Stellite12鈷基合金的疲勞性能及其斷裂機理研究

苗文卷，曹 睿，車洪艷，董 浩，陳劍虹

(1 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050；2 蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730050；3 中國鋼研科技集團有限公司 安泰科技股份有限公司，北京 100081；4 河北省熱等靜壓工程技術(shù)研究中心，河北 涿州 072750)

作為硬質(zhì)合金中的一種，鈷基合金主要由高硬度、高熔點的硬質(zhì)相與潤濕性良好的韌性黏結(jié)相鈷組成，它綜合了硬質(zhì)相與韌性黏結(jié)相的優(yōu)點，整體呈現(xiàn)出極佳的強度、韌性和耐磨性[1-2]。因此，鈷基合金在模具、切削工具、耐磨零件、結(jié)構(gòu)零件等方面應(yīng)用廣泛。在實際應(yīng)用中，硬質(zhì)合金往往要承受諸如交變應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)、溫度變化等復(fù)雜的使用環(huán)境，因此疲勞是導(dǎo)致硬質(zhì)合金服役性能下降的重要因素之一，并且與硬質(zhì)合金的過早和意外失效密切相關(guān)[3-5]。關(guān)于鈷基合金的疲勞斷裂已有較多研究。周華堂等[6]對5種不同WC晶粒度及黏結(jié)相含量的硬質(zhì)合金的疲勞性能研究發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)合金的疲勞性能與WC晶粒度以及黏結(jié)相含量有明顯的相關(guān)性，對于低晶粒度、低黏結(jié)相硬質(zhì)合金，其疲勞斷口與靜態(tài)斷口相似，疲勞特征不明顯，但對于較高鈷含量的硬質(zhì)合金則呈現(xiàn)明顯的疲勞特征。Lanes等[2]的研究則表明，疲勞裂紋擴張抗力不是簡單地隨著黏結(jié)相平均自由程的增加而增大，他們認為在循環(huán)載荷下，硬質(zhì)合金中黏結(jié)相雖是韌性相，但容易受疲勞影響，特別是當黏結(jié)相發(fā)生fcc-hcp馬氏體相變的情況下，不但會導(dǎo)致裂紋尖端尾部韌帶的過早失效，同時也會減小裂紋尖端屏蔽效應(yīng)。Torres等[7]通過觀察斷口形貌，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力比R對Co相的韌性影響較為明顯。R越小，真疲勞失效越明顯，此時Co相不會發(fā)生較大的塑性變形，斷口上也相應(yīng)呈現(xiàn)出脆性斷裂特征，反之黏結(jié)相的韌性斷裂越明顯。姜勇等[8]以及Hirose等[9]的結(jié)論與此類似。

以往室溫疲勞方面的研究多采用拉壓疲勞或旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞，但對于鈷基合金來說，由于金屬鈷本身稀有以及采用熱等靜壓制備的特點，該類合金價格往往較為昂貴，此外，其維氏硬度往往超過600HV甚至800HV。因此，采用拉壓疲勞或旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞同時存在耗材相對較多、試樣加工難度較大等客觀問題。本工作采用三點彎曲疲勞，試樣耗材量小、加工簡單并且可以極大地降低實驗成本。鑒于以往關(guān)于鈷基合金的疲勞性能研究的鈷含量多為8%～30%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，而近年來高鈷含量的鈷基合金的應(yīng)用日漸增多，例如含鈷40%～65%的奧氏體的鈷基高溫合金，除了被用于燃氣渦輪機和噴氣式發(fā)動機中的葉輪與葉片，還常被用于化工設(shè)備和核工業(yè)中各種承受高載荷、高溫的重要零部件制造。但是關(guān)于高鈷含量鈷基合金的疲勞斷裂研究相對較少，尤其是對于低應(yīng)力比高鈷含量這一特殊情況。此外，對于硬質(zhì)合金而言，由于其固有缺陷導(dǎo)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[10]。本工作采用三點彎曲疲勞法測得光滑試樣與直缺口試樣的S-N曲線，分析了高鈷含量Stellite12鈷基合金在低應(yīng)力比條件下的疲勞性能，并通過疲勞斷口形貌觀察進一步探究了該合金的疲勞斷裂機理及其與靜載下彎曲斷口的差異。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗所用的Stellite12鈷基合金采用熱等靜壓工藝制備而成，工藝流程主要包括：粉末包套制備、粉末填裝、脫氣封焊、燒結(jié)成型、去包套等流程，合金化學(xué)成分如表1所示。圖1為Stellite12鈷基合金的微觀組織，其中白色相為WC，該種碳化物的引入使得鈷基合金即使在高溫下仍具有較高的硬度和良好的耐磨性，黑色相Cr23C6在提高材料硬度的同時也極大地提高了材料耐高溫氧化的性能，灰色γ基體則主要是金屬鈷，用作黏結(jié)相。

表1 鈷基合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

圖1 鈷基合金的微觀組織

1.2 實驗方法

本實驗涉及兩種三點彎曲疲勞試樣，一種為無缺口光滑試樣，一種為直缺口試樣，均由線切割加工而成，其形狀尺寸及加載方式如圖2所示。試樣加工完成之后，將試樣棱角磨至圓滑并用砂紙將試樣各表面磨至3000目，然后用金剛石拋光液拋光備用。室溫疲勞在QBG-50疲勞試驗機上進行，頻率為80 Hz，波形采用正弦波，應(yīng)力比R=0.1，跨距為30 mm。疲勞實驗采用應(yīng)力疲勞方式，從略低于抗彎強度值開始，并根據(jù)前一根試樣的疲勞壽命，逐步降低應(yīng)力，對試樣施加不同的應(yīng)力幅S，記錄試樣疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，直至有一根試樣到預(yù)定的循環(huán)次數(shù)后不發(fā)生斷裂為止。在疲勞測試之前進行相同試樣尺寸、跨距的靜態(tài)三點彎曲實驗，測得其靜態(tài)抗彎強度，為疲勞實驗初始載荷選擇提供參考。

圖2 試樣尺寸(a)及加載方式(b)

2 結(jié)果與分析

2.1 S -N曲線

圖3為光滑試樣與直缺口試樣的S-N曲線。由圖3可知，兩種試樣均表現(xiàn)出明顯的疲勞效應(yīng)，即隨著應(yīng)力水平的降低疲勞壽命上升，同時可以發(fā)現(xiàn)與光滑試樣相比缺口試樣的S-N曲線呈現(xiàn)整體下降的趨勢。疲勞極限與疲勞敏感性是衡量材料疲勞性能的兩個重要參數(shù)。首先就疲勞極限來說，光滑試樣的疲勞極限為545 MPa，約為原始抗彎強度1552 MPa的25.4%。直缺口試樣的疲勞極限約為101 MPa，約為靜態(tài)三點抗彎強度517.6 MPa的19.1%。對于疲勞敏感性即S-N曲線前段直線部分斜率，光滑試樣的疲勞敏感性為397，直缺口試樣的疲勞敏感性為31。

圖3 試樣的S -N疲勞壽命曲線

圖4 疲勞及靜態(tài)彎曲斷口形貌

2.2 斷口形貌及斷裂行為分析

圖4為光滑試樣疲勞及靜態(tài)彎曲斷口形貌。不同于以往疲勞斷口擁有疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展(fatigue crack growth,FCG)區(qū)、瞬斷區(qū)3個典型區(qū)域，從圖4(a)所示的光滑試樣宏觀疲勞斷口上可以觀察到明顯的疲勞源區(qū)和瞬斷區(qū)，但裂紋擴展區(qū)卻極不明顯。疲勞加載過程中，循環(huán)載荷由動載和靜載組成，當有裂紋出現(xiàn)并緩慢擴展時，載荷會松弛，頻率則呈現(xiàn)出下降的現(xiàn)象。但光滑疲勞試樣從加載開始到斷裂始終未觀察到頻率發(fā)生改變，因此判定光滑試樣的疲勞裂紋萌生以后幾乎未發(fā)生穩(wěn)定的裂紋擴展，故疲勞源區(qū)以外幾乎全部是瞬斷區(qū)。

圖4(b)為起裂源的高倍SEM形貌，可以觀察到疲勞裂紋萌生于亞表層的碳化物。同時也可以發(fā)現(xiàn)：碳化物周圍的鈷基體(γ基體)的斷裂面上看不到韌窩、撕裂脊等韌性斷裂所特有的典型特征。但相關(guān)研究表明室溫下燒結(jié)態(tài)WC-Co硬質(zhì)合金的γ相都是fcc型和hcp型兩種結(jié)構(gòu)的混合物，但通常hcp-γ相的比例很小[11]，韌性相韌性降低極為反常。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要歸于Co相在循環(huán)應(yīng)力作用下發(fā)生fcc向hcp的馬氏體相變，而hcp相對較少的滑移系(12∶3)會使韌性相的韌性發(fā)生極大地降低[12]。姜勇等[8]以及陳振華等[13]的研究也證實了這一點。

圖4(c)為起裂源下方裂紋快速擴展所形成的典型的河流狀花樣，其上分布著較多的二次裂紋。圖4(d)為河流狀花樣的高倍SEM形貌，可以發(fā)現(xiàn)材料整體呈現(xiàn)準解理斷裂形式，硬質(zhì)相也多呈現(xiàn)穿晶斷裂。二次裂紋也多為硬質(zhì)相的穿晶裂紋，并存在少量位于鈷基體/碳化物界面的沿晶裂紋。鈷基體上的斷裂多呈現(xiàn)撕裂脊形態(tài)，同時也可以觀察到撕裂脊并不尖銳，此外，其韌窩數(shù)量和尺寸相對于同等倍數(shù)下的靜態(tài)彎曲斷口(見圖4(e))也表現(xiàn)出明顯的下降，有些大塊鈷基體的斷裂面甚至呈現(xiàn)脆斷或近乎脆斷的特征，該現(xiàn)象在整個疲勞斷口上十分普遍。由此可知，疲勞加載過程中疲勞載荷會明顯降低鈷基體的韌性，材料整體呈現(xiàn)出極為明顯的疲勞特征。

相關(guān)研究顯示硬質(zhì)合金的疲勞裂紋擴展存在兩種模式：(1)真疲勞(循環(huán)斷裂模式)；(2)靜態(tài)疲勞(靜態(tài)斷裂模式)。當真疲勞占據(jù)主導(dǎo)地位時，在硬質(zhì)合金中橋聯(lián)作用的效果會減弱，因此斷裂面上往往呈現(xiàn)脆性斷裂的特征；而當靜態(tài)疲勞模式占據(jù)主導(dǎo)地位時，橋聯(lián)增韌會起作用，斷裂面則與靜載斷裂面相同，具有明顯的韌窩特征[14]。通過對比靜態(tài)斷裂斷口和疲勞斷口可以發(fā)現(xiàn)兩者具有極大的相似性，都存在大量的撕裂脊；但相較于靜態(tài)彎曲斷口，疲勞斷口上鈷基體的塑性變形有所降低甚至表現(xiàn)出近乎脆斷特征，同時韌窩的數(shù)量明顯減少，韌窩尺寸也明顯減小，即使是大塊斷裂的黏結(jié)相上也很難發(fā)現(xiàn)韌窩，以上觀察結(jié)果表明鈷基合金的裂紋擴展模式較為復(fù)雜，不能單一地歸為真疲勞或靜態(tài)疲勞模式；綜合各種斷裂特征，本工作更傾向于Fry和Garrett[15]以及Torres等[2,7]的研究結(jié)果，即兩種斷裂機制共同存在。硬質(zhì)相呈現(xiàn)出脆性解理斷裂，鈷基體疲勞加載過程中因為較低的應(yīng)力比也出現(xiàn)了一定程度的加工硬化表現(xiàn)出韌性的下降。

由于在光滑試樣疲勞實驗過程中裂紋萌生到斷裂極為迅速，未發(fā)生頻率改變的現(xiàn)象。同時，在光滑試樣上難以同時觀察到疲勞斷口3個典型的區(qū)域，這與一般材料的疲勞斷口存在較大差異。因此，為了進一步分析鈷基合金的疲勞裂紋擴展方式，可以借鑒預(yù)制疲勞裂紋的做法，在實驗中引入細而窄的直缺口疲勞試樣并降低應(yīng)力，以期在疲勞裂紋形成初期使裂紋實現(xiàn)穩(wěn)定緩慢的擴展。

圖5為直缺口試樣疲勞斷口形貌。可以發(fā)現(xiàn)，不同于光滑試樣，圖5(a)所示的直缺口疲勞斷口上起裂源較多，這主要歸因于直缺口尖端表面缺陷以及應(yīng)力集中作用，為多個起裂源的萌生創(chuàng)造了條件。圖5(b),(c)為缺口疲勞的兩種典型起裂源，由圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)碳化物聚集是裂紋萌生的原因之一，圖5(c)則表明缺口表面的線切割缺陷也可誘發(fā)疲勞裂紋的萌生。圖5(d)為裂紋擴展區(qū)宏觀形貌，由于多個疲勞源可能不在一個平面上，擴展連接會形成臺階，因而該區(qū)域斷口表面比較粗糙。圖5(e)為疲勞擴展區(qū)的微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)除了撕裂脊以外，有許多相互平行的疲勞條紋，尤其是在大塊鈷基體上出現(xiàn)了密集的平行條帶。至于疲勞條帶的不連續(xù)性可能要歸因于鈷基體被碳化物相所分隔，因此只能在局部鈷基體聚集處呈現(xiàn)。圖5(f)為瞬斷區(qū)微觀形貌，其占據(jù)了斷口總面積的2/3以上，其高倍SEM特征與無缺口光滑試樣類似。

圖5 直缺口疲勞斷口形貌

圖6為直缺口疲勞卸載試樣側(cè)面缺口前的裂紋形貌。圖6(a)為缺口疲勞卸載試樣側(cè)面缺口下方的裂紋宏觀SEM照片，裂紋整體較為平直，只在裂紋尖端發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，B,C分別指向裂紋中段和裂紋尖端位置,其微觀形貌如圖6(b),(c)所示。圖6(b)為裂紋中段擴展路徑，可以發(fā)現(xiàn)裂紋多沿碳化物穿晶或沿晶擴展，碳化物間的裂紋擴展較少。圖6(c)為裂紋尖端形貌，該處裂紋發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，擴展過程中遇到碳化物硬質(zhì)相也多以穿晶形式通過。以上觀察結(jié)果與斷口上的現(xiàn)象一致。

圖6 直缺口疲勞卸載試樣側(cè)面缺口前的裂紋

圖7 裂紋擴展過程示意圖

2.3 斷裂過程

該鈷基合金的兩種疲勞試樣斷裂過程存在很大的相似性，其疲勞斷裂過程如圖7所示，首先在試樣高應(yīng)力區(qū)近表面存在碳化物聚集如圖4(b),5(b)所示，試樣在經(jīng)受三點彎曲過程中時，由于硬質(zhì)相韌性較差，變形程度低，且容易引起應(yīng)力集中效應(yīng)，因此其容易先發(fā)生脆斷形成微裂紋。隨著相鄰碳化物的相繼脆斷，微裂紋逐漸增大，形成疲勞裂紋源如圖7(a)所示。此時碳化物周圍的鈷相由于疲勞載荷的作用已部分發(fā)生了fcc→hcp的晶型轉(zhuǎn)變，韌性下降，增加了脆斷的可能性，不利于抑制裂紋的早期擴展，裂紋發(fā)生極小的擴展后便達到了臨界裂紋長度，如圖7(b)所示。之后裂紋發(fā)生失穩(wěn)性擴展，瞬間貫穿整個試樣，如圖7(c)所示。同時由于裂紋擴展較為迅速，碳化物尺寸又相對較小，裂紋擴展路徑較為平直，經(jīng)過碳化物時，裂紋也極少發(fā)生偏轉(zhuǎn)，多表現(xiàn)為穿晶裂紋擴展形式。

3 結(jié)論

(1)無缺口光滑試樣的疲勞敏感性為397，疲勞極限為545 MPa，為原始抗彎強度1552 MPa的25.4%；直缺口試樣的疲勞敏感性為31，疲勞極限約為101 MPa，為其對應(yīng)抗彎強度517.6 MPa的19.1%。

(2)對于直缺口試樣來說，疲勞裂紋除了萌生在試樣近表層碳化物的聚集處外，缺口處尖端的表面缺陷也容易引發(fā)疲勞裂紋萌生。兩種試樣斷口上裂紋的擴展路徑多表現(xiàn)為碳化物的穿晶斷裂以及鈷基體和碳化物的沿晶斷裂，同時發(fā)現(xiàn)碳化物間的裂紋擴展較少。

(3)對比靜載以及疲勞斷口可以發(fā)現(xiàn)，兩者具有很大的相似性，但也有顯著的差異，鈷基體在R=0.1的疲勞載荷作用下，會部分發(fā)生馬氏體相變，導(dǎo)致材料的韌性有所降低，整體雖表現(xiàn)出一定的韌性呈現(xiàn)出較多的撕裂脊等特征，但也表現(xiàn)出一定的脆性斷裂模式，因此疲勞裂紋擴展模式應(yīng)為真疲勞與靜態(tài)疲勞的混合模式。同時，不同于無缺口光滑試樣，直缺口試樣的斷口上可以發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋擴展區(qū)域，并可觀察到疲勞條紋。