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
【摘 要】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.
【期刊名称】湖南大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2017(044)006 【总页数】6
【关键词】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.
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. 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.
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
应力比对WC-Co硬质合金疲劳性能的影响
