熱-力作用下鈷基硬質(zhì)合金組織性能變化及相關(guān)機理的研究.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、機械、石油、礦山、電子、及醫(yī)療衛(wèi)生等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，從上世紀50年代以來就已成為人們研究的熱點，其中之一就是對其使用性能進行科學評價和預(yù)測，以提高產(chǎn)品的使用效率。因此，論文作者采用株洲硬質(zhì)合金集團公司提供的試驗樣品，借助光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射儀、硬度計、熱模擬實驗機、有限元分析等手段，對硬質(zhì)合金在高溫、熱循環(huán)沖擊、熱力復合疲勞、沖擊疲勞、氧化等工作條件下的

2、性能變化和組織演變、變形斷裂及其機制等問題進行了系統(tǒng)研究，主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　 (1)研究了熱作用對硬質(zhì)合金組織性能的影響，以及熱沖擊條件下硬質(zhì)合金的裂紋擴展速率。結(jié)果表明：在300℃以下，硬質(zhì)合金的橫向斷裂強度基本保持不變，400～500℃區(qū)間內(nèi)強度下降顯著，溫度繼續(xù)升高，強度下降速度變緩。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化，而熱應(yīng)力和氧化則對合金造成損傷，兩者共同作用下，硬質(zhì)合金橫向斷裂

3、強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，合金中的裂紋以爆發(fā)式出現(xiàn)，并呈階梯式生長。隨著缺口角度和缺口半徑變小裂紋擴展速度加快，再次擴展的孕育期縮短，缺口深度對裂紋擴展速度影響不大。熱震溫差升高，裂紋擴展速度明顯增快。在不同冷卻介質(zhì)中裂紋擴展速度依次為水>8％PVA溶液>2＃機油。水淬條件下3475合金裂紋擴展臨界熱震溫差△Tmin在330～360℃之間。
　　 (2)研究了熱力復合疲勞條件下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理。結(jié)果表明：合金硬度隨著試驗溫度、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，部分WC/WC晶界分離，粘結(jié)相層開始增厚，試驗溫度和載荷繼續(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熱力復合疲勞下的變形機理是：低變形溫度和變形載荷下，合金塑性變形由硬

5、質(zhì)相WC位錯運動以及粘結(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相中的位錯運動加劇，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WC內(nèi)部生成對稱方向生長的層錯，WC/WC界面發(fā)生滑動，形成粘結(jié)相條帶來實現(xiàn)。熱力復合疲勞下裂紋萌生擴展過程是：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，缺陷將沿長度方向長大，形成微孔洞。微孔長大后捕獲相鄰孔洞

6、，相互連通后形成短裂紋。短裂紋繼續(xù)擴展，貫穿整個試樣，導致樣品開裂。
　　 (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溫度和沖擊能量的增加呈數(shù)量級下降。室溫時WC-6Co沖擊疲勞極限在0.3～0.4Ak之間。當試驗溫度、沖擊能量較低時，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，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、裂強度和維氏硬度隨著試驗溫度、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)相中層錯密度提高，析出數(shù)目增多，尺寸變大，硬質(zhì)相中的位錯運動并發(fā)生纏結(jié)，WC/WC晶界將發(fā)生錯動，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3555和471硬質(zhì)合金進行氧化增重試驗，使用掃描電鏡進行氧化組織觀察，對氧化產(chǎn)物XRD進行物相分析，對硬質(zhì)合金的氧化熱力學和動力學進行研究，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，粘結(jié)相處開始發(fā)生輕微局部氧化，500～600℃時粘結(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)量級增長。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，建立了一組模型對硬質(zhì)合金三點彎曲時的變形、破壞全過程，以及應(yīng)力分布變化特點進行模擬，其模擬結(jié)果與物理試驗結(jié)果能較好的吻合。其主要結(jié)論是：彎曲加載過程中，粘結(jié)相與硬質(zhì)相界面處節(jié)點優(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，當裂紋擴展到硬質(zhì)相時，如果裂紋與硬質(zhì)相之間的夾角較小時，裂紋將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，繼續(xù)沿著界面和在基體當中擴展，如果裂紋前進方向與硬質(zhì)相之間的夾角較大，裂紋則發(fā)生中止，

11、在隨后的加載過程中，當裂紋尖端應(yīng)力積累達到一定程度時，裂紋將貫穿硬質(zhì)相擴展。合金破壞不是由多條裂紋所引起的，只有一處節(jié)點的破壞能最終發(fā)展成為長裂紋并導致斷裂，長裂紋形成后其它節(jié)點的損傷過程將受到抑制。對試樣的應(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)力在加載點和兩個支撐點附近出現(xiàn)應(yīng)力集中。隨著硬質(zhì)相體積分數(shù)增加、分布范圍的加寬、以