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硬質(zhì)合金抗彎強度及其分散性的研究

來源：減速機信息網(wǎng) 時間：2008-5-14 9:36:58　　責任編輯：lihongwei

　　1 引言硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨性好等特點，是機械、冶金、礦山開采、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，因此開發(fā)應用時對其抗彎強度的研究非常重要。大量研究表明，硬質(zhì)合金的抗彎強度與材料中碳化物和粘結(jié)相的種類、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度分散性，但關(guān)于硬質(zhì)合金抗彎強度分散性的研究尚未見報道。筆者通過抗彎強度試驗，對WC的粒度和粒度均勻性對硬質(zhì)合金抗彎強度及其分散性的影響進行了研究。

圖1 硬質(zhì)合金平均抗彎強度與WC顆粒平均尺寸的關(guān)系

圖2 硬質(zhì)合金平均抗彎強度與WC顆粒均勻性的關(guān)系

圖3 不同WC粒度的硬質(zhì)合金抗彎強度Weibull曲線

圖4 不同WC顆粒均勻性的硬質(zhì)合金抗彎強度Weibull曲線

　　2 抗彎強度試驗試驗材料材料成分：基體為WC，粘結(jié)相為Co(8wt%)。試樣尺寸：5.25mm×6.5mm×20mm。試驗參數(shù) 在WB-100 型萬能試驗機上測定硬質(zhì)合金的抗彎強度，測試跨距為14.5±0.5mm，十字頭加力速度為200N/min。 3 試驗結(jié)果與分析 WC顆粒平均尺寸對硬質(zhì)合金抗彎強度的影響通過試驗得到該硬質(zhì)合金的平均抗彎強度sm與WC顆粒平均尺寸d的關(guān)系見圖1。由圖可見，該硬質(zhì)合金的平均抗彎強度隨WC顆粒平均尺寸的減小而升高。 WC顆粒均勻性對硬質(zhì)合金抗彎強度的影響通過試驗得到硬質(zhì)合金中WC顆粒均勻性對硬質(zhì)合金抗彎強度的影響見圖2。由圖可見，該硬質(zhì)合金的平均抗彎強度隨WC顆粒均勻性變好(WC顆粒欠均勻→存在個別大顆�！鶺C顆粒均勻)而升高。 Weibull統(tǒng)計分析為了分析脆性材料強度的分散性，ASTM標準推薦使用Weibull統(tǒng)計方法來分析先進陶瓷材料的單軸強度以及復合材料強度。因此，我們引入兩參數(shù)Weibull分布函數(shù)對本試驗中硬質(zhì)合金抗彎強度的分散性進行分析。 Weibull分布函數(shù)為

P(s)=1-exp[-(	s	)3]

	s0

(1)

式中，P(s)為材料在所施加彎曲應力s下的失效概率；s0為尺度參數(shù)；m 為Weibull模量(m 值越大，材料強度的分散性越小，反之亦然)。通過數(shù)學變換，式(1)可改寫為

ln{ln[1/(1-P(s))]}=mlns-mlns0

(2)

若以ln{ln[1/(1-P(s))]}為縱坐標，lns為橫坐標，則可得到二者的關(guān)系曲線。用最小二乘法將ln{ln[1/(1-P(s))]}與lns 的關(guān)系擬合成直線，該直線的斜率即為Weibull模量。圖3和圖4為根據(jù)式(2)重新處理后的Weibull曲線；該硬質(zhì)合金抗彎強度的Weibull模量m見下表。由表可知，該硬質(zhì)合金抗彎強度的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。說明WC顆粒的尺寸越大，其抗彎強度的分散性越�。籛C顆粒越均勻，其抗彎強度的分散性也越小。日本學者鈴木壽曾導出WC-Co硬質(zhì)合金的抗彎強度sm滿足公式

sm={830/[1+2(a/8.5×10-3)½]}[t/(t-2∆t)][l/(l-2∆l]

(3)

式中，2a為近橢圓狀缺陷的長徑；t和l分別為試樣厚度和三點彎曲試驗中的跨距長度；∆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。由式(3)可知，硬質(zhì)合金的抗彎強度不但與缺陷(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中WC顆粒平均尺寸d增大引起抗彎強度sm下降的變化趨勢。根據(jù)Weibull脆性斷裂統(tǒng)計理論，如果一顆大尺寸WC顆粒的開裂導致了整個硬質(zhì)合金試樣的最后斷裂，則在三點彎曲試樣的張應力區(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)，其抗彎強度也就越低。這一結(jié)論與試驗結(jié)果一致�？梢郧宄乜吹�，硬質(zhì)合金材料粒度的均勻性越差，在引起開裂的張應力區(qū)中找到大顆粒WC的幾率的差別就越大，抗彎強度的分散性也就越大；這也表明WC顆粒越小、粒度越不均勻，其抗彎強度的分散性越大。表硬質(zhì)合金抗彎強度的Weibull模量 WC顆粒平均尺寸 WC顆粒均勻性2.25µm 2.47µm 2.60µm 均勻中等均勻欠均勻

12.2

15.8

16.9

13.4

13.0

12.0

　　4 結(jié)論根據(jù)試驗結(jié)果和理論分析，可得出如下結(jié)論：硬質(zhì)合金抗彎強度的平均值隨WC顆粒平均尺寸的減小而增大，但抗彎強度的分散性也隨之增大。硬質(zhì)合金抗彎強度的平均值隨WC粒度的均勻性變好而增大，且抗彎強度的分散性隨之減小。

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