陳振華，黃瑞明，陳鼎?，張忠健，徐濤

(1.湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410082;2.硬質(zhì)合金國家重點實驗室，湖南 株洲，412000)

?

應力比對WC-Co硬質(zhì)合金疲勞性能的影響*

陳振華1,2，黃瑞明1，陳鼎1?，張忠健2，徐濤2

(1.湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410082;2.硬質(zhì)合金國家重點實驗室，湖南 株洲，412000)

采用三點彎曲疲勞法，研究了不同粘結(jié)相含量以及粘結(jié)相成分的硬質(zhì)合金在兩種不同應力比(R=0.1和R=0.5)加載時的疲勞行為，并結(jié)合SEM對疲勞機理進行了分析.結(jié)果表明：硬質(zhì)合金疲勞斷裂過程同時存在脆性斷裂和韌性斷裂.在兩種應力比疲勞加載時都發(fā)現(xiàn)，增加鈷含量，合金的疲勞敏感性先減小后增大，添加 Ni和Cr能降低合金的疲勞敏感性.大應力比疲勞加載時，粘結(jié)相疲勞斷裂過程由脆性斷裂向韌性斷裂轉(zhuǎn)變.增大應力比對合金的疲勞敏感性也有影響.

硬質(zhì)合金；應力比；疲勞；粘結(jié)相

硬質(zhì)合金被稱為工業(yè)的牙齒，是現(xiàn)代工業(yè)部門和新技術(shù)領域不可缺少的工具材料和結(jié)構(gòu)材料，然而硬質(zhì)合金的斷裂失效一直制約其應用發(fā)展，疲勞是導致硬質(zhì)合金斷裂的主要原因[1-3].除材料的化學成分及顯微結(jié)構(gòu)外，材料所處的實驗或服役條件，如溫度、環(huán)境、頻率、應力比等因素都會影響疲勞性能.針對應力比(R=σmin/σmax)對硬質(zhì)合金疲勞性能的影響已有一些研究，但主要集中在裂紋擴展方面，Hirose等[4]研究發(fā)現(xiàn)隨著應力比的增加，硬質(zhì)合金會出現(xiàn)從脆性斷裂向韌性斷裂的轉(zhuǎn)變，Co相中馬氏體相變量與疲勞裂紋擴展特性密切相關.Ishihara等[5]在研究一種金屬陶瓷應力比對疲勞裂紋的擴展速率的影響時也發(fā)現(xiàn)，隨著應力比的增加，Paris指數(shù)增加，當裂紋擴展速率較快時只與Kmax有關；當裂紋擴展速率較慢時，Kmax不再是決定性的因素，裂紋擴展曲線卻與應力比有很好的相關性，顯示出金屬特征.然而目前并沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的關于硬質(zhì)合金在不同應力比時疲勞S-N曲線的研究.

對于硬質(zhì)合金而言，由于其固有缺陷導致疲勞裂紋萌生的時間占據(jù)了疲勞過程的絕大部分，因此S-N曲線對于硬質(zhì)合金的疲勞研究更加具有實際意義[6].本文系統(tǒng)地研究了不同應力比對不同粘結(jié)相含量以及成分的硬質(zhì)合金三點彎曲疲勞性能的影響.

1 實驗材料

實驗材料采用株洲硬質(zhì)合金集團有限公司生產(chǎn)的WC-Co系硬質(zhì)合金，各組試樣的成分及WC晶粒度如表1所示.

表1 試樣成分與WC晶粒度Tab.1 The compositions and the grain size of cemented carbides

2 實驗方法

2.1 抗彎強度試驗

硬質(zhì)合金的抗彎強度試驗方法按照GB/T3851-1983進行.

2.2 三點彎曲疲勞試驗

三點彎曲疲勞試驗在Letry 微機控制電液伺服疲勞試驗機上進行，試樣尺寸為3 mm×3 mm×30 mm，跨距為25 mm，疲勞加載方式為正弦波加載，頻率為6 Hz.循環(huán)應力從略低于抗彎強度值開始，逐級降低應力加載，得到四種合金的S-N曲線，由于硬質(zhì)合金S-N曲線不存在平坦區(qū)且呈線性關系[7-8]，本文定義1×107次斷裂時對應的應力為疲勞極限，通過線性擬合后由外推法得到不同應力比下四種合金的疲勞極限.

采用FEI QUANTA-200掃描電鏡對試樣斷口進行觀察.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 抗彎強度結(jié)果與分析

表2為四種硬質(zhì)合金的抗彎強度值.由表2可知，當鈷含量(質(zhì)量分數(shù))由8%增加至30%時，硬質(zhì)合金的抗彎強度先增大后減小，當鈷含量(質(zhì)量分數(shù))為15%時抗彎強度最大達2 849 MPa，這與硬質(zhì)合金著名的克列梅爾斷裂理論[8]中抗彎強度的最大值在鈷含量(質(zhì)量分數(shù))為10%～20%范圍內(nèi)的結(jié)論是對應的.而粘結(jié)相成分不同但鈷含量(質(zhì)量分數(shù))相同的合金，抗彎強度相差不大.

表2 硬質(zhì)合金的抗彎強度值Tab.2 The blend strength of cemented carbides

3.2 硬質(zhì)合金不同應力比疲勞結(jié)果與分析

3.2.1 Co含量對硬質(zhì)合金疲勞性能影響

在硬質(zhì)合金疲勞性能的研究中， S-N曲線斜率的絕對值常用來表征疲勞敏感性，斜率的絕對值越小，疲勞敏感性也就越小，硬質(zhì)合金抵抗疲勞裂紋擴展能力越強[9-16].圖1為不同應力比條件下不同鈷含量的硬質(zhì)合金三點彎曲S-N曲線圖.從圖1可知，A，B，C三種硬質(zhì)合金都顯示出明顯的疲勞現(xiàn)象，即隨著應力增加疲勞壽命顯著下降.在高應力時疲勞壽命主要與自身的彎曲強度相關，彎曲強度越大疲勞壽命越高.隨著應力的降低，合金的疲勞壽命呈直線下降，疲勞壽命不僅與彎曲強度有關，還與鈷含量以及應力比有關.

圖1 不同Co含量的硬質(zhì)合金的三點彎曲 疲勞S-N曲線Fig.1 S-N Curves of cemented carbides with different Co binder content

疲勞敏感性(S-N曲線斜率的絕對值)以及疲勞極限如表3所示.由表3可知，當應力比R=0.1時，A，B，C三種合金的疲勞敏感性分別為191，172以及240，疲勞極限分別為805 MPa，1 244 MPa以及707 MPa，隨著鈷含量的增加硬質(zhì)合金的疲勞敏感性先減小后增大，而疲勞極限先增大后減小.這與Sailer[16]關于細晶硬質(zhì)合金疲勞性能的研究結(jié)果相一致.當應力比R=0.5時，隨著鈷含量的增加，合金的疲勞敏感性以及疲勞極限的變化規(guī)律與R=0.1時類似.但是當R=0.5時，A，B，C三種合金疲勞敏感性都小于R=0.1時，而高鈷硬質(zhì)合金的疲勞敏感性減小幅度大于低鈷合金，例如當R=0.5時高鈷C合金的疲勞敏感性為195，比R=0.1時小45，而低鈷A合金僅減小14.

表3 不同鈷含量硬質(zhì)合金的疲勞敏感性與疲勞極限值Tab.3 The fatigue sensitivity and fatigue limit of cemented carbides with different Co binder content

為了探討不同應力比疲勞加載時不同鈷含量對合金疲勞性能的作用機理，本文選擇不同應力比加載時疲勞壽命相差較大的高周疲勞(N>1×104)試樣進行掃描電鏡分析.圖2為不同鈷含量不同應力比疲勞加載后的高周疲勞斷口SEM圖.

圖2(a)和圖2(b)給出R=0.1時，A合金和B合金的高周疲勞斷口SEM圖.從圖中可以看出，當R=0.1，Co含量為8%的A合金和鈷含量為15%的B合金裂紋主要沿WC/WC，WC/Co界面擴展斷裂，同時夾雜著少量的穿晶解離斷裂，Co相雖然以脆性斷裂為主，但仍可發(fā)現(xiàn)少量小而淺的韌窩，且B合金韌窩數(shù)量多于A合金.在疲勞載荷過程中由于亞臨界裂紋在鈷相中擴展導致鈷相在發(fā)生塑性變形前斷裂[9-10]，因此鈷相呈脆性斷裂.另一方面，鈷相在疲勞裂紋尖端具有橋聯(lián)增韌作用，導致合金抵抗疲勞裂紋擴展的能力增強.與A合金相比，B合金具有更多Co相產(chǎn)生韌性斷裂，因此B合金的疲勞敏感性低于A合金.

圖2(c)為高鈷C合金(30% Co)在應力比R=0.1時的SEM圖.從圖中可以看出，C合金的WC晶粒更為完整，Co相附著在WC表面呈“臺階”形態(tài)，這種“臺階”形貌在A合金和B合金中未觀察到，在C合金的SEM圖中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的韌窩形貌.Kursawe[17-18]研究結(jié)果表明“臺階”形貌是鈷含量過高時，在疲勞過程中鈷相發(fā)生大量的fcc-hcp相變所致，同時這種相變加快了亞臨界裂紋的擴展，導致Co相發(fā)生脆性斷裂，因此C合金斷口形貌中未發(fā)現(xiàn)明顯的韌窩形貌.由此可知，鈷含量過高，合金的疲勞性能反而更差.

圖2(d)～(f)為三種硬質(zhì)合金在R=0.5加載的高周疲勞斷口SEM圖.從圖中可以看出，三種合金WC的斷裂方式與R=0.1時相似，裂紋也沿WC/WC，WC/Co界面擴展，同時存在少量的解離斷裂以及穿晶斷裂，因此在R=0.5時，隨著鈷含量的增加疲勞敏感性的變化與R=0.1時類似.而鈷相斷裂方式與R=0.1時差別較大，與圖2(a)和圖2(b)相比，從圖2(d)與圖2(e)可以看到當R=0.5時，A合金和B合金的韌窩形貌更加明顯，且韌窩的數(shù)量增多的同時韌窩的深度也加深.圖2(f)給出了R=0.5時C合金的SEM圖，與R=0.1時C合金的斷口形貌相比，可以看到“臺階”形貌明顯減少，并出現(xiàn)明顯的韌窩形貌.由于大應力比疲勞加載時，疲勞加載的方式更加接近靜態(tài)加載，亞臨界裂紋擴展減少，Co相更有效地起到橋聯(lián)增韌的作用[19].從掃描電鏡的結(jié)果分析也發(fā)現(xiàn)在大應力比疲勞加載時，Co相確實產(chǎn)生更多的韌性斷裂，而與R=0.1時相比高鈷合金變化特征更加明顯.因此大應力比疲勞加載時硬質(zhì)合金的疲勞敏感性小于小應力比，高Co合金有更多的Co起到橋聯(lián)增韌作用，所以增大應力比時高Co合金疲勞敏感性減小幅度更大.

圖2 不同Co含量硬質(zhì)合金的高周疲勞SEM圖(N≈ 1×105～3×105)Fig.2 The SEM of cemented carbides with different binder phase content(N≈1×105～3×105 cycles)

3.2.2 不同粘結(jié)劑對硬質(zhì)合金疲勞性能影響

圖3為不同粘結(jié)相成分的硬質(zhì)合金S-N疲勞曲線.疲勞敏感性以及疲勞極限如表4所示.

圖3 不同粘結(jié)相的硬質(zhì)合金的三點彎曲 疲勞S-N曲線Fig.3 S-N curves of cemented carbides with different binder composition

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，在低周疲勞時粘結(jié)相的成分對合金的疲勞性能影響較小.而在高周疲勞時，當最大應力相同時D合金的疲勞壽命明顯高于C合金，雖然兩種合金的抗彎強度值相近(見表1)，但是D合金的疲勞極限值卻更大.從表4可知，在兩種應力比疲勞加載時，添加了Ni和Cr的D合金的疲勞敏感性都低于純鈷 C合金.Kammermeier[20]等人的研究也發(fā)現(xiàn)將Ni添加到CoFe硬質(zhì)合金中可以提高合金的疲勞性能.當R=0.1時，D合金的疲勞敏感性為201，比C合金(240)小39，D合金的疲勞極限比C合金的疲勞極限高130 MPa.當R=0.5時D合金的疲勞敏感性為168，比C合金(195)小27，D合金的疲勞極限僅比C合金的疲勞極限高74 MPa，這表明在R=0.5時添加Ni和Cr對疲勞性能影響較小.

表4 不同粘結(jié)相硬質(zhì)合金的疲勞敏感性與疲勞極限值Tab.4 The fatigue sensitivity and fatigue limit of cemented carbides with different binder composition

圖4為D合金的EDS能譜分析.從圖4的EDS結(jié)果可以看到，Cr和Ni是以固溶的形式存在于Co中.已有研究表明，循環(huán)載荷會加劇Co 相的馬氏體相變， 往粘結(jié)相中加入Ni 能有效減少這種相變[21].圖5(a)為R=0.1時D合金的高周疲勞SEM，與R=0.1時C合金的斷口形貌相比(見圖2(c))，可以發(fā)現(xiàn)Co相“臺階”斷裂形貌比圖2(c)少，這進一步說明用部分的Ni和Cr代替Co，確實可以抑制Co相fcc-hcp相轉(zhuǎn)變，從而提高合金的疲勞性能，減少材料的疲勞敏感性.當R=0.5時，D合金的斷口形貌(圖5(b))與C合金(圖2(f))差異性不大，都可以看到明顯的韌窩，這是由于在大應力比加載時Co相更容易發(fā)生韌性斷裂[19]，fcc-hcp相變較少，因此添加Ni和Cr對硬質(zhì)合金疲勞性能影響不大.

圖4 D合金的掃描能譜圖Fig.4 SEM micrograph of grade D and results from EDS

(a) D合金R= 0.1 (b) D 合金R= 0.5圖5 D合金的不同應力比疲勞加載SEM圖(N≈ 1×105～3×105)Fig.5 The SEM of grade D under different stress ratios loading(N≈1×105～3×105 cycles)

4 結(jié) 論

1)鈷相具有橋聯(lián)增韌的作用，能增強硬質(zhì)合金抵抗裂紋擴展的能力.而疲勞載荷時亞臨界裂紋在鈷相中擴展導致鈷相發(fā)生脆性斷裂，減小了合金抵抗裂紋擴展的能力.

2)在兩種不同應力比載荷時都發(fā)現(xiàn)，隨著鈷含量的增加，合金的疲勞敏感性先增大后減小，用少量的Ni和Cr代替Co能減少馬氏體相變，降低合金的疲勞敏感性.

3)大應力比疲勞載荷時硬質(zhì)合金粘結(jié)相呈現(xiàn)出更多的韌性斷裂特征，增大應力比，硬質(zhì)合金疲勞敏感性降低，高鈷合金疲勞敏感性減小程度大于低鈷合金；含部分Ni和Cr的合金，在小應力比加載時疲勞敏感性低于純Co合金，而大應力比加載時疲勞敏感性差異不大.

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Influence of Different Stress Ratios on Fatigue Behavior of WC-Co Cemented Carbides

CHEN Zhenhua1,2，HUANG Ruiming1，CHEN Ding1?，ZHANG Zhongjian2，XU Tao2

(1．College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China；2．State Key Laboratory of Cemented Carbide, Zhuzhou 412000, China)

The three-point bending fatigue behaviors of WC-Co cemented carbides with different binder phase content and composition under cyclic loading at two different stress ratios (R=0.1 andR=0.5) were investigated. The characterization of the fracture surfaces was carried out by using a scanning electron microscope (SEM), and the fatigue mechanism was also studied. The results show that the macroscopic fracture morphology exhibited brittle fracture and toughness fracture. With the increase of Co content, the fatigue sensitivity decreased firstly and then increased. Cemented carbides with complex binder phase (Co + Ni + Cr) exhibited lower fatigue sensitivity than that of pure Co cemented carbides. The fracture mechanism transformed from brittle to ductile at the stress ratio changing from 0.1 to 0.5. With the increase of the stress ratio, the fatigue sensitivity was changed.

cemented carbides；stress ratio；fatigue；binder phase

1674-2974(2017)06-0001-06

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.06.001

2016-02-25

硬質(zhì)合金國家重點實驗室項目(201403001), the Open Foundation of State Key Laboratory of Cemented Carbide (201403001).

陳振華(1945-),男，江蘇溧陽人，湖南大學教授，博士生導師?通訊聯(lián)系人，E-mail:chending@hnu.edu.cn

TB302.3

A