硬质合金的断裂韧性及其无损评估.pdf

硬质合金的断裂韧性及其无损评估 刘寿荣1 ，郝建民2 ，褚连青2 ，趑光远1 ，梁福起‘，扬惠琴 { 天津攫震台叠姘究新，天津3 0 0 2 2 2 ；2 ，天津毫予褚耨研究掰，天津3 0 0 ；9 2 摘要霜x 射线捂射蠲努薪，扫攒电镜，P a ] m q 妇t 压痘试验和磁性分析对骁站态辫鞫w c C o 硬覆舍金麟鞋韧性K I c 的研究袁明．在两槽隧璇成分范皤内，随合盘碳含量辨窝亿，音盒蜱箕{ c 洲P a m 哗和吃矫磷鞋力j 乇A m 3 k 9 1 黼兵有正岛 相关的变化规律巩m76 5 2 一n 3 3 0 蛆g { 罢i 篆L ∞q ．3 5 6 X c 。一1 2 0 0 x , ，K z 一1 7 ．3 9 十2 6 悯g { ；i 瑟L ∞ 2 2 2 9 r L 6 2 08 一黼镪二一粥耽砭一5 8 0 ．| 岛，．瑁出鹈释整茕强疫4 n * r f A 对茸，释辫麟磁力敷承- A m 一’涮定藿硬巍麟定台金鬣 样的碳含量‰．真炎钴含量岛。 叭J 和比群颟磁力巩 A m 2 岵o l 可通过上式用磁性无掼评估烧鲭卷两相w c c o 硬质台 金的断裂韧性芷b 评估精度优予5 ％． 关键词硬囊套垒；颤袭糖挂挖矫鞴磁力无攫弹蘩 串胬分粪号T F t 2 5 ．3 文献标谖璃A 文章编号1 0 0 1 一艟l t ’．0 0 0 0 2 0 0 8 3 0 5 至今，关于袋残分薅硬鹱舍金黪裂韧性足n 影响的定鬣研究未见报道，有关K ”同硬质合金 其他性能燕系的研究只涉疑到同硬度H V 的关 系“～。。现有溺定硬震合金鬈t 。酶实耱条锌簧求 苛刻。一，难以应用于工业生产质量控制目的；除 裘蘑韧性蠢法。辨，基本上都采朔鞍坏性试验， 造成昂贵的钨、钻等原料的额外消耗；加之须筠行 制作标准试样，由于试样与制品材料阐显微结构和 成分懿差辩造或试样耪辩爱* 与髑晶糖辩真实必* 。 的实验误熬。因此。谋求一种可用于舷产质量控制 的无损地、直接评估硬质合袅制品材料的简便、实 壤的实验方法势在必行。奉工作鞋W C C o 磺质 金的比矫顽磁力H 。和断裂韧性Ⅸ”都强烈地 嚣会金显微结搪鑫l 域分密臻翱关力蔹攒，褥到了舍 袅K - 。同眠。问的蜜验关系式．从而提供了用磁 性测定值辩损评估硬质合金K ，。的实骏方法。 l实验 采用％工业硬段台金生产翊羁的制备工艺缀真 窑烧结 3 0 P a 、1 3 5 0 ～1 3 9 0 ℃、4 5 r a i n 和氯气 氛保护下 1 4 2 0 ～1 4 9 0 ℃、l h 烧结成不同W C 菇靛褒稻苓蘸链食量懿5 m mx5 m m 3 0 r a m W C C o 含盒试样。试样中碳含量的调整是通过在 混合辩中添如不同比倒的炭熙实现的。 为避稽P a l m q v i s t 压痰断裂韧性试验。台众试 l I 盘稿日期1 9 9 9 - 0 8 0 4 ；修同日期1 9 9 9 0 9 1 4 基金瑗茸哭津毒癌然辩学基金资辩 9 7 硎2 1 1 佧者简介栅寿荣，男．郴岁，歪高教工程师 襻先经i o | { m 粒度娓叠剐石麟轮凄剡艏，用越凄分 别为1 蛳r f i 、l 芦m 和0 ．5 ／t m 的金剐肖抛光膏搠继 柱特制的塑料基撇光盘上抛光，再用0 ．1 “mr 一 艇0 ，据澎粉将斌样在碱僚壤健滚串进鹰痣德越受 成光学镜面。将试样进行真空退火 8 0 0 ℃，2X 1 0 一审a ，4 h 以消除上述剖榉过程中所形成的表面 形变应力。P a l m q v i s t 压痰韧性试验所用压祷分别 为2 9 4 ．3 N 、5 8 8 ．6 N 和9 8 1 N ，于每负荷下打三个压 痰，在5 0 0 倍o M 下嚣量援疫对霆绞长f 接诗溪差 为05 t i m 和位平压痕四角附近的裂纹总长 估 计误差为5 U r n ，采用如下计算式求得压痕断裂韧 健K 1 。 M P a m l 冬僚“一。K k o 0 0 2 8 ～／嚣y 群五。 熊中各量的单位分别为，硬度H P N n a l n ～，负 豫P N ，袈纹总长L r a i n 。步量试撵用钼丝线切 割出切口 预裂纹 进行了三点弯f } } f 平面应变断裂 韧性试验”用以对比。 蒲D ／M A X - R C X 射线{ 器瓣获避簿饕捐分辑 以选取两相W C y 合盒试样；用P H I L P S X L 一3 0 W ／T M P 型S E M 摄取6 0 0 0 馈 敬电子像以 测定W C 裙平均 线性截距 葆粒足寸凶c K R U P P 型仪用以测定合金试样的比饱和磁化强度 瓴g 班臻定会金试撵静碳禽萎和真实链含爨“o ； 比矫顽磁力凰值是用H C C 型仪测定矫顽力耳。 后经过换算得到的1 1 1 ． 2结聚 本工侔辑用弼蝴W C C o 台金试撵的典型显 微组织如图l 所示， 万方数据 目1日 w cC o Ⅲ目e 白々i №n 目 ⋯E DL Ⅲ07 m ￡mb W CK DL M 【∞￡m L ⋯Ⅲ0 * I ⋯ F 】E 1M l c 删L Ⅲc 【⋯’1 “ p h a ⋯【na jn v z 1 * * 日W C B R t 目镕自i 日* } ’W C 。‘■“* H 十L * 。m 1n a W * i * f w t 一E 目m ⅫW Cc - ，“- _ ；Ⅱe i ∞H m Ⅻ “Ⅻ Ⅳ。f M P n 1 ”1 ‘{ R i * ”i Ⅳu w t 自m * E “q2 “ Ⅲ”{ e ∞4 “r i 圮 “ 自i 自＆* ≈目． E ，。qJw 。 ，m l 目 n ∞ ∞ X { ＆十 日W C K } HK “№* H n 5 ∞ 镕自q 自* ％ j 十w cr 目B ＆RJ ”K ，，∞g 自 * 0 H H T Ⅲ“■l 1 2 * 女Ⅻ№目自e m 自i n * * 镕m “t m ∞日H K m m * n 日n№ j m 口目A ，c w T 目，w cC o 月j 女∞Ⅲ n * Ⅻ№K “M l ，a m “J 刚J m Ⅻ月目m E m ，／／，．．，。-血、11_ 。鎏，≯鍪粥 万方数据 第2 期 刘痔荣等硬城合金的断裂韧性及其无损评估 8 5 2 ．3 断裂韧性同比矫顽磁力的关臻 瑟4 表萌．在两裰菇豹碳成分蓬圈斑，W C C o 硬质食金的压痕断裂韧性K i M P a m l 勺和比矫顽 磁力科” A m 2 k g 。 随合金碳禽量的变化规律 楚正离摆关驰。 雪 重 要 童 n 3 0 0n 3 5 0m 4 0 00 , 4 5 00 ．5 0 0n 5 5 00 ．6 0 006 5 0 骂√ A 日t 廷1 嗣4髓台盎碳台量变化，两相W C C o 台金的蜀。与噩。的关系 F i g ．4K k Ⅶ，} ko ft w o p h a s eW C C oa l l o y 3 分橱与讨论 3 ．1 彩瞧W C C o 硬凌台金熟。蠹孽鞫素鞠襁美枧理 H o n gJ 和J u r l a n dJ 对两相W C C o 合金断 口的观察“o 表明，虽然W C G o 合金的断裂路径 可以蠢穿W C 期黟粒的劈断、疆W C W C 晶界的 脆断、穿y 相层的韧性撕裂和沿W C C o 棚问的 虢裂疆种萋本形式。豁那W C C o 舍鑫瓣断裂遥 程取决于y 相和W C 相两嚣的存在，但在裂纹源 位置艇本上都是穿y 楣的韧性断裂。说晴裂纹失稳 扩展耱舍垒中所发生的微量藏牲形变基零土鼹限予 接近裂纹尖端的v 相中。即W C ～C o 台金断裂时 单位体积的塑性变形功主要消耗予7 裙中。瞪丽缓 弹性辑裂力学能适宜予两胡W C ～C o 尤其是低钴 含量 合叠断裂过程的分析，两相W C C o 合金 翡断裂韧性x ，。主要取决予，穗戆薄獠势数秘分 布 y 相平均自崩程 及7 相的成分。 y 相平均自由程i 增加，有耐于7 槽塑性形变 过程巾位锩的运动和增殖以捺调7 相中的内趣力状 态，因而y 相的强度和塑性增加．韧性是台众强度 和餐性鹃综台，对予薤裰W C C o 磴凌会金耪 料，其断裂韧性K ，。尊断裂强度口和骥性纨闯具 有正向相燕的对应关系。因为y 相的平均自由穰 2 L w c ￡7 1 一 “” 其中盖是，甥俸积分数， I 。是平均W C 晶粒度 ．故随7 相体积分数和W C 籀平垮豢粒发增翔f 导数乎垮囊虫程l 增瓣 其 断裂韧性K ，。增加。 两椭W C 一国璇质含金的W C 箱闯邻接度增 热会酶低材辩的强轫牲“。。网寓链台蠢合金辐 比。低钻含量的两相W C C o 硬质合金中w e 相 闯邻接发夫菇W C 平均貉粒壤改变所；l 超静W C 棚间邻接度的变化甍明星。因此，程低钻宙量含金 情况下，其K ”- L w c 关系衄线 同高钴含量含金 榻毙 较睫，瑚i №瓣鬈。豹影响熨明显 星2 。 两棚区内，W C - C o 台金碳含量降低，引起7 相中钨筒溶发明嚣增加 礞在7 栩中国溶度粼降 低，但其量远较钨的固港度为低 ．一方艇因钨圃 游度增加引起y 相固溶体的固溶强化，另一方 舞钨匿溶度增热叉g | 越，穗攫量分数轻徽罐热“。 V 鼍 _ 塑一，其中萎。势纯链在会金中的质 t 一‰一趣 量分数，‰期蔑努别为钨和碳溶鹱在y 相中的圈 溶度 ．因此，两相W C ～c o 硬质合金的强度、塑 毪西磊断裘赣牲薅台金璇含鬣瓣下海羲势赢。 短棒断裂韧性K ，m M P a m ”2 表示为K ㈣ 4 ．6 5 0 ．3 5 v a ％c o 2 ．2 9 ￡Ⅵ一0 ．1 5 ￡‰，扶而试 为，W C 摇睾玛晶粒足寸砖W C C o 硬庚会金x z 。 的影响较合袅钴含量的影响更为明湿。 实验证戮，当锫配鲞帮驻始W C 耪粒瘫一定 时，在烧结王艺条件 烧结温度和像温时闯 不变 的情况下。在两相区碳成分范围内．在烧结过程 巾，会金酸含量的改交不是戳引起W C 螽粒足寸 发生可觉察刹的变化。而合盒的真实钻含量X c 0 则随烧结气氛 当烧结温度萃f l 保温时闻不变时．链 燕气蜃取决子炉如剩众压力 的改变丽发生变 化“”。此外，合金钴含量的变化还会影响W C ～C o 会金串懿肉瘫力敬态，扶蠡影瘸X 一这是霹为， 烧结态W C “- C o 合金中7 相承受拉应力，W C 相 承受压应力．合垒试祥的表面应力状态怒内应力的 宏观裘褒。缒会金链窘撮增期，台金试榉表露宏观 压应力下降，如烧结态W C 一8 { 3 0 合金试样表面应 力为聪应力 丽烧结态W C 一2 0 C o 台金试祥裘蘸 斑力为拉应力。柱W C - C o 硬质仓金制品使用过 程中表面承受压麻力情况下，高的钴台嫩将赋予合 金裁赫l 三l 较舞静糖裂麓性双薅具骞较褒豹蔌媚寿 命。因此，对于给定的一批W C C o 台金混合料 而言，在烧结过程中合金真赛锫含量和穰含量的变 化是影噙其凝裂捌性的至关黧要的因素。 万方数据 { ；6有色金属 第5 2 卷 淬火处理既能提高两相W CC o 台金y 相中 钨的固溶度又能导致合金试样表面宏观压应力增 加C 1 5 , 因而同时升高风值和K ．。值。当合金制 品在使用过程中承受拉应力情况下，淬火处理能明 显提高两相W C C o 硬质合金工具的使用寿命并 可以比矫顽磁力日。值的变化作为其断裂韧性K 。 发生变化的预兆“o 。但是室温以下的深冷处理所 引起的两相W C C o 合金试样H 。值和K - 。值的 同时升高并非y 相成分 钨和碳固溶度 发生了变 化而是7 相的f c c h c p 相变导致的内应力变化 W C 相承受的压应力明显增加 所致“”。这种 内应力变化在硬质合金工具使用过程中将阻止W C 相的破断失效即促进了显微塑性的提高。这是深冷 处理明显改善两相W C C o 硬质合金强韧性的原 因。 3 ．2 用比矫顽磁力风评估两相W C C o 合金的五。 根据文献“”，相应于两相W C C o 硬质合金 碳含量上限的比矫顽磁力H 当 A m 2 k g _ ’ 同 合金中真实钴含量j ‰ 叭1W C 相平均晶粒尺寸 k 。 p m 间存在关系 H 矧．2 9 5 8 - 0 3 3 0 4 1 9 蛊u 2 而两相W Co o 合金的比矫顽磁力H 。同目0 和 合金碳含量墨 w t 及两相区上限所对应的碳含量 墨2 间存在关系 日。一j 世 一1 2 0 ．o 五一．砭‘ 3 其中x 产 O ．0 6 1 3 - 0 ．0 6 1 3 五。o 。 将 2 式代人 3 式得 H 。 7 ．6 5 2 - 0 ．3 3 嘲蛊 一7 ．3 5 6 X c 0 1 2 0 ．0 鼍 4 两相W C c o 硬质合金碳含量上限所对应的断裂 韧性K 士 M P a m ’勺和比矫顽磁力E 世 A m 2 k g _ 1 间存在关系“” K 1 上 4 0 ．7 2 5 6 ．5 7 H I - 2 3 舯 1 8 倒g 蛊- u 5 将 2 、 3 、 5 式代人 1 式得 K 巩9 _ 2 6 7 4 X , 1 8 ．6 9 l g T 等罴蒜u 一1 6 3 ．9 工。 6 _ 1 7 ．3 9 2 6 ．0 5 1 9 焉㈧ 2 2 ．2 9 比 _ 7 6 2 0 ．8 5 6 ．5 7 ／／。一9 4 6 2 X , 一5 8 0 ．1 ．j 毛 8 式 6 一 8 所表示的两相W C C o 硬质合金的 K 。。同风、丘、X c o 和L w c 问的关系规律与实验 结果 图2 ～4 完全一致。 由于W C C o 硬质合金的碳含量五 w t l 真 实钴含量x 。 w t 可由磁性测定值比饱和磁化强 度4 Ⅱd A m 2 k g “ 进行精确鉴定C 1 0 3 故可用比 矫顽磁力H 。 A m 2 k g 。 值通过式 8 对断裂 韧性Kz 。进行无损评估。因为通过 6 一 8 式可得到l g k 2 3 ．1 6 - 2 2 ．2 6 X c o - l g 蛊 一3 6 3 ．2 x , 一3 ．0 2 7 H 。，从而用磁性测定值也可无损 鉴定两相烧结态W C C o 硬质合金的W C 相平均 晶粒尺寸。由于用磁性法鉴定篮和如的相对 误差不犬于1 ％“”．求解日。值的相对误差不大 于5 ％，故由 8 式评估K t 。值的相对误差亦不 大于5 ％。 4 结论 烧结态两相W C C O 硬质合金的P a l m q v i s t 压 痕断裂韧性K k M P a m ”’与合金中W C 相的平均 晶粒尺寸／- , w cm m l 台金的真实钴含量如 w t 和合金碳含量凰 嘶j 有关．在两相区碳成分范围 内，其断裂韧性K t 。和比矫顽磁力H 。 A m 2 地“ 随合金碳含量的变化具有正向相关的变化规律 比 7 ．6 5 一嘲T 等芸急 一7 ．3 5 6 x o 一1 2 0 ．0 c K t 。 1 8 7 ．9 1 8 ．6 9 l 颤器。u 1 6 3 ．9 比。一2 6 7 4 鼍 m 9 圳5 1 9 器 2 2 ．2 9 H 。 6 2 0 ．8 5 8 0 ．1 X o 。一9 4 6 2 ＆一5 6 ．5 7 H 。 用磁性法预先确定置、x 0 0 和风值，可通 过上式无损评估烧结态两相W C c o 硬质合金的 P a l m q v i s t 压痕断裂韧性。评估精度优于5 ％。 万方数据 第2 期 刘寿袋薄硬驻舍金瓣蘩袋韧性教其无攫评锆 参考文蘸 H a e t a nA ．R M ＆} 赫最1 9 8 9 , 联蛰1 2 1 N a k a m u r aM ，G u r l a n dJ M e t a l l u r g i c a lT r a n s a c t i o r d ，1 9 8 0 , 1 I A 1 4 1 A u g u s tJ S ，K a l l s hS ，R M ＆H M ．1 9 8 3 , 2 f ∞铝 B e r r yG ．M e t a lS c i e n c e ．1 9 7 6 ．10 3 6 1 P e t e r s 辨．jo fM a t e f i a I sS c i e n c e ．1 9 7 9 , 1 4 1 6 1 9 W a r r e nR ，M a t z k e Ⅲ．I n V 远w a n a d h a mR Ke ta 1 ．S c i e n c eo fH a r dM a t e r i a l s ．N e wY o r k P l e n u mP r e s s ，t 9 8 1 ．5 6 3 S h e t t yDK ，W r i g h tlG ，M i n c e rPN ’e ta l ，jM a t e rS c i ．1 9 8 2 , 2 0 1 8 站 S p i e g l e rR ，S c h m a u d e rS ，S i g lL SJH a r dM a t e r ，1 9 9 0 , l 3 1 4 7 金寨哲，蹲眷蘩 黎骁瑞．常篾往赫滓辫方法标准．7 5 一了。一0 3 高溢结构糯瓷平箍应变斯裂静度试骚方诸 j ￡窟中 国建筑材料科学研究院．1 9 8 8 刘寿荣．有色盘属 攀刊 ，t 9 9 9 , 5 1 1 6 3 L i uS h o u r o n g R a r eM e t a l s ，1 9 9 7 ．1 6 3 2 0 7 H o n gtG u r l a n d } I n V i s w a n a d h a mR Ke ta t ．S c i e n c eo fH a r dM a t e r i a l s ．N e wY o r k P l e n u mP r e s s 。l 粥．6 4 9 M c l a i e uJ ，L a r o b e r tJB ；I n V i s w a n a d h a mR Ke ta l 。S c i c n c ao fH a r dM a t e r i a l s ，N e wY o r k P l e n u mP r e s s ，l 鳃3 。 6 8 9 2 1 0 m a KM F ．n o p o u m o B a ⅡM o a m l y p r M ，1 9 8 l ，5 8 3 剐寿荣等，稀宥金属材料与篇程，1 9 9 4 ，2 3 2 3 9 洛抄克．国外难雉金属与硬旗材誊| ，1 9 9 3 ，鬟1 l O 刘寿荣，荆方．金属热处理学报，1 9 9 7 , 1 8 4 s 7 捌寿荣，都建爨，褚遗寿．硬蘑合盎，1 9 辨 刘寿荣．有色金属 攀刊 ，1 9 9 5 , 4 7 4 7 2 F R A C T U R ET O U G H N E S S 瓤。O FC E M E N T E DC A R B I D E S A N D 疆SN O N D E s r l 鬏U C 弱V E 驸A O U 箕残o N u uS h o m o n ‘，H A O 舶黼l 辞．C H U 妇q i 耐。Z H A OG u c m g y u a n ‘．L I A N GF y q i I ，Y A N G 珊村抽1 1 ．1 铀玛汛I n s t i t u t eo fH a r dA l l o y , 7 m n j i , , 3 0 0 2 2 2 ；2T i a n j 虮I n s t i t u t e 蟛E l e a r 洲i cM a t m i a l s ；7 3 a n j i n3 0 0 1 9 2 A B S ．I 重A C T T h ef r a c t u r e t o u g h n e s sK k o fs i n t e r e d t w o p h a s eW C ’C oc e m e n t e dc a r b i d e s w a ss t u d i e d b y m e a n so fX R D ，S E M ，P a l m q v i s tp r e s s u r em a r kt e s ta n dm a g n e t i ca n a l y s i s ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h e c h a n g er e g u l a r i t yo fX ，。o ft w o p h a s eW C C oa l l o yb e a r sas i m p l ep o s i t i v e ～g o i n g r e l a t i o nt ot h a t o f 巩w h e na l l 。vc a r l mc 。m e n tV a m s 蛾 7 ．6 5 2 - 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