硬質(zhì)合金的疲勞與斷裂

陳振華，姜 勇，陳 鼎，張忠健，徐 濤，彭 文

(1. 湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082；2. 株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司，株洲 412000)

硬質(zhì)合金的疲勞與斷裂

陳振華1，姜 勇1，陳 鼎1，張忠健2，徐 濤2，彭 文2

(1. 湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082；2. 株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司，株洲 412000)

硬質(zhì)合金在使用中一般同時(shí)承受多重疲勞的共同作用，了解硬質(zhì)合金的疲勞破壞機(jī)理和提高其疲勞性能是硬質(zhì)合金研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。綜述各種硬質(zhì)合金工具在不同環(huán)境中的疲勞破壞情況，概括目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)硬質(zhì)合金疲勞性能的機(jī)理的研究進(jìn)展。同時(shí)介紹本課題組在自行改造的疲勞試驗(yàn)機(jī)上對(duì)硬質(zhì)合金多重疲勞開(kāi)展的一些工作。

硬質(zhì)合金；疲勞；裂紋擴(kuò)展；斷裂

硬質(zhì)合金是指元素周期表中Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族中的過(guò)渡元素(鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鎢、鉬)的碳化物和鐵族元素(鐵、鈷、鎳)以及其他微量元素粉末采用粉末冶金技術(shù)燒結(jié)而成的硬質(zhì)材料[1-3]。經(jīng)過(guò) 80多年的發(fā)展，硬質(zhì)合金作為一種高效的工具材料取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，成為一個(gè)完整的獨(dú)立大工業(yè)體系。目前，硬質(zhì)合金已成為幾乎所有工業(yè)部門(mén)和新技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的工具和結(jié)構(gòu)材料，對(duì)世界工業(yè)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步起到了重要的推動(dòng)作用，被譽(yù)為“工業(yè)的牙齒”。硬質(zhì)合金具有高強(qiáng)度、高彈性模量、高耐磨、高紅硬性和一定韌性等優(yōu)點(diǎn)，在切削工具、石油礦山鉆具和耐磨零件等方面得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。硬質(zhì)合金的斷裂一直制約著其應(yīng)用發(fā)展，在使用過(guò)程中，大多數(shù)種類(lèi)的硬質(zhì)合金工具和其他硬質(zhì)合金零件是在多次沖擊或和諧加載狀態(tài)下工作的，因此，疲勞是導(dǎo)致硬質(zhì)合金斷裂的主要原因。在循環(huán)載荷下，材料的強(qiáng)度指標(biāo)是最能反映材料使用狀態(tài)的特性。材料在循環(huán)載荷下的疲勞性能不僅取決于其強(qiáng)度值，而且決定于它的塑性變形能力，了解硬質(zhì)合金的斷裂機(jī)理和提高其疲勞性能是硬質(zhì)合金研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。目前，硬質(zhì)合金的報(bào)道中關(guān)于強(qiáng)度的研究較多[7-9]，而關(guān)于其韌性和疲勞性能的研究較少，特別是國(guó)內(nèi)的研究報(bào)道更是少見(jiàn)。我國(guó)是世界硬質(zhì)合金的原料基地，也是世界硬質(zhì)合金的生產(chǎn)與消耗大國(guó)，為了提高我國(guó)硬質(zhì)合金企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上特別是高端產(chǎn)品領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力，必須加強(qiáng)原始創(chuàng)新的提升，特別是對(duì)疲勞、斷裂等基礎(chǔ)問(wèn)題的研究需要有大的突破。本文作者綜合評(píng)述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外硬質(zhì)合金疲勞的研究成果，同時(shí)對(duì)本課題組在此領(lǐng)域開(kāi)展的工作做了簡(jiǎn)要介紹。

1 硬質(zhì)合金的疲勞破壞

硬質(zhì)合金的品種很多，按化學(xué)成分可分為3類(lèi)，各類(lèi)硬質(zhì)合金因其成分和性能的不同，有著不同的應(yīng)用領(lǐng)域：1) 鎢鈷類(lèi)(WC-Co)硬質(zhì)合金。其硬質(zhì)相是WC，粘結(jié)相是 Co，代號(hào)是 YG；2) 鎢鈦鈷類(lèi)(WC-TiC-Co)硬質(zhì)合金。其硬質(zhì)相除 WC外，還加有TiC，粘結(jié)相也是 Co，代號(hào)為 YT；3) 鎢鈦鉭(鈮)鈷類(lèi)(WC-TiC-TaC(NbC)-Co)硬質(zhì)合金。這類(lèi)硬質(zhì)合金是在YT合金成分中加入TaC(NbC)而成，其代號(hào)為YW。

硬質(zhì)合金工具的服役狀況一般比較惡劣，常常需要承受循環(huán)載荷、冷熱交替的溫度變化以及腐蝕的環(huán)境。疲勞是造成硬質(zhì)合金工件破壞的一個(gè)主要原因。疲勞種類(lèi)一般來(lái)說(shuō)有機(jī)械疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞等。機(jī)械疲勞是指材料在循環(huán)載荷下即使應(yīng)力未能達(dá)到硬質(zhì)合金強(qiáng)度極限，但在交變的拉壓和沖擊作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋并最終破壞的現(xiàn)象。熱疲勞是硬質(zhì)合金與外界作用時(shí)，由于溫度的多重循環(huán)或周期變化所引起的內(nèi)能變化，使材料產(chǎn)生裂紋源和以裂紋源擴(kuò)展成微裂紋過(guò)程的現(xiàn)象。腐蝕疲勞是工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在使用過(guò)程中與環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)相互發(fā)生作用造成開(kāi)裂或斷裂提前失效的現(xiàn)象。需要注意的是，在硬質(zhì)合金的實(shí)際應(yīng)用中，幾種疲勞方式是共同作用并相互促進(jìn)的。目前，關(guān)于硬質(zhì)合金性能的報(bào)道大部分是關(guān)于靜載荷的，主要包括硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性等[10-15]。關(guān)于硬質(zhì)合金疲勞的研究較少，且大多集中在硬質(zhì)合金刀具方面。

1.1 硬質(zhì)合金刀具的疲勞研究

硬質(zhì)合金硬度比陶瓷、立方氮化硼和金剛石稍低，但比普通碳鋼和高速鋼等高得多，其韌性比高速鋼的略低，但比陶瓷、立方氮化硼和金剛石等高得多，這就決定硬質(zhì)合金在刀具行業(yè)中不可替代的地位。刀具用材料一般為YW系列硬質(zhì)合金，該類(lèi)硬質(zhì)合金與YT類(lèi)硬質(zhì)合金相比，其抗彎強(qiáng)度(顯著增加刀刃強(qiáng)度)、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、耐熱性、高溫力學(xué)性能和抗氧化能力以及其耐磨性提高了，其抗月牙洼磨損和抗后刀面磨損能力增加了。特別是近些年來(lái)隨著PVD和 CVD涂層技術(shù)的發(fā)展成熟[16-20]，硬質(zhì)合金越來(lái)越顯示出其在刀具領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。刀具在使用過(guò)程中會(huì)不斷受到交變彎曲應(yīng)力、頻繁沖擊以及空載時(shí)急劇冷卻所產(chǎn)生的熱疲勞，因此不可避免地發(fā)生粘刀和崩刃現(xiàn)象。這些都是刀片在切削區(qū)域內(nèi)因疲勞產(chǎn)生各種裂紋并在循環(huán)載荷在逐漸擴(kuò)展直至失效導(dǎo)致的破壞。早在20世紀(jì)70年代，人們就認(rèn)識(shí)到刀具在切削過(guò)程中刀具的破壞是由交變載荷、交變溫度和磨損共同作用的結(jié)果，但限于當(dāng)時(shí)試驗(yàn)條件這幾種疲勞機(jī)制不能分解開(kāi)來(lái)研究[21-22]。表1所列為目前公開(kāi)報(bào)道的為數(shù)不多的硬質(zhì)合金刀具疲勞方面的一些工作進(jìn)展[23-37]。

針對(duì)硬質(zhì)合金刀具在切削中遇到的腐蝕環(huán)境問(wèn)題，關(guān)于硬質(zhì)合金刀具的耐腐蝕性和在腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能和疲勞性能也有一些研究。例如WENTZEL和 ALLEN[38]對(duì)幾種添加不同粘結(jié)劑成分的 YG合金進(jìn)行了腐蝕性能的研究，結(jié)果表明：純Co或純Ni粘結(jié)相合金可以通過(guò)合金化的方法提高其耐腐蝕性能，Ni-Cr-Co和 Ni-Cr的混合粘結(jié)相合金的腐蝕速率很低。硬度越低，合金其腐蝕速度越快，造成硬質(zhì)合金腐蝕的原因主要是粘結(jié)相的遷移導(dǎo)致硬質(zhì)相的相互分離。PUGSLEY等[39-40]在對(duì)用于伐木和金屬切削的兩種YW牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具在水和酸性腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能和疲勞性能進(jìn)行的研究中發(fā)現(xiàn)：暴露在腐蝕環(huán)境中兩種合金都會(huì)因局部腐蝕造成應(yīng)力集中從而對(duì)工具產(chǎn)生不良影響。在酸性環(huán)境中材料的疲勞強(qiáng)度極限只有其強(qiáng)度的25%，而在空氣中的疲勞極限為其強(qiáng)度的50%。應(yīng)力幅值越低，頻率越慢，這種腐蝕效應(yīng)體現(xiàn)的越明顯。在腐蝕環(huán)境下硬質(zhì)合金疲勞的斷裂方式是由動(dòng)載荷和腐蝕兩種作用相互促進(jìn)引起的，疲勞引起的材料的塑性變形加快了腐蝕速率。

1.2 礦用硬質(zhì)合金的疲勞研究

礦用硬質(zhì)合金包括地質(zhì)勘探工具、鑿巖工具和煤炭采掘工具等。硬質(zhì)合金礦用工具主要是利用硬質(zhì)合金材料的耐高溫、耐磨損以及耐腐蝕等性能來(lái)滿(mǎn)足特殊工況要求。例如在礦山開(kāi)采挖掘中，需要通過(guò)硬質(zhì)合金工具的旋轉(zhuǎn)、沖擊以及兩種作用的相互結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。硬質(zhì)合金工具在頻繁的與巖石接觸中，產(chǎn)生沖擊疲勞，同時(shí)還會(huì)因劇烈摩擦產(chǎn)生大量的熱量，局部溫度可達(dá)1 000 ℃以上，同時(shí)在水冷或風(fēng)冷作用下，產(chǎn)生熱疲勞效應(yīng)[41-42]。對(duì)于在中、軟硬度的巖石的開(kāi)采工況下，由于承受巖石的沖擊負(fù)荷較小，破壞的主要原因是熱疲勞引起的裂紋源在沖擊載荷和熱循環(huán)的共

同作用下擴(kuò)展并最終導(dǎo)致失穩(wěn)和工件的最終斷裂。這種工具最終破壞的特征是存在熱疲勞引起的“蛇皮式”裂紋。而在硬巖的開(kāi)采時(shí)鉆齒主要承受很大的沖擊載荷，因此，其破壞主要是沖擊疲勞產(chǎn)生在表層區(qū)域的物理或化學(xué)變化誘發(fā)裂紋形核，然后長(zhǎng)大破壞，溫度的升高導(dǎo)致這種物理或化學(xué)變化加速，從而加劇了材料的破壞。

表1 硬質(zhì)合金刀具疲勞研究結(jié)果[23-37]Table1 Result of fatigue study of cemented carbide cutting tools[23-37]

硬質(zhì)合金截齒作為采煤工具，在擊碎煤的過(guò)程中硬質(zhì)合金刀頭承受很高的往復(fù)壓應(yīng)力、剪應(yīng)力和沖擊載荷，而且還會(huì)受到冷熱的溫度變化，其服役條件相當(dāng)復(fù)雜。挖煤用截齒刀的斷裂的原因主是釬焊造成的表面開(kāi)裂、熱疲勞和沖擊疲勞的共同作用。BELNAP和GRIFF[43]成功地在WC-Co合金的表面以PCD的方式制備均勻結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的金剛石鍍膜，大大提高鉆孔用硬質(zhì)合金的使用性能。LIU等[44]在 Gleeble熱模擬機(jī)上對(duì)燒結(jié)態(tài)、淬火態(tài)和熱處理態(tài)的 Co含量為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的YG硬質(zhì)合金分別進(jìn)行了短循環(huán)次數(shù)的熱循環(huán)、力循環(huán)和熱力循環(huán)試驗(yàn)，檢測(cè)了合金中粘結(jié)相Co的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)3種狀態(tài)疲勞試驗(yàn)后，所有合金中Co的面心立方的β-Co相對(duì)含量下降而密排六方的ε-Co相對(duì)含量上升，其中燒結(jié)態(tài)合金中β-Co相含量減少的順序依次為熱循環(huán)、力循環(huán)、熱力循環(huán)，在同樣熱力循環(huán)后，淬火態(tài)合金和熱處理態(tài)合金中殘余的β-Co相分別是燒結(jié)態(tài)合金中的3.3倍和4倍。

1.3 硬質(zhì)合金模具的疲勞研究

伴隨著市場(chǎng)的推動(dòng)和硬質(zhì)合金自身性能的不斷提高以及加工設(shè)備的發(fā)展完善，硬質(zhì)合金材料以其高的強(qiáng)度和耐磨性，以及一定的韌性，在模具行業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，從最初的拉絲模先后步入沖裁模、冷鐓模、冷擠模以及熱作模等幾乎全部模具領(lǐng)域。硬質(zhì)合金模具在使用過(guò)程中一直承受著拉拔、擠壓、沖擊等動(dòng)載荷，同時(shí)因摩擦或高溫作業(yè)承受冷熱溫度的循環(huán)，甚至還有冷卻液的腐蝕作用。例如拉鋼絲模用YG合金[45]由于工作時(shí)應(yīng)力腐蝕協(xié)同 Co粘結(jié)相的在潤(rùn)滑液中的選擇性溶解形成斷裂源導(dǎo)致模具最終破壞。同時(shí)提出解決拉絲模裂紋和斷裂的方法可采用新型粘結(jié)劑、消除機(jī)械應(yīng)力和在潤(rùn)滑液中加入抑制劑減少 Co的溶解。BRONDSTED和SKOVHANSEN[46]研究了用于冷鍛用的G7合金(WC-25%Co，質(zhì)量分?jǐn)?shù))的疲勞裂紋擴(kuò)展性能。發(fā)現(xiàn)合金的裂紋擴(kuò)展速率符合典型的裂紋擴(kuò)展行為，但是其裂紋增長(zhǎng)很敏感。SERGEJEV等[47]對(duì)兩種YG硬質(zhì)合金分別進(jìn)行了滑動(dòng)、滾接觸和沖擊的循環(huán)載荷的疲勞測(cè)試，并且根據(jù)材料內(nèi)部孔洞的存在情況結(jié)合一些基本的力學(xué)性能給出了預(yù)測(cè)材料表面疲勞壽命的計(jì)算方法。KLUNSNER等[48]研究了不同WC晶粒尺寸和Co含量的YG類(lèi)硬質(zhì)合金疲勞性能與顯微組織之間的關(guān)系。指出裂紋主要起源于材料內(nèi)組織不均勻處，例如微孔或大尺寸的WC顆粒等。得到的 S—N曲線(xiàn)分散性較大是由于存在不均勻組織引起的。在應(yīng)力比為0.1、-1和-3的情況下測(cè)得 Co含量 12%的 YG合金的裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK分別為4.3、6.2和9 MPa·m-1/2。循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變行為的研究顯示硬質(zhì)合金材料的大部分塑性變形都是發(fā)生在第一次加壓—卸載過(guò)程中，在隨后的循環(huán)中逐漸回復(fù)，幾百次后回復(fù)到0。

1.4 硬質(zhì)合金軋輥的疲勞研究

從20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始，由于我國(guó)鋼鐵行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，大大促進(jìn)了硬質(zhì)合金軋輥的應(yīng)用與發(fā)展。由于硬質(zhì)合金具有良好的耐磨性、高溫紅硬性、耐熱疲勞性和熱傳導(dǎo)性以及高強(qiáng)度等特點(diǎn)，硬質(zhì)合金軋輥和軋輥環(huán)被廣泛應(yīng)用于線(xiàn)材、板材、管材、棒材、螺紋鋼和無(wú)縫鋼管等的軋制和加工中。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的硬質(zhì)合金軋輥材質(zhì)都是 YG合金，一般有WC-Co和WC-Co-Ni-Cr兩大系列，其中作為粘結(jié)劑的Co、Co-Ni-Cr含量范圍為6%～30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。軋輥(環(huán))在正常使用過(guò)程中，一般破壞是從表面“龜裂”開(kāi)始的，這種裂紋一般是由表面在使用過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱與冷卻水交互作用產(chǎn)生的熱疲勞裂紋。隨著這種網(wǎng)狀龜殼狀裂紋的延伸，逐漸造成合金剝落，甚至碎輥。PANDEY等[49]根據(jù)對(duì)線(xiàn)材和棒材軋輥的實(shí)際破壞情況分析得出其斷裂源主要起源于材料內(nèi)部的空洞和軋輥上槽底或槽面上。

湖南大學(xué)金屬材料研究所與株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司進(jìn)行合作，結(jié)合湖南省“十一五”鎢產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目，對(duì)硬質(zhì)合金軋輥環(huán)用硬質(zhì)合金進(jìn)行了一系列疲勞與斷裂方面的研究。根據(jù)軋輥環(huán)的實(shí)際使用條件，采用自行改造的設(shè)備對(duì)WC-Co(YGH類(lèi))和WC-Co-Ni-Cr(YGR類(lèi))兩類(lèi)硬質(zhì)合金進(jìn)行了機(jī)械疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞以及幾種疲勞耦合的多重疲勞研究。通過(guò)在電液伺服疲勞機(jī)上配備一組可轉(zhuǎn)位的氧炔焰加熱槍和高壓氣體冷卻槍實(shí)現(xiàn)了機(jī)械疲勞、熱疲勞和熱-機(jī)械疲勞試驗(yàn)，同時(shí)輔以不同pH值的冷卻液，實(shí)現(xiàn)了熱-腐蝕疲勞的條件，得到了一系列疲勞結(jié)果并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了探討，主要結(jié)論如下。

1) 在室溫疲勞中，硬質(zhì)合金材料表現(xiàn)出明顯的疲勞效應(yīng)，即應(yīng)力水平的降低伴隨著疲勞壽命的上升。在高應(yīng)力區(qū)域，材料的疲勞壽命較短，此時(shí)合金的疲勞壽命與合金的強(qiáng)度有關(guān)，合金的強(qiáng)度越高，其疲勞壽命越長(zhǎng)，因此，S—N曲線(xiàn)的起始階段相同應(yīng)力幅下，低粘結(jié)性含量合金表現(xiàn)出比高粘結(jié)劑含量的合金更高的疲勞壽命。隨著應(yīng)力幅值的降低，這種強(qiáng)度與疲勞壽命的聯(lián)系越來(lái)越不明顯，特別是進(jìn)入高周疲勞區(qū)域(＞105)后，高粘結(jié)劑含量的合金反而表現(xiàn)出更高的疲勞抗性。其主要原因是由于分布在 WC“骨架”中的Co相的塑性變形提高了材料抗裂紋擴(kuò)展的能力，通過(guò)裂紋橋聯(lián)機(jī)制[50]等作用對(duì)合金起到了增韌作用，粘結(jié)劑含量越高，這種增韌作用越強(qiáng)。

2) 與室溫疲勞相比，在熱-機(jī)械疲勞中，在相同應(yīng)力幅下合金的壽命會(huì)大大降低，其原因主要如下：1) 在高溫作用下試樣表面形成一層疏松的氧化層，氧化層的脫落導(dǎo)致試樣受力面積減小；2) 合金在高溫下的力學(xué)性能會(huì)下降。這種降低在低應(yīng)力水平水平下愈發(fā)明顯，因?yàn)榇藭r(shí)疲勞壽命較長(zhǎng)，試樣承受熱循環(huán)的次數(shù)增多造成的熱損傷也越大。同時(shí)研究結(jié)果還表明，在合金中添加一定比例的Ni和Cr能顯著提高合金的熱-機(jī)械疲勞性能。粘結(jié)劑中的 Ni與 Cr是以固溶于Co的形式存在的，提高了堆垛層錯(cuò)能，阻礙了層錯(cuò)的擴(kuò)展，使層錯(cuò)寬度變窄，抑制和減少了面心立方→密排六方鈷的晶型轉(zhuǎn)變，具有較高堆垛層錯(cuò)能的粘結(jié)相將有利于提高硬質(zhì)合金的疲勞壽命。同時(shí)在疲勞試樣的TEM中觀(guān)察到，粘結(jié)相Co中析出的大量第二相粒子，這些粒子在基質(zhì)材料受到拉伸作用時(shí)將阻止橫向截面收縮，而要達(dá)到與基質(zhì)相同的橫向收縮，就要增大縱向拉應(yīng)力，這樣就使材料消耗更多能量，起到增韌效果。同時(shí)，這些彌散顆粒對(duì)裂紋可起到釘扎作用，使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、繞道，從而消耗裂紋前進(jìn)的動(dòng)力，起到彌散增韌的效果。

3) 從斷裂形式上來(lái)講，硬質(zhì)合金基本上都屬于脆性斷裂，隨粘結(jié)相含量的增加出現(xiàn)少量韌窩。裂紋主要沿晶界和在粘結(jié)相中擴(kuò)展，很少看到穿晶的解離斷裂。在疲勞載荷后，粘結(jié)相與WC硬質(zhì)顆粒之間發(fā)生了剝離，這種脫粘造成WC顆粒之間相互錯(cuò)動(dòng)形成孔隙和微裂紋，這些孔隙和微裂紋相互連接加速裂紋的擴(kuò)展并最終導(dǎo)致材料的斷裂。熱-機(jī)械疲勞試驗(yàn)的斷口很不平整，高倍斷口上可以看到合金中WC晶粒被嚴(yán)重氧化和拉長(zhǎng)，部分晶粒發(fā)生破碎，WC骨架連續(xù)骨架被破壞并且有大量孔洞的存在。

4) 從顯微結(jié)構(gòu)上看，經(jīng)疲勞載荷后，WC-Co合金中的 Co相發(fā)生了面心立方→堆垛層錯(cuò)→密排六方的馬氏體相變，密排六方結(jié)構(gòu)的 Co在外力作用下會(huì)很快喪失其松弛協(xié)調(diào)應(yīng)變的能力，因此 Co粘結(jié)相的相組成對(duì)硬質(zhì)合金力學(xué)性能有直接的關(guān)系。而WC-Co-Ni-Cr合金由于固溶在Co相中的Ni和Cr有效地升高了堆垛層錯(cuò)能，阻礙了層錯(cuò)的擴(kuò)展，使層錯(cuò)寬度變窄，抑制和減少了面心立方→密排六方鈷的晶型轉(zhuǎn)變，具有較高的堆垛層錯(cuò)能的粘結(jié)相將有利于提高硬質(zhì)合金的疲勞壽命。

5) 熱疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展都有如下過(guò)程：裂紋是經(jīng)熱循環(huán)一定次數(shù)后才形成，即裂紋的形成有孕育期，裂紋形成后擴(kuò)展，達(dá)到一定尺寸時(shí)便停止擴(kuò)展或者直至斷裂。整體上講，裂紋擴(kuò)展都呈現(xiàn)出先快后慢的趨勢(shì)，這種熱疲勞裂紋的擴(kuò)展有別于一般的常溫疲勞。高粘結(jié)含量的合金具有較低的熱疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

6) 在熱-腐蝕疲勞中，裂紋擴(kuò)展機(jī)理比較復(fù)雜。在熱與腐蝕共同作用下，裂紋擴(kuò)展速率不僅與單純熱疲勞和腐蝕疲勞的控制參數(shù)有關(guān)，還有兩者強(qiáng)烈交互作用對(duì)裂紋擴(kuò)展的貢獻(xiàn)。酸性環(huán)境中，WC-Co-Ni-Cr合金的抗熱酸裂紋萌生能力比 WC-Co合金的明顯要強(qiáng)，表現(xiàn)為裂紋孕育期的明顯延長(zhǎng)。高粘結(jié)相含量合金的裂紋擴(kuò)展速率明顯低于低粘結(jié)相含量合金的。而堿性環(huán)境中，孕育期的長(zhǎng)短取決于粘結(jié)相的含量，即粘結(jié)相含量越多，孕育期越長(zhǎng)；而裂紋擴(kuò)展速率受粘結(jié)相成分的影響較大，WC-Co-Ni-Cr硬質(zhì)合金的裂紋擴(kuò)展速率明顯慢于WC-Co硬質(zhì)合金。

從硬質(zhì)合金軋輥材質(zhì)疲勞試驗(yàn)的結(jié)果結(jié)合常規(guī)性能的檢測(cè)結(jié)果，軋輥材料的選材應(yīng)考慮軋制工藝過(guò)程及各架次軋輥的工況特點(diǎn)。預(yù)精軋各架次軋輥所承受載荷如沖擊力和軋制力較大，而紅熱的軋材相對(duì)速度較低，因此選用預(yù)精軋各架次軋輥材質(zhì)時(shí)，應(yīng)選用粘結(jié)劑含量較高的牌號(hào)，以獲得較高的韌性和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和硬度。對(duì)于精軋各架次軋輥，特別是精軋的最后兩架軋輥，其所受載荷較小，而軋材的相對(duì)速度極高，此時(shí)必須同時(shí)保證軋輥的強(qiáng)度、韌性、硬度和耐磨性的合理匹配，所以粘結(jié)劑含量、成分等因素的控制必須與前面預(yù)精軋軋輥的控制有較大不同。對(duì)于預(yù)精軋至精軋之各架次的軋輥，要視軋制速度、軋制量、軋輥承受的軋制力和沖擊力以及對(duì)耐磨性等因素綜合考慮。考慮到冷卻水水質(zhì)對(duì)軋輥的使用影響影響很大，主要是冷卻水 pH值的高低對(duì)硬質(zhì)合金軋輥的腐蝕影響很大。當(dāng)pH≥7.2時(shí)，宜采用純Co粘結(jié)劑的軋輥；當(dāng)pH≤7.2時(shí)，Co的腐蝕被加劇，這時(shí)應(yīng)采用含Ni和Cr粘結(jié)劑的軋輥。

2 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)硬質(zhì)合金傳統(tǒng)強(qiáng)度(通常為硬度和抗彎強(qiáng)度)認(rèn)識(shí)和控制能力大大增強(qiáng)。但是，韌性與疲勞斷裂引起的失效在工程失效中越來(lái)越突出。特別是硬質(zhì)合金疲勞的基礎(chǔ)研究上，斷裂韌性的測(cè)試與評(píng)價(jià)、疲勞現(xiàn)象的觀(guān)察、疲勞機(jī)理的認(rèn)識(shí)、疲勞規(guī)律的研究、疲勞壽命的預(yù)測(cè)和抗疲勞設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展等方面都尚未有公認(rèn)的理論。目前，硬質(zhì)合金疲勞的相關(guān)研究工作開(kāi)展的較少，并且大部分都只針對(duì)材料對(duì)單一機(jī)制疲勞的研究。硬質(zhì)合金在工作時(shí)每一種類(lèi)型的疲勞都不是孤立地作用在合金上，硬質(zhì)合金在使用過(guò)程中一般同時(shí)受到多種類(lèi)型疲勞的共同影響，并有主次之分，使硬質(zhì)合金疲勞斷裂的研究更加復(fù)雜。為贏(yíng)得硬質(zhì)合金材料及其制品更廣闊的應(yīng)用前景和更大的市場(chǎng)需求，在新產(chǎn)品、新牌號(hào)研發(fā)的過(guò)程中，一定要注重疲勞的因素，了解硬質(zhì)合金的疲勞破壞機(jī)理和提高其疲勞性能將成為硬質(zhì)合金研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，為提高我國(guó)硬質(zhì)合金企業(yè)在國(guó)際上特別是高端產(chǎn)品領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力提供理論支持。

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Fatigue and fracture of cemented carbides

CHEN Zhen-hua1, JIANG Yong1, CHEN Ding1, ZHANG Zhong-jian2, XU Tao2, PENG Wen2
(1. College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2. Zhuzhou Cemented Carbide Group Co., Ltd., Zhuzhou 412000, China)

In actual applications, the cemented carbides stand the multiple fatigue action. Understanding the fatigue mechanism and improving the fatigue property are the important direction for the research of cemented carbides. The applications and studies of fatigue and fracture of cemented carbides were reviewed. The domestic and foreign research results on the mechanism of fatigue fracture of cemented carbides were summarized, and the recent works of authors’research group were also introduced.

cemented carbides; fatigue; crack propagation; fracture

TB303

A

1004-0609(2011)10-2394-08

湖南省“十一五”重大科技專(zhuān)項(xiàng)(2007FJ1002)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50804015)

2011-05-12；

2011-07-20

陳振華，教授，博士；電話(huà)：0731-88821648；E-mail: chenzhenhua45@hotmail.com

(編輯 李艷紅)