应力比对WC-Co硬质合金疲劳性能的影响*

陈振华，黄瑞明，陈鼎†，张忠健，徐涛

(1.湖南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410082;2.硬质合金国家重点实验室，湖南 株洲，412000)



应力比对WC-Co硬质合金疲劳性能的影响*

陈振华1,2，黄瑞明1，陈鼎1†，张忠健2，徐涛2

(1.湖南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410082;2.硬质合金国家重点实验室，湖南 株洲，412000)

采用三点弯曲疲劳法，研究了不同粘结相含量以及粘结相成分的硬质合金在两种不同应力比(R=0.1和R=0.5)加载时的疲劳行为，并结合SEM对疲劳机理进行了分析.结果表明：硬质合金疲劳断裂过程同时存在脆性断裂和韧性断裂.在两种应力比疲劳加载时都发现，增加钴含量，合金的疲劳敏感性先减小后增大，添加 Ni和Cr能降低合金的疲劳敏感性.大应力比疲劳加载时，粘结相疲劳断裂过程由脆性断裂向韧性断裂转变.增大应力比对合金的疲劳敏感性也有影响.

硬质合金；应力比；疲劳；粘结相

硬质合金被称为工业的牙齿，是现代工业部门和新技术领域不可缺少的工具材料和结构材料，然而硬质合金的断裂失效一直制约其应用发展，疲劳是导致硬质合金断裂的主要原因[1-3].除材料的化学成分及显微结构外，材料所处的实验或服役条件，如温度、环境、频率、应力比等因素都会影响疲劳性能.针对应力比(R=σmin/σmax)对硬质合金疲劳性能的影响已有一些研究，但主要集中在裂纹扩展方面，Hirose等[4]研究发现随着应力比的增加，硬质合金会出现从脆性断裂向韧性断裂的转变，Co相中马氏体相变量与疲劳裂纹扩展特性密切相关.Ishihara等[5]在研究一种金属陶瓷应力比对疲劳裂纹的扩展速率的影响时也发现，随着应力比的增加，Paris指数增加，当裂纹扩展速率较快时只与Kmax有关；当裂纹扩展速率较慢时，Kmax不再是决定性的因素，裂纹扩展曲线却与应力比有很好的相关性，显示出金属特征.然而目前并没有发现系统的关于硬质合金在不同应力比时疲劳S-N曲线的研究.

对于硬质合金而言，由于其固有缺陷导致疲劳裂纹萌生的时间占据了疲劳过程的绝大部分，因此S-N曲线对于硬质合金的疲劳研究更加具有实际意义[6].本文系统地研究了不同应力比对不同粘结相含量以及成分的硬质合金三点弯曲疲劳性能的影响.

1 实验材料

实验材料采用株洲硬质合金集团有限公司生产的WC-Co系硬质合金，各组试样的成分及WC晶粒度如表1所示.

表1 试样成分与WC晶粒度Tab.1 The compositions and the grain size of cemented carbides

2 实验方法

2.1 抗弯强度试验

硬质合金的抗弯强度试验方法按照GB/T3851-1983进行.

2.2 三点弯曲疲劳试验

三点弯曲疲劳试验在Letry 微机控制电液伺服疲劳试验机上进行，试样尺寸为3 mm×3 mm×30 mm，跨距为25 mm，疲劳加载方式为正弦波加载，频率为6 Hz.循环应力从略低于抗弯强度值开始，逐级降低应力加载，得到四种合金的S-N曲线，由于硬质合金S-N曲线不存在平坦区且呈线性关系[7-8]，本文定义1×107次断裂时对应的应力为疲劳极限，通过线性拟合后由外推法得到不同应力比下四种合金的疲劳极限.

采用FEI QUANTA-200扫描电镜对试样断口进行观察.

3 实验结果与分析

3.1 抗弯强度结果与分析

表2为四种硬质合金的抗弯强度值.由表2可知，当钴含量(质量分数)由8%增加至30%时，硬质合金的抗弯强度先增大后减小，当钴含量(质量分数)为15%时抗弯强度最大达2 849 MPa，这与硬质合金著名的克列梅尔断裂理论[8]中抗弯强度的最大值在钴含量(质量分数)为10%～20%范围内的结论是对应的.而粘结相成分不同但钴含量(质量分数)相同的合金，抗弯强度相差不大.

表2 硬质合金的抗弯强度值Tab.2 The blend strength of cemented carbides

3.2 硬质合金不同应力比疲劳结果与分析

3.2.1 Co含量对硬质合金疲劳性能影响

在硬质合金疲劳性能的研究中， S-N曲线斜率的绝对值常用来表征疲劳敏感性，斜率的绝对值越小，疲劳敏感性也就越小，硬质合金抵抗疲劳裂纹扩展能力越强[9-16].图1为不同应力比条件下不同钴含量的硬质合金三点弯曲S-N曲线图.从图1可知，A，B，C三种硬质合金都显示出明显的疲劳现象，即随着应力增加疲劳寿命显著下降.在高应力时疲劳寿命主要与自身的弯曲强度相关，弯曲强度越大疲劳寿命越高.随着应力的降低，合金的疲劳寿命呈直线下降，疲劳寿命不仅与弯曲强度有关，还与钴含量以及应力比有关.

图1 不同Co含量的硬质合金的三点弯曲 疲劳S-N曲线Fig.1 S-N Curves of cemented carbides with different Co binder content

疲劳敏感性(S-N曲线斜率的绝对值)以及疲劳极限如表3所示.由表3可知，当应力比R=0.1时，A，B，C三种合金的疲劳敏感性分别为191，172以及240，疲劳极限分别为805 MPa，1 244 MPa以及707 MPa，随着钴含量的增加硬质合金的疲劳敏感性先减小后增大，而疲劳极限先增大后减小.这与Sailer[16]关于细晶硬质合金疲劳性能的研究结果相一致.当应力比R=0.5时，随着钴含量的增加，合金的疲劳敏感性以及疲劳极限的变化规律与R=0.1时类似.但是当R=0.5时，A，B，C三种合金疲劳敏感性都小于R=0.1时，而高钴硬质合金的疲劳敏感性减小幅度大于低钴合金，例如当R=0.5时高钴C合金的疲劳敏感性为195，比R=0.1时小45，而低钴A合金仅减小14.

表3 不同钴含量硬质合金的疲劳敏感性与疲劳极限值Tab.3 The fatigue sensitivity and fatigue limit of cemented carbides with different Co binder content

为了探讨不同应力比疲劳加载时不同钴含量对合金疲劳性能的作用机理，本文选择不同应力比加载时疲劳寿命相差较大的高周疲劳(N>1×104)试样进行扫描电镜分析.图2为不同钴含量不同应力比疲劳加载后的高周疲劳断口SEM图.

图2(a)和图2(b)给出R=0.1时，A合金和B合金的高周疲劳断口SEM图.从图中可以看出，当R=0.1，Co含量为8%的A合金和钴含量为15%的B合金裂纹主要沿WC/WC，WC/Co界面扩展断裂，同时夹杂着少量的穿晶解离断裂，Co相虽然以脆性断裂为主，但仍可发现少量小而浅的韧窝，且B合金韧窝数量多于A合金.在疲劳载荷过程中由于亚临界裂纹在钴相中扩展导致钴相在发生塑性变形前断裂[9-10]，因此钴相呈脆性断裂.另一方面，钴相在疲劳裂纹尖端具有桥联增韧作用，导致合金抵抗疲劳裂纹扩展的能力增强.与A合金相比，B合金具有更多Co相产生韧性断裂，因此B合金的疲劳敏感性低于A合金.

图2(c)为高钴C合金(30% Co)在应力比R=0.1时的SEM图.从图中可以看出，C合金的WC晶粒更为完整，Co相附着在WC表面呈“台阶”形态，这种“台阶”形貌在A合金和B合金中未观察到，在C合金的SEM图中没有发现明显的韧窝形貌.Kursawe[17-18]研究结果表明“台阶”形貌是钴含量过高时，在疲劳过程中钴相发生大量的fcc-hcp相变所致，同时这种相变加快了亚临界裂纹的扩展，导致Co相发生脆性断裂，因此C合金断口形貌中未发现明显的韧窝形貌.由此可知，钴含量过高，合金的疲劳性能反而更差.

图2(d)～(f)为三种硬质合金在R=0.5加载的高周疲劳断口SEM图.从图中可以看出，三种合金WC的断裂方式与R=0.1时相似，裂纹也沿WC/WC，WC/Co界面扩展，同时存在少量的解离断裂以及穿晶断裂，因此在R=0.5时，随着钴含量的增加疲劳敏感性的变化与R=0.1时类似.而钴相断裂方式与R=0.1时差别较大，与图2(a)和图2(b)相比，从图2(d)与图2(e)可以看到当R=0.5时，A合金和B合金的韧窝形貌更加明显，且韧窝的数量增多的同时韧窝的深度也加深.图2(f)给出了R=0.5时C合金的SEM图，与R=0.1时C合金的断口形貌相比，可以看到“台阶”形貌明显减少，并出现明显的韧窝形貌.由于大应力比疲劳加载时，疲劳加载的方式更加接近静态加载，亚临界裂纹扩展减少，Co相更有效地起到桥联增韧的作用[19].从扫描电镜的结果分析也发现在大应力比疲劳加载时，Co相确实产生更多的韧性断裂，而与R=0.1时相比高钴合金变化特征更加明显.因此大应力比疲劳加载时硬质合金的疲劳敏感性小于小应力比，高Co合金有更多的Co起到桥联增韧作用，所以增大应力比时高Co合金疲劳敏感性减小幅度更大.

图2 不同Co含量硬质合金的高周疲劳SEM图(N≈ 1×105～3×105)Fig.2 The SEM of cemented carbides with different binder phase content(N≈1×105～3×105 cycles)

3.2.2 不同粘结剂对硬质合金疲劳性能影响

图3为不同粘结相成分的硬质合金S-N疲劳曲线.疲劳敏感性以及疲劳极限如表4所示.

图3 不同粘结相的硬质合金的三点弯曲 疲劳S-N曲线Fig.3 S-N curves of cemented carbides with different binder composition

经观察发现，在低周疲劳时粘结相的成分对合金的疲劳性能影响较小.而在高周疲劳时，当最大应力相同时D合金的疲劳寿命明显高于C合金，虽然两种合金的抗弯强度值相近(见表1)，但是D合金的疲劳极限值却更大.从表4可知，在两种应力比疲劳加载时，添加了Ni和Cr的D合金的疲劳敏感性都低于纯钴 C合金.Kammermeier[20]等人的研究也发现将Ni添加到CoFe硬质合金中可以提高合金的疲劳性能.当R=0.1时，D合金的疲劳敏感性为201，比C合金(240)小39，D合金的疲劳极限比C合金的疲劳极限高130 MPa.当R=0.5时D合金的疲劳敏感性为168，比C合金(195)小27，D合金的疲劳极限仅比C合金的疲劳极限高74 MPa，这表明在R=0.5时添加Ni和Cr对疲劳性能影响较小.

表4 不同粘结相硬质合金的疲劳敏感性与疲劳极限值Tab.4 The fatigue sensitivity and fatigue limit of cemented carbides with different binder composition

图4为D合金的EDS能谱分析.从图4的EDS结果可以看到，Cr和Ni是以固溶的形式存在于Co中.已有研究表明，循环载荷会加剧Co 相的马氏体相变， 往粘结相中加入Ni 能有效减少这种相变[21].图5(a)为R=0.1时D合金的高周疲劳SEM，与R=0.1时C合金的断口形貌相比(见图2(c))，可以发现Co相“台阶”断裂形貌比图2(c)少，这进一步说明用部分的Ni和Cr代替Co，确实可以抑制Co相fcc-hcp相转变，从而提高合金的疲劳性能，减少材料的疲劳敏感性.当R=0.5时，D合金的断口形貌(图5(b))与C合金(图2(f))差异性不大，都可以看到明显的韧窝，这是由于在大应力比加载时Co相更容易发生韧性断裂[19]，fcc-hcp相变较少，因此添加Ni和Cr对硬质合金疲劳性能影响不大.

图4 D合金的扫描能谱图Fig.4 SEM micrograph of grade D and results from EDS

(a) D合金R= 0.1 (b) D 合金R= 0.5图5 D合金的不同应力比疲劳加载SEM图(N≈ 1×105～3×105)Fig.5 The SEM of grade D under different stress ratios loading(N≈1×105～3×105 cycles)

4 结 论

1)钴相具有桥联增韧的作用，能增强硬质合金抵抗裂纹扩展的能力.而疲劳载荷时亚临界裂纹在钴相中扩展导致钴相发生脆性断裂，减小了合金抵抗裂纹扩展的能力.

2)在两种不同应力比载荷时都发现，随着钴含量的增加，合金的疲劳敏感性先增大后减小，用少量的Ni和Cr代替Co能减少马氏体相变，降低合金的疲劳敏感性.

3)大应力比疲劳载荷时硬质合金粘结相呈现出更多的韧性断裂特征，增大应力比，硬质合金疲劳敏感性降低，高钴合金疲劳敏感性减小程度大于低钴合金；含部分Ni和Cr的合金，在小应力比加载时疲劳敏感性低于纯Co合金，而大应力比加载时疲劳敏感性差异不大.

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Influence of Different Stress Ratios on Fatigue Behavior of WC-Co Cemented Carbides

CHEN Zhenhua1,2，HUANG Ruiming1，CHEN Ding1†，ZHANG Zhongjian2，XU Tao2

(1．College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China；2．State Key Laboratory of Cemented Carbide, Zhuzhou 412000, China)

The three-point bending fatigue behaviors of WC-Co cemented carbides with different binder phase content and composition under cyclic loading at two different stress ratios (R=0.1 andR=0.5) were investigated. The characterization of the fracture surfaces was carried out by using a scanning electron microscope (SEM), and the fatigue mechanism was also studied. The results show that the macroscopic fracture morphology exhibited brittle fracture and toughness fracture. With the increase of Co content, the fatigue sensitivity decreased firstly and then increased. Cemented carbides with complex binder phase (Co + Ni + Cr) exhibited lower fatigue sensitivity than that of pure Co cemented carbides. The fracture mechanism transformed from brittle to ductile at the stress ratio changing from 0.1 to 0.5. With the increase of the stress ratio, the fatigue sensitivity was changed.

cemented carbides；stress ratio；fatigue；binder phase

1674-2974(2017)06-0001-06

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.06.001

2016-02-25

硬质合金国家重点实验室项目(201403001), the Open Foundation of State Key Laboratory of Cemented Carbide (201403001).

陈振华(1945-),男，江苏溧阳人，湖南大学教授，博士生导师†通讯联系人，E-mail:chending@hnu.edu.cn

TB302.3

A