WC_钢基复合材料断裂韧性与断口形貌特征

收稿日期:1998-08-29 第一作者:男,1946年生,硕士,教授*甘肃省自然科学基金资助项目

WC -钢基复合材料断裂韧性与断口形貌特征*

杨瑞成　王军民　车　骥

(甘肃工业大学材料工程系,兰州　730050)

摘　要　采用单边切口梁法(SENB)测试了12种工艺状态的WC 增强钢基复合材料的断裂韧性K c ,并用扫描电镜观察了其断口形貌.试验表明SENB 法对于WC-钢基合金的断裂韧性测试适用可行,数据稳定.研究发现数量众多(40%左右)的硬质相对材料的断裂韧性起决定性作用,细化硬质相及加强硬质相-基体交互作用有利于材料断裂韧性的提高.断口的主要特征为WC 解理、基体准解理及部分分散韧窝和韧窝带.

关键词　复合材料　断裂韧性　断口　WC 硬质相　钢基体

分类号　TG407

碳化物-钢基复合材料已成为一种新型工程材料,不仅在机械工程,而且在其它行业如冶金、矿山和能源等行业,展示了其广阔的应用前景.作为一种能承受繁重负荷、高磨损工况的特殊结构材料,其常规力学性能已有较多研究[1～3],但是关于断裂韧性及断口形貌的报道甚少[4～5].究其原因,一般认为此类材料介于钢铁材料与陶瓷材料之间.钢铁材料的断裂韧性测试早已成熟,常用三点弯曲及紧凑拉伸的试验方法;陶瓷材料则鉴于其高脆性及工程需求,其不同于塑性材料(如软钢)的断裂韧性测试方法正在研究之中[6～8].碳化物-钢基复合材料从化学组成及制作方法上,更近于陶瓷材料,但目前尚无公认的、可靠的断裂韧性试验方法.本文结合材料性质,通过分析对比,尝试用单边切口梁法(SENB )[6]测试并考察了不同状态下WC -钢基复合材料的断裂韧性,以及扫描电镜下的断口微观形貌特征.

1　实验方法

1.1　材料和试样

试验材料为WC-CrNiMo 钢基合金,WC 粒子为硬质相,中碳CrN iMo 合金为基体相,WC 粒子约占35%～45%.此类材料是将原料混粉,经特殊工艺烧结成型(烧结态),有的再锻造(锻打态),然后经不同工艺的热处理,加工成40mm ×8mm ×4mm 的扁平试样,横向一侧用<0.11的钼丝线切割,开一定深度的切口.

1.2　材料的工艺及热处理状态

试样淬火温度和回火温度分别为960℃,1000℃,1040℃和200℃,250℃,300℃,原始状态为烧结态和锻打退火态,共12种工艺状态.

第24卷第4期

1998年12月甘　肃　工　业　大　学　学　报Journal of Gansu University of Technology Vol.24No.4Dec.1998

1.3　材料力学性能试验及微观分析

用日本产SHIMADZU AG -10TA 型万能程序试验机进行三点弯曲(3PB )加载,跨距为32.12mm,加载速度为0.1mm/min.试验机自动记录载荷-位移曲线,每种工艺状态的断裂韧性试验值取3个试样结果的平均值,试样的具体切口深度在压断后用万能工具显微镜测量,取3个位置的平均值.在S-520扫描电镜下观察其断口形貌,用MeF3作金相组织分析.2　试验结果

2.1　SENB 法断裂韧性的测试结果

通过3PB 测得的断裂负荷值p ,支点跨距s ,试样宽度b ,厚度d 以及切口深度h 的数值,便可用下列幂级数近似公式[5],求得材料的断裂韧性值:

K c =3ps 2db 2h [1.93- 3.07(h /b )+14.53(h /b )2-25.07(h /b )+25.80(h /b )4]

几个参数应满足h /b =0.4～0.6,b /s =1/4以及d =b /2的关系.实验数据经整理如图1～3所示,分别为各种工艺状态的断裂韧性值.不同工艺状态断裂韧性的试验结果的变化幅度并不大

.

图1　烧结态淬火温度与断裂韧性 的关系(均200℃2h 回火)　图2　锻造态淬火(4～6)与淬 回火处理的断裂韧性 图3　断裂韧性与回火温度的关 系(1000℃淬火,锻打态)

2.2　SEM 断口分析

典型断口图片见图4～7.各种状态的断口形貌总体特征为WC 解理+基体准解理+部分韧窝或韧窝带,以及某些状态的部分沿晶.不同状态的断口特征有一定差异,各种特征的比例也有所不同.

3　分析与讨论

3.1　WC -钢基复合材料SENB 测试值的适用性与稳定性

传统断裂韧性试样上预制疲劳纹,多用于钢铁材料.裂纹与缺口既有联系,也有区别,可以认为裂纹是无限尖锐的缺口.对于脆性材料,预制裂纹极端困难,因此,非裂纹试样的断韧测试近年得到重视[6].当然,两类断裂韧性值存在如何对应的问题.本试验中试样切口实际宽度为<0.13mm,应属于比较尖锐的缺口;3PB 加载时,切口端部的前沿建立起高度集中的三向应力状态,试验中整个负荷-位移曲线均显示处于弹性变形阶段,宏观断面皆为平断口,无任何塑性变形的痕迹.而且断口的微观形貌也呈现出整体脆性的特征.因此,可以认为本试验WC -钢基合金的SENB 试验值是这种材料平面应变断裂韧性的一种表征.

・24・甘肃工业大学学报 第24卷

图4　烧结态经960℃淬火200℃ 回火的SENB 断口　600× 图5　锻造态经960℃淬火200℃回火的SENB 断口　1200

×

图6　锻造态经1000℃淬火300℃回火的SENB 断口　1200× 图7　锻造退火态的SENB 断口　1200×

另一方面,作为所采用的一种断裂韧性的测试方法,显然数据的分散性是一项重要特性.本试验材料各种工艺状态的3个SENB 测试值的偏差很小.这不仅说明本工作实验结果的可靠性,更说明SENB 法对于WC -钢基复合材料断裂韧性测试的适用性.

此外,在本试验的方案设计中,除SENB 法外,还打算采用另外两种方法加以对比.其一就是维氏硬度压痕法(IM),它简便、快捷.采用半经验公式计算断裂韧性值,是陶瓷材料目前

普遍采用的方法之一[6].然而,在本试验材料的磨光表面上虽然施加了各种维氏负荷,但压痕周围未曾引发出微裂纹,因此压痕法对于这种材料失效,这显然是由于大量强韧钢基体存在的缘故.还有一种用于脆性材料的山形(Chevron)切口法[7～8],但加工难度太大,难以保证尺寸精

・25・第4期 杨瑞成等:WC -钢基复合材料断裂韧性与断口形貌特征