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減速機網 硬質合金抗彎強度及其分散性的研究 減速機網
來源：減速機信息網    時間：2008-5-14 9:36:58　　責任編輯：lihongwei  
　　1 引言 硬質合金具有硬度高、耐磨性好等特點，是機械、冶金、礦山開采、石油鉆探、化工、紡織、軍工等行業(yè)不可缺少的工具材料。由于硬質合金材料脆性較大，因此開發(fā)應用時對其抗彎強度的研究非常重要。大量研究表明，硬質合金的抗彎強度與材料中碳化物和粘結相的種類、含量和粒度、合金的含碳量、燒結工藝、熱處理工藝、組織缺陷(如空洞、粗大碳化物、粘結相池、夾雜物等)以及試樣的表面狀態(tài)和殘余應力等因素密切相關。有關研究發(fā)現，脆性較大的材料具有較大的強度分散性，但關于硬質合金抗彎強度分散性的研究尚未見報道。筆者通過抗彎強度試驗，對WC的粒度和粒度均勻性對硬質合金抗彎強度及其分散性的影響進行了研究。

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圖1 硬質合金平均抗彎強度與WC顆粒平均尺寸的關系

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圖2 硬質合金平均抗彎強度與WC顆粒均勻性的關系

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圖3 不同WC粒度的硬質合金抗彎強度Weibull曲線

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圖4 不同WC顆粒均勻性的硬質合金抗彎強度Weibull曲線

　　2 抗彎強度試驗 試驗材料 材料成分：基體為WC，粘結相為Co(8wt%)。 試樣尺寸：5.25mm×6.5mm×20mm。 試驗參數 在WB-100 型萬能試驗機上測定硬質合金的抗彎強度，測試跨距為14.5±0.5mm，十字頭加力速度為200N/min。 3 試驗結果與分析 WC顆粒平均尺寸對硬質合金抗彎強度的影響 通過試驗得到該硬質合金的平均抗彎強度sm與WC顆粒平均尺寸d的關系見圖1。由圖可見，該硬質合金的平均抗彎強度隨WC顆粒平均尺寸的減小而升高。 WC顆粒均勻性對硬質合金抗彎強度的影響 通過試驗得到硬質合金中WC顆粒均勻性對硬質合金抗彎強度的影響見圖2。由圖可見，該硬質合金的平均抗彎強度隨WC顆粒均勻性變好(WC顆粒欠均勻→存在個別大顆�！鶺C顆粒均勻)而升高。 Weibull統(tǒng)計分析 為了分析脆性材料強度的分散性，ASTM標準推薦使用Weibull統(tǒng)計方法來分析先進陶瓷材料的單軸強度以及復合材料強度。因此，我們引入兩參數Weibull分布函數對本試驗中硬質合金抗彎強度的分散性進行分析。 Weibull分布函數為
P(s)=1-exp[-( s )3]
 
s0
 (1)
式中，P(s)為材料在所施加彎曲應力s下的失效概率；s0為尺度參數；m 為Weibull模量(m 值越大，材料強度的分散性越小，反之亦然)。通過數學變換，式(1)可改寫為
ln{ln[1/(1-P(s))]}=mlns-mlns0 (2)
若以ln{ln[1/(1-P(s))]}為縱坐標，lns為橫坐標，則可得到二者的關系曲線。用最小二乘法將ln{ln[1/(1-P(s))]}與lns 的關系擬合成直線，該直線的斜率即為Weibull模量。圖3和圖4為根據式(2)重新處理后的Weibull曲線；該硬質合金抗彎強度的Weibull模量m見下表。 由表可知，該硬質合金抗彎強度的Weibull模量隨WC顆粒平均尺寸的增大而增大，隨WC顆粒均勻性變好而增大。說明WC顆粒的尺寸越大，其抗彎強度的分散性越小；WC顆粒越均勻，其抗彎強度的分散性也越小。 日本學者鈴木壽曾導出WC-Co硬質合金的抗彎強度sm滿足公式
sm={830/[1+2(a/8.5×10-3)½]}[t/(t-2∆t)][l/(l-2∆l] (3)
式中，2a為近橢圓狀缺陷的長徑；t和l分別為試樣厚度和三點彎曲試驗中的跨距長度；∆t和∆l分別為裂紋源距拉伸表面的距離和裂紋源距跨距中心的距離。 由式(3)可知，硬質合金的抗彎強度不但與缺陷(空洞、大顆粒WC和Co池)的大小有關，而且與缺陷的分布情況有關。在本試驗條件下，裂紋源主要為大顆粒WC，因此大顆粒WC的尺寸及分布情況決定了該硬質合金的抗彎強度及其分散性。由式(3)還可看出sm與a呈相反方向變化的關系，這就解釋了彎曲試驗中WC顆粒平均尺寸d增大引起抗彎強度sm下降的變化趨勢。根據Weibull脆性斷裂統(tǒng)計理論，如果一顆大尺寸WC顆粒的開裂導致了整個硬質合金試樣的最后斷裂，則在三點彎曲試樣的張應力區(qū)找到引起脆性斷裂的大顆粒WC的幾率越大(WC顆粒越不均勻，該幾率就越大)，其抗彎強度也就越低。這一結論與試驗結果一致�？梢郧宄乜吹�，硬質合金材料粒度的均勻性越差，在引起開裂的張應力區(qū)中找到大顆粒WC的幾率的差別就越大，抗彎強度的分散性也就越大；這也表明WC顆粒越小、粒度越不均勻，其抗彎強度的分散性越大。 表  硬質合金抗彎強度的Weibull模量 WC顆粒平均尺寸 WC顆粒均勻性2.25µm 2.47µm 2.60µm 均勻中等均勻欠均勻
12.2 15.8 16.9 13.4 13.0 12.0
　　4 結論根據試驗結果和理論分析，可得出如下結論： 硬質合金抗彎強度的平均值隨WC顆粒平均尺寸的減小而增大，但抗彎強度的分散性也隨之增大。 硬質合金抗彎強度的平均值隨WC粒度的均勻性變好而增大，且抗彎強度的分散性隨之減小。
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