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热/力作用下钴基硬质合金组织性能变化及相关机理的研究

黄道远  
【摘要】:硬质合金材料作为一种重要的结构材料,在冶金、机械、石油、矿山、电子、及医疗卫生等多个领域得到广泛应用,从上世纪50年代以来就已成为人们研究的热点,其中之一就是对其使用性能进行科学评价和预测,以提高产品的使用效率。因此,论文作者采用株洲硬质合金集团公司提供的试验样品,借助光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、硬度计、热模拟实验机、有限元分析等手段,对硬质合金在高温、热循环冲击、热力复合疲劳、冲击疲劳、氧化等工作条件下的性能变化和组织演变、变形断裂及其机制等问题进行了系统研究,主要研究内容及结论如下: (1)研究了热作用对硬质合金组织性能的影响,以及热冲击条件下硬质合金的裂纹扩展速率。结果表明:在300℃以下,硬质合金的横向断裂强度基本保持不变,400~500°C区间内强度下降显著,温度继续升高,强度下降速度变缓。在热震循环条件下,α-Co含量增加,W、C元素固溶将使合金强化,而热应力和氧化则对合金造成损伤,两者共同作用下,硬质合金横向断裂强度和断裂韧性随热震循环次数的增加呈先增后降变化。热震循环时,合金中的裂纹以爆发式出现,并呈阶梯式生长。随着缺口角度和缺口半径变小裂纹扩展速度加快,再次扩展的孕育期缩短,缺口深度对裂纹扩展速度影响不大。热震温差升高,裂纹扩展速度明显增快。在不同冷却介质中裂纹扩展速度依次为水8%PVA溶液2#机油。水淬条件下3475合金裂纹扩展临界热震温差△Tmin在330~360℃之间。 (2)研究了热力复合疲劳条件下WC-12Co硬质合金组织、性能演变规律并探讨了其变形失效机理。结果表明:合金硬度随着试验温度、加载载荷以及应力幅值的升高而降低。在较低温度和加载载荷压缩疲劳后,合金组织变化不明显,载荷温度升高时,部分WC/WC晶界分离,粘结相层开始增厚,试验温度和载荷继续升高,粘结相明显宽化并形成粘结相条带,WC连续骨架结构遭到破坏,硬质相晶粒明显圆化并发生破碎,合金中出现大量微孔洞。WC-12Co热力复合疲劳下的变形机理足:低变形温度和变形载荷下,合金塑性变形山硬质相WC位错运动以及粘结相fcc—hcp转变所提供,随着变形温度和变形载荷的升高,WC相中的位错运动加剧,发生缠结,粘结相的马氏体转变沿不同方向发生。变形温度和变形载荷继续增加,塑性变形则通过WC内部生成对称方向生长的层错,WC/WC界面发生滑动,形成粘结相条带来实现。热力复合疲劳下裂纹萌生扩展过程是:首先在硬质合金内部缺陷位置处产生应力集中,此区域内的硬质相、粘结相发生损伤破裂,缺陷将沿长度方向长大,形成微孔洞。微孔长大后捕获相邻孔洞,相互连通后形成短裂纹。短裂纹继续扩展,贯穿整个试样,导致样品开裂。 (3)研究了WC-6Co硬质合金冲击疲劳条件下组织、性能、寿命的演变规律。结果表明:WC-6Co合金冲击疲劳寿命随试验温度和冲击能量的增加呈数量级下降。室温时WC-6Co冲击疲劳极限在0.3~0.4A_k之间。当试验温度、冲击能量较低时,WC-6Co合金冲击疲劳寿命不受冲击频率影响,温度、冲击能量较高时,合金冲击疲劳寿命随冲击频率升高而下降。硬质合金横向断裂强度和维氏硬度随着试验温度、冲击能量和冲击疲劳周次的升高呈下降变化,但维氏硬度的下降幅度比横向断裂强度要低得多。WC-6Co合金冲击疲劳断裂主要是以WC/WC界面和粘结相开裂为主,极少数大尺寸WC晶粒发生解理断裂,断面能观察到疲劳辉纹的存在。随着试验温度的上升,硬质相被拔出,劈裂现象消失。随着冲击疲劳周次增加,WC-6Co合金中粘结相中层错密度提高,析出数目增多,尺寸变大,硬质相中的位错运动并发生缠结,WC/WC晶界将发生错动,硬质相晶粒边角尖锐程度下降,连续骨架结构遭到破坏,合金中有微孔洞和微裂纹出现。 (4)对3555和471硬质合金进行氧化增重试验,使用扫描电镜进行氧化组织观察,对氧化产物XRD进行物相分析,对硬质合金的氧化热力学和动力学进行研究,得到主要结论如下:在300℃以下范围内,硬质合金的断口SEM观察不到氧化现象,400℃时,粘结相处开始发生轻微局部氧化,500-600℃时粘结相的氧化加剧,700℃以上,硬质相也发生剧烈氧化,生成疏松多孔的氧化物。最外层晶粒由规则多边形状变为柱状。热力学分析表明,固溶了W、C原子的粘结相其氧化反应吉布斯自由能比WC氧化反应的吉布斯自由能要低,并随着氧化温度升高,两者差别变大。随着氧化温度的增加,两种合金的氧化增重呈数量级增长。471合金的氧化增重曲线近乎为直线,抗氧化性较差,其激活能254.7 kJ.mo1-1,3555合金的氧化增重符合抛物线规律,其氧化反应激活能大小为336.7 kJ.mo1-1. (5)采用有限元分析软件RFPA,建立了一组模型对硬质合金三点弯曲时的变形、破坏全过程,以及应力分布变化特点进行模拟,其模拟结果与物理试验结果能较好的吻合。其主要结论是:弯曲加载过程中,粘结相与硬质相界面处节点优先发生破坏,随着加载位移的增加,粘结相基体单元也发生损伤、破坏,并相互贯通发展成为裂纹,当裂纹扩展到硬质相时,如果裂纹与硬质相之间的夹角较小时,裂纹将发生偏转,继续沿着界面和在基体当中扩展,如果裂纹前进方向与硬质相之间的夹角较大,裂纹则发生中止,在随后的加载过程中,当裂纹尖端应力积累达到一定程度时,裂纹将贯穿硬质相扩展。合金破坏不是由多条裂纹所引起的,只有一处节点的破坏能最终发展成为长裂纹并导致断裂,长裂纹形成后其它节点的损伤过程将受到抑制。对试样的应力分析表明,加载后试样的下表面开始出现应力集中,随后开始萌生裂纹,随着裂纹的扩展,拉应力集中也转移到裂纹的尖端,产生的裂纹为张开型(I型)裂纹,压应力在加载点和两个支撑点附近出现应力集中。随着硬质相体积分数增加、分布范围的加宽、以及颗粒尺寸的增大,合金表现出更高的强度。


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