硬质合金抗弯强度及其分散性的研究

收稿日期:2002年3月硬质合金抗弯强度及其分散性的研究易　勇1　熊　继1,2　李　懿2　沈保罗1

　1四川大学　2自贡硬质合金股份有限责任公司

摘　要:用三点弯曲法测定了硬质合金的抗弯强度σm,用两参数Weibull统计法分析了σm的分散性。试验和分析结果表明:硬质合金的抗弯强度与材料中WC的粒度和粒度均匀性有关,σm的平均值随材料中WC颗粒平均尺寸d的增大而减小,随WC粒度均匀性变好而增大。

关键词:硬质合金,　抗弯强度,　WC粒度,　WC粒度均匀性,　Weibull模量

Study on B ending Strength and Its Dispersivity of Cemented C arbide

Y i Y ong　X iong Ji　Li Y i　et al

Abstract:The bending strength(σm)of the cemented carbide is determined by the three2points bending test and its disper2 sivity is analyzed with the tw o2parameters Weibull statistics.The results of experiments and analysis show that the mean bending strength(σm)of the cemented carbide is related to the particle size and uniformity of WC particles.The mean bending strength (σm)of the cemented carbide decreases with the increase of mean size(d)of WC particles and increases with betterment of the uniformity of WC particles.

K eyw ords:cemented carbide,　bending strength,　particle size of WC,　uniformity of WC particles,　Weibull m odulus

1　引言

硬质合金具有硬度高、耐磨性好等特点,是机械、冶金、矿山开采、石油钻探、化工、纺织、军工等行业不可缺少的工具材料。由于硬质合金材料脆性较大,因此开发应用时对其抗弯强度的研究非常重要。大量研究表明,硬质合金的抗弯强度与材料中碳化物和粘结相的种类、含量和粒度、合金的含碳量、烧结工艺、热处理工艺、组织缺陷(如空洞、粗大碳化物、粘结相池、夹杂物等)以及试样的表面状态和残余应力等因素密切相关[1～14]。有关研究发现,脆性较大的材料具有较大的强度分散性,但关于硬质合金抗弯强度分散性的研究尚未见报道。笔者通过抗弯强度试验,对WC的粒度和粒度均匀性对硬质合金抗弯强度及其分散性的影响进行了研究。

2　抗弯强度试验

(1)试验材料

材料成分:基体为WC,粘结相为C o(8wt%)。

试样尺寸:5.25mm×6.5mm×20mm。

(2)试验参数

在W B2100型万能试验机上测定硬质合金的抗弯强度,测试跨距为14.5±0.5mm,十字头加力速度为200N/min。 3　试验结果与分析

311　WC颗粒平均尺寸对硬质合金抗弯强度的影响

通过试验得到该硬质合金的平均抗弯强度σm 与WC颗粒平均尺寸d的关系见图1。由图可见,该硬质合金的平均抗弯强度随WC颗粒平均尺寸的减小而升高

。

图1　硬质合金平均抗弯强度与

WC颗粒平均尺寸的关系

312　WC颗粒均匀性对硬质合金抗弯强度的影响

通过试验得到硬质合金中WC颗粒均匀性对硬质合金抗弯强度的影响见图2。由图可见,该硬质合金的平均抗弯强度随WC颗粒均匀性变好(WC颗粒欠均匀→存在个别大颗粒→WC颗粒均匀)而升高。

313　Weibull统计分析

图2　硬质合金平均抗弯强度与

WC 颗粒均匀性的关系

为了分析脆性材料强度的分散性,AST M 标准推荐使用Weibull 统计方法来分析先进陶瓷材料的单轴强度以及复合材料强度[15～26]。因此,我们引入两参数Weibull 分布函数对本试验中硬质合金抗弯强度的分散性进行分析。

Weibull 分布函数为

P (σ

)=1-exp -

σ

σ0

m

(1)

式中,P (σ

)为材料在所施加弯曲应力σ下的失效概率;σ0为尺度参数;m 为Weibull 模量(m 值越大,材料强度的分散性越小,反之亦然)。

通过数学变换,式(1)可改写为

1n{1n 1/(1-P (σ))}=m 1n σ-m 1n σ0

(2)

若以ln{ln[1/(1-P (

σ

))]}为纵坐标,ln σ为横坐标,则可得到二者的关系曲线。用最小二乘法将

ln{ln[1/(1-P (σ

))]}与ln σ的关系拟合成直线,该直线的斜率即为Weibull 模量。图3和图4为根据

图3　不同WC 粒度的硬质合金

抗弯强度Weibull 曲线

图4　不同WC 颗粒均匀性的硬质

合金抗弯强度Weibull 曲线

式(2)重新处理后的Weibull 曲线;该硬质合金抗弯强度的Weibull 模量m 见表1。

由表1可知,该硬质合金抗弯强度的Weibull 模量随WC 颗粒平均尺寸的增大而增大,随WC 颗粒均匀性变好而增大。说明WC 颗粒的尺寸越大,其抗弯强度的分散性越小;WC 颗粒越均匀,其抗弯强度的分散性也越小。

日本学者铃木寿[8]曾导出WC 2C o 硬质合金的抗弯强度σm 满足公式

σm =[830/(1+2

a /815×10-3)][t /(t -2Δt )]

[l /(l -2Δl ]

(3)

式中,2a 为近椭圆状缺陷的长径;t 和l 分别为试样

厚度和三点弯曲试验中的跨距长度;Δt 和Δl 分别为裂纹源距拉伸表面的距离和裂纹源距跨距中心的距离。

由式(3)可知,硬质合金的抗弯强度不但与缺陷(空洞、大颗粒WC 和C o 池)的大小有关,而且与缺陷的分布情况有关。在本试验条件下,裂纹源主要为大颗粒WC ,因此大颗粒WC 的尺寸及分布情况决定了该硬质合金的抗弯强度及其分散性。由式(3)还可看出σm 与a 呈相反方向变化的关系,这就解释了弯曲试验中WC 颗粒平均尺寸d 增大引起抗弯强度σm 下降的变化趋势。根据Weibull 脆性断裂统计理论,如果一颗大尺寸WC

颗粒的开裂导致了整个硬质合金试样的最后断裂,

则在三点弯曲试样的张应力区找到引起脆性断裂的大颗粒WC 的几率越大(WC 颗粒越不均匀,该几率就越大),其抗弯强度也就越低。这一结论与试

表1　硬质合金抗弯强度的Weibull 模量

WC 颗粒平均尺寸

WC 颗粒均匀性

2125μm

2147μm

2160μm

均匀

中等均匀欠均匀1212

1518

1619131413101210