯强度下降,相应的Weibull模量减小。(4)承受静态加载的硬质合金试样厚度增加时,试样中储存的弹性应变能减少,裂纹扩展所需的表面能和塑性变形功增大,同时裂纹尖端塑性区尺寸减小,从而裂纹扩展速率降低,试样静态疲劳寿命延长。硬质合金中的裂纹偏折增韧机制和延性颗粒的桥接增韧机制使得粗晶硬质合金和高钴硬质合金的厚度效应更加显著。