熱-力作用下鈷基硬質(zhì)合金組織性能變化及相關(guān)機(jī)理的研究.pdf

1、硬質(zhì)合金材料作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，在冶金、機(jī)械、石油、礦山、電子、及醫(yī)療衛(wèi)生等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，從上世紀(jì)50年代以來(lái)就已成為人們研究的熱點(diǎn)，其中之一就是對(duì)其使用性能進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，以提高產(chǎn)品的使用效率。因此，論文作者采用株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)公司提供的試驗(yàn)樣品，借助光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射儀、硬度計(jì)、熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)、有限元分析等手段，對(duì)硬質(zhì)合金在高溫、熱循環(huán)沖擊、熱力復(fù)合疲勞、沖擊疲勞、氧化等工作條件下的

2、性能變化和組織演變、變形斷裂及其機(jī)制等問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：
　　 (1)研究了熱作用對(duì)硬質(zhì)合金組織性能的影響，以及熱沖擊條件下硬質(zhì)合金的裂紋擴(kuò)展速率。結(jié)果表明：在300℃以下，硬質(zhì)合金的橫向斷裂強(qiáng)度基本保持不變，400～500℃區(qū)間內(nèi)強(qiáng)度下降顯著，溫度繼續(xù)升高，強(qiáng)度下降速度變緩。在熱震循環(huán)條件下，α-Co含量增加，W、C元素固溶將使合金強(qiáng)化，而熱應(yīng)力和氧化則對(duì)合金造成損傷，兩者共同作用下，硬質(zhì)合金橫向斷裂

3、強(qiáng)度和斷裂韌性隨熱震循環(huán)次數(shù)的增加呈先增后降變化。熱震循環(huán)時(shí)，合金中的裂紋以爆發(fā)式出現(xiàn)，并呈階梯式生長(zhǎng)。隨著缺口角度和缺口半徑變小裂紋擴(kuò)展速度加快，再次擴(kuò)展的孕育期縮短，缺口深度對(duì)裂紋擴(kuò)展速度影響不大。熱震溫差升高，裂紋擴(kuò)展速度明顯增快。在不同冷卻介質(zhì)中裂紋擴(kuò)展速度依次為水>8％PVA溶液>2＃機(jī)油。水淬條件下3475合金裂紋擴(kuò)展臨界熱震溫差△Tmin在330～360℃之間。
　　 (2)研究了熱力復(fù)合疲勞條件下WC-12Co硬

4、質(zhì)合金組織、性能演變規(guī)律并探討了其變形失效機(jī)理。結(jié)果表明：合金硬度隨著試驗(yàn)溫度、加載載荷以及應(yīng)力幅值的升高而降低。在較低溫度和加載載荷壓縮疲勞后，合金組織變化不明顯，載荷溫度升高時(shí)，部分WC/WC晶界分離，粘結(jié)相層開始增厚，試驗(yàn)溫度和載荷繼續(xù)升高，粘結(jié)相明顯寬化并形成粘結(jié)相條帶，WC連續(xù)骨架結(jié)構(gòu)遭到破壞，硬質(zhì)相晶粒明顯圓化并發(fā)生破碎，合金中出現(xiàn)大量微孔洞。WC-12Co熱力復(fù)合疲勞下的變形機(jī)理是：低變形溫度和變形載荷下，合金塑性變形由硬

5、質(zhì)相WC位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以及粘結(jié)相fcc-hcp轉(zhuǎn)變所提供，隨著變形溫度和變形載荷的升高，WC相中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加劇，發(fā)生纏結(jié)，粘結(jié)相的馬氏體轉(zhuǎn)變沿不同方向發(fā)生。變形溫度和變形載荷繼續(xù)增加，塑性變形則通過(guò)WC內(nèi)部生成對(duì)稱方向生長(zhǎng)的層錯(cuò)，WC/WC界面發(fā)生滑動(dòng)，形成粘結(jié)相條帶來(lái)實(shí)現(xiàn)。熱力復(fù)合疲勞下裂紋萌生擴(kuò)展過(guò)程是：首先在硬質(zhì)合金內(nèi)部缺陷位置處產(chǎn)生應(yīng)力集中，此區(qū)域內(nèi)的硬質(zhì)相、粘結(jié)相發(fā)生損傷破裂，缺陷將沿長(zhǎng)度方向長(zhǎng)大，形成微孔洞。微孔長(zhǎng)大后捕獲相鄰孔洞

6、，相互連通后形成短裂紋。短裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，貫穿整個(gè)試樣，導(dǎo)致樣品開裂。
　　 (3)研究了WC-6Co硬質(zhì)合金沖擊疲勞條件下組織、性能、壽命的演變規(guī)律。結(jié)果表明：WC-6Co合金沖擊疲勞壽命隨試驗(yàn)溫度和沖擊能量的增加呈數(shù)量級(jí)下降。室溫時(shí)WC-6Co沖擊疲勞極限在0.3～0.4Ak之間。當(dāng)試驗(yàn)溫度、沖擊能量較低時(shí)，WC-6Co合金沖擊疲勞壽命不受沖擊頻率影響，溫度、沖擊能量較高時(shí)，合金沖擊疲勞壽命隨沖擊頻率升高而下降。硬質(zhì)合金橫向斷

7、裂強(qiáng)度和維氏硬度隨著試驗(yàn)溫度、沖擊能量和沖擊疲勞周次的升高呈下降變化，但維氏硬度的下降幅度比橫向斷裂強(qiáng)度要低得多。WC-6Co合金沖擊疲勞斷裂主要是以WC/WC界面和粘結(jié)相開裂為主，極少數(shù)大尺寸WC晶粒發(fā)生解理斷裂，斷面能觀察到疲勞輝紋的存在。隨著試驗(yàn)溫度的上升，硬質(zhì)相被拔出，劈裂現(xiàn)象消失。隨著沖擊疲勞周次增加，WC-6Co合金中粘結(jié)相中層錯(cuò)密度提高，析出數(shù)目增多，尺寸變大，硬質(zhì)相中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并發(fā)生纏結(jié)，WC/WC晶界將發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，硬質(zhì)相

8、晶粒邊角尖銳程度下降，連續(xù)骨架結(jié)構(gòu)遭到破壞，合金中有微孔洞和微裂紋出現(xiàn)。
　　 (4)對(duì)3555和471硬質(zhì)合金進(jìn)行氧化增重試驗(yàn)，使用掃描電鏡進(jìn)行氧化組織觀察，對(duì)氧化產(chǎn)物XRD進(jìn)行物相分析，對(duì)硬質(zhì)合金的氧化熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，得到主要結(jié)論如下：在300℃以下范圍內(nèi)，硬質(zhì)合金的斷口SEM觀察不到氧化現(xiàn)象，400℃時(shí)，粘結(jié)相處開始發(fā)生輕微局部氧化，500～600℃時(shí)粘結(jié)相的氧化加劇，700℃以上，硬質(zhì)相也發(fā)生劇烈氧化，生成疏松多

9、孔的氧化物。最外層晶粒由規(guī)則多邊形狀變?yōu)橹鶢?。熱力學(xué)分析表明，固溶了W、C原子的粘結(jié)相其氧化反應(yīng)吉布斯自由能比WC氧化反應(yīng)的吉布斯自由能要低，并隨著氧化溫度升高，兩者差別變大。隨著氧化溫度的增加，兩種合金的氧化增鶯呈數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)。471合金的氧化增重曲線近乎為直線，抗氧化性較差，其激活能254.7 kJ·mol-1，3555合金的氧化增重符合拋物線規(guī)律，其氧化反應(yīng)激活能大小為336.7 kJ·mol-1。
　　 (5)采用有限元分

10、析軟件RFPA，建立了一組模型對(duì)硬質(zhì)合金三點(diǎn)彎曲時(shí)的變形、破壞全過(guò)程，以及應(yīng)力分布變化特點(diǎn)進(jìn)行模擬，其模擬結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果能較好的吻合。其主要結(jié)論是：彎曲加載過(guò)程中，粘結(jié)相與硬質(zhì)相界面處節(jié)點(diǎn)優(yōu)先發(fā)生破壞，隨著加載位移的增加，粘結(jié)相基體單元也發(fā)生損傷、破壞，并相互貫通發(fā)展成為裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到硬質(zhì)相時(shí)，如果裂紋與硬質(zhì)相之間的夾角較小時(shí)，裂紋將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，繼續(xù)沿著界面和在基體當(dāng)中擴(kuò)展，如果裂紋前進(jìn)方向與硬質(zhì)相之間的夾角較大，裂紋則發(fā)生中止，

11、在隨后的加載過(guò)程中，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力積累達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋將貫穿硬質(zhì)相擴(kuò)展。合金破壞不是由多條裂紋所引起的，只有一處節(jié)點(diǎn)的破壞能最終發(fā)展成為長(zhǎng)裂紋并導(dǎo)致斷裂，長(zhǎng)裂紋形成后其它節(jié)點(diǎn)的損傷過(guò)程將受到抑制。對(duì)試樣的應(yīng)力分析表明，加載后試樣的下表面開始出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨后開始萌生裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，拉應(yīng)力集中也轉(zhuǎn)移到裂紋的尖端，產(chǎn)生的裂紋為張開型(I型)裂紋，壓應(yīng)力在加載點(diǎn)和兩個(gè)支撐點(diǎn)附近出現(xiàn)應(yīng)力集中。隨著硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)增加、分布范圍的加寬、以