硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度及其分散性的研究

1、硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度及其分散性的研究        1 引言硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨性好等特點(diǎn)，是機(jī)械、冶金、礦山開(kāi)采、石油鉆探、化工、紡織、軍工等行業(yè)不可缺少的工具材料。由于硬質(zhì)合金材料脆性較大，因此開(kāi)發(fā)應(yīng)用時(shí)對(duì)其抗彎強(qiáng)度的研究非常重要。大量研究表明，硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度與材料中碳化物和粘結(jié)相的種類(lèi)、含量和粒度、合金的含碳量、燒結(jié)工藝、熱處理工藝、組織缺陷(如空洞、粗大碳化物、粘結(jié)相池、夾雜物等)以及試樣的表面狀態(tài)和殘余應(yīng)力等因素密切相關(guān)。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，脆性較大的材料具有較大的強(qiáng)度分散性，但關(guān)于硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度分散性的

2、研究尚未見(jiàn)報(bào)道。筆者通過(guò)抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)WC的粒度和粒度均勻性對(duì)硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度及其分散性的影響進(jìn)行了研究。2 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)1. 試驗(yàn)材料 1.材料成分：基體為WC，粘結(jié)相為Co(8wt%)。 2.試樣尺寸：5.25mm×6.5mm×20mm。3.4. 試驗(yàn)參數(shù) 在WB-100 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度，測(cè)試跨距為14.5±0.5mm，十字頭加力速度為200N/min。5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析1. WC顆粒平均尺寸對(duì)硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度的影響 通過(guò)試驗(yàn)得到該硬質(zhì)合金的平均抗彎強(qiáng)度sm與WC顆粒平均尺寸d的關(guān)系見(jiàn)圖1。由圖可見(jiàn)，該硬質(zhì)合金的平均抗彎強(qiáng)度隨WC顆

3、粒平均尺寸的減小而升高。2.3. WC顆粒均勻性對(duì)硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度的影響 通過(guò)試驗(yàn)得到硬質(zhì)合金中WC顆粒均勻性對(duì)硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2。由圖可見(jiàn)，該硬質(zhì)合金的平均抗彎強(qiáng)度隨WC顆粒均勻性變好(WC顆粒欠均勻存在個(gè)別大顆粒WC顆粒均勻)而升高。4.5. Weibull統(tǒng)計(jì)分析 為了分析脆性材料強(qiáng)度的分散性，ASTM標(biāo)準(zhǔn)推薦使用Weibull統(tǒng)計(jì)方法來(lái)分析先進(jìn)陶瓷材料的單軸強(qiáng)度以及復(fù)合材料強(qiáng)度。因此，我們引入兩參數(shù)Weibull分布函數(shù)對(duì)本試驗(yàn)中硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度的分散性進(jìn)行分析。 6.Weibull分布函數(shù)為 (1)式中，P(s)為材料在所施加彎曲應(yīng)力s下的失效概率；s0為尺度參數(shù)；m 為W

4、eibull模量(m 值越大，材料強(qiáng)度的分散性越小，反之亦然)。通過(guò)數(shù)學(xué)變換，式(1)可改寫(xiě)為 7.若以lnln1/(1-P(s)為縱坐標(biāo)，lns為橫坐標(biāo)，則可得到二者的關(guān)系曲線(xiàn)。用最小二乘法將lnln1/(1-P(s)與lns 的關(guān)系擬合成直線(xiàn)，該直線(xiàn)的斜率即為Weibull模量。圖3和圖4為根據(jù)式(2)重新處理后的Weibull曲線(xiàn)；該硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度的Weibull模量m見(jiàn)下表。 8.由表可知，該硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度的Weibull模量隨WC顆粒平均尺寸的增大而增大，隨WC顆粒均勻性變好而增大。說(shuō)明WC顆粒的尺寸越大，其抗彎強(qiáng)度的分散性越??；WC顆粒越均勻，其抗彎強(qiáng)度的分散性也越小。 9.日

5、本學(xué)者鈴木壽曾導(dǎo)出WC-Co硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度sm滿(mǎn)足公式 式中，2a為近橢圓狀缺陷的長(zhǎng)徑；t和l分別為試樣厚度和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的跨距長(zhǎng)度；t和l分別為裂紋源距拉伸表面的距離和裂紋源距跨距中心的距離。 10.由式(3)可知，硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度不但與缺陷(空洞、大顆粒WC和Co池)的大小有關(guān)，而且與缺陷的分布情況有關(guān)。在本試驗(yàn)條件下，裂紋源主要為大顆粒WC，因此大顆粒WC的尺寸及分布情況決定了該硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度及其分散性。由式(3)還可看出sm與a呈相反方向變化的關(guān)系，這就解釋了彎曲試驗(yàn)中WC顆粒平均尺寸d增大引起抗彎強(qiáng)度sm下降的變化趨勢(shì)。根據(jù)Weibull脆性斷裂統(tǒng)計(jì)理論，如果一顆大尺寸WC顆粒的開(kāi)裂導(dǎo)致了整個(gè)硬質(zhì)合金試樣的最后斷裂，則在三點(diǎn)彎曲試樣的張應(yīng)力區(qū)找到引起脆性斷裂的大顆粒WC的幾率越大(WC顆粒越不均勻，該幾率就越大)，其抗彎強(qiáng)度也就越低。這一結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)果一致?？梢郧宄乜吹剑操|(zhì)合金材料粒度的均勻性越差，在引起開(kāi)裂的張應(yīng)力區(qū)中找到大顆粒WC的幾率的差別就越大，抗彎強(qiáng)度的分散性也就越大；這也表明WC顆粒越小、粒度越不均勻，其抗彎強(qiáng)度的分散性越大。11.4 結(jié)論根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，可得出如下結(jié)論： 1