HfC顆粒對(duì)WC/Co復(fù)合材料裂紋萌生和擴(kuò)展行為的影響

顏新宇, 王守仁, 溫道勝, 王高琦, 劉文濤

(濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250022)

WC硬質(zhì)合金以WC顆粒為硬質(zhì)相,以Co粘結(jié)劑為軟質(zhì)相,形成WC/Co復(fù)合材料,具有抗壓強(qiáng)度高、耐磨性好、彈性模量高、耐腐蝕性能好、硬度高、尺寸穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn),在切削刀具、噴嘴和機(jī)械耐磨件制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。但因其本質(zhì)脆性,大大限制了其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展,因此,需要深入探索其裂紋萌生與擴(kuò)展的機(jī)理,以期改善WC硬質(zhì)合金復(fù)合材料的斷裂韌性。

在硬質(zhì)合金中添加顆粒[3]、晶須[4]、纖維[5]等增強(qiáng)體,可增加裂紋尖端屏蔽區(qū)裂紋擴(kuò)展能量釋放率,提高裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值,改變裂紋擴(kuò)展路徑,從而提高硬質(zhì)合金的斷裂韌性。其中,顆粒增韌是一種有效的方法,有眾多研究學(xué)者在WC硬質(zhì)合金中添加不同碳化物顆粒來提高裂紋萌生和擴(kuò)展的阻力,發(fā)揮其有效增韌的作用,如Zheng和Lei等[6-7]在WC硬質(zhì)合金中添加Cr3C2和VC,研究了致密度和晶粒大小對(duì)材料硬度和斷裂韌性的影響;Su和Nino等[8-9]在WC/Co復(fù)合材料中添加TaC或ZrC 和 SiC,發(fā)現(xiàn)TaC或ZrC和SiC可以改變粘結(jié)劑的流動(dòng)性,從而改變裂紋擴(kuò)展路徑,因此提高材料韌性;Siwak等[10]對(duì)比添加Cr3C2和TaC的2種WC/Co復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)在抑制晶粒長大,提高裂紋擴(kuò)展路徑長度, Cr3C2具有比TaC更好的效果;高姣姣等[11]在WC/Co復(fù)合材料中加入TiC,發(fā)現(xiàn)當(dāng)TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí),材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性有最大值,復(fù)合材料的增韌機(jī)理為細(xì)晶增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)和韌窩增韌等,韓和鄭等[12-13]通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的VC和Cr3C2,發(fā)現(xiàn)VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% 和Cr3C2與VC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.73%的WC/Co復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)較緊湊,空隙裂紋較少,材料質(zhì)量較好;Zhou等[14]通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NbC,發(fā)現(xiàn)NbC對(duì)粘結(jié)劑的固體強(qiáng)化作用造成(W,Nb)C固溶體中的穿晶裂紋增多,提高了裂紋擴(kuò)展能量釋放率,從而提高了斷裂韌性。但是,裂紋萌生與擴(kuò)展的機(jī)理還沒有徹底澄清,還需要尋求更有效的增強(qiáng)體來改善其脆性。前期研究發(fā)現(xiàn),HfC可能是一種較為理想的WC硬質(zhì)合金的顆粒增強(qiáng)材料。HfC具有NaCl型面心立方晶格結(jié)構(gòu)(在Hf-C系中只存在一種立方相),具有高熔點(diǎn)、高彈性模量、良好的熱傳導(dǎo)性、小的熱膨脹系數(shù)(6.6×10-6/℃)、高的硬度(26.1 Gpa)和好的沖擊性能等特點(diǎn)[15],從室溫到熔點(diǎn)范圍內(nèi)具有極強(qiáng)的相穩(wěn)定性,與WC相容性較好,可改變Co粘結(jié)劑的狀態(tài),改變裂紋在軟質(zhì)Co粘結(jié)劑和硬質(zhì)WC顆粒中的擴(kuò)展路徑,有效提高材料硬度、強(qiáng)度和韌性[16],目前還尚未發(fā)現(xiàn)有利用HfC顆粒增強(qiáng)增韌WC/Co復(fù)合材料的文獻(xiàn)報(bào)道,其增韌理論中的裂紋萌生與擴(kuò)展機(jī)理有待于深入探討。

因此,本文在WC/Co復(fù)合材料基體中添加HfC硬質(zhì)相,基于裂紋擴(kuò)展能量釋放計(jì)算公式,構(gòu)建裂紋擴(kuò)展方式與能量釋放率數(shù)學(xué)模型,探討裂紋直行、裂紋分叉與裂紋偏轉(zhuǎn)3種裂紋擴(kuò)展方式與應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的關(guān)系,利用ABAQUS有限元軟件分析裂紋在裂紋直行、裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋分叉和裂紋釘扎等情況下的應(yīng)力分布情況,以期揭示HfC對(duì)WC/Co硬質(zhì)合金裂紋擴(kuò)展阻力行為的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 復(fù)合材料試樣制備

實(shí)驗(yàn)的基體材料為WC,粘結(jié)劑為Co,牌號(hào)為YG8;在基體中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HfC增強(qiáng)相,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0% ,0.5%,1.0%,1.5%,2%,2.5%。首先,將基體和添加材料按質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比進(jìn)行計(jì)算,在電子分析天平上稱量后放入行星磨機(jī)的瑪瑙罐中進(jìn)行球磨,球磨前球磨罐抽真空后充入氬氣,氬氣濃度為0.075 MPa,球磨時(shí)間為6 h,轉(zhuǎn)速為360 r/min,球料比為5∶1,其次,將上述球磨好的材料放入如圖1所示的模具中進(jìn)行冷壓,冷壓壓強(qiáng)為100 MPa,加壓

圖1 冷壓成型裝模示意圖

速率為3 mm/min,保壓時(shí)間為120 s;最后,將冷壓成型后的試樣放入石墨模具中,在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié),先以升溫速率為10℃/min升溫到800℃,保溫30 min,再以5℃/min升溫到1 400℃,加壓32 MPa,保壓10 min,然后卸壓保溫30 min隨爐冷卻。將冷卻至室溫的試樣進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、精磨、拋光、超聲清洗、干燥等處理后進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。

1.2 力學(xué)性能測(cè)試

將試件加工成3.0 mm×4.0 mm×25 mm的條形試塊及2.0 mm×4.0 mm×25 mm的單邊切口條試塊,采用三點(diǎn)彎曲法在跨度為20 mm的CMT 5105微控伺服萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲強(qiáng)度及斷裂韌性測(cè)試,其示意圖如圖2所示,實(shí)驗(yàn)加載速率為0.6 mm/min。每組測(cè)試10個(gè)試樣,并對(duì)結(jié)果取算術(shù)平均值;抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性的計(jì)算公式為[17]:

(1)

(2)

式中,σf為試樣的三點(diǎn)彎曲抗彎強(qiáng)度(MPa);KI為斷裂韌性值(MPa·m1/2);P為斷裂載荷(N);l為兩支撐輥?zhàn)又g的跨距(mm);b為試樣橫截面的寬度(mm);c為試樣橫截面的高度(mm);d為開口的高度(mm),當(dāng)測(cè)試抗彎強(qiáng)度時(shí),試樣沒有缺口,即d=0;Y為形狀系數(shù),Y=1.93-3.07d/b+14.53(d/b)3-25.11(d/b)2+25.08(d/b)4。

圖2 三點(diǎn)彎曲法測(cè)試示意圖

1.3 微觀組織表征

采用掃描電子顯微鏡SEM觀察試樣的微觀組織形貌;采用SEM懸掛的EDS能譜儀對(duì)組織物性進(jìn)行表征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性值繪制成曲線圖,如圖3所示,從圖中可以看出,添加HfC時(shí)明顯改變了復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性值,當(dāng)HfC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%,相比未添加HfC的試樣,復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別提高了27.57%和59.05%,隨著HfC的繼續(xù)加入,復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性值有下降趨勢(shì)。

圖3 復(fù)合材料在不同碳化鉿質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性值

圖4為復(fù)合材料的SEM形貌及EDS能譜表征分析。由圖4的1,2,3點(diǎn)的成分分析可以看出,HfC

圖4 復(fù)合材料燒結(jié)后磨面的SEM圖以及不同點(diǎn)的EDS分析

晶粒基本均勻分散在基體中,未出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。1點(diǎn)為HfC晶粒,形狀較不規(guī)則;2點(diǎn)為基體相WC顆粒,棱角較為分明;3點(diǎn)為粘結(jié)劑Co,粘結(jié)劑分布在基體和HfC晶粒間,起到有效粘結(jié)作用。

圖5復(fù)合材料的SEM斷面形貌,可以看出,未加入HfC的材料的韌窩特征較明顯,出現(xiàn)了較多白色較透明的撕裂棱,如圖5a)所示;而加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%HfC的復(fù)合材料則出現(xiàn)了較多顏色較深的解理斷裂面,如圖5b)所示;因此,材料的斷裂由原先得沿粘結(jié)劑Co斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯哟┻^WC解理面斷裂,這提高了裂紋擴(kuò)展的阻力,起到增強(qiáng)增韌作用,其裂紋擴(kuò)展阻力行為在后續(xù)分析與討論中要利用能量釋放率進(jìn)行深入分析。

圖5 復(fù)合材料斷面SEM圖

3 分析與討論

3.1 裂紋擴(kuò)展的能量釋放率模型

由于脆性材料I類裂紋與高脆性材料中的裂紋擴(kuò)展方式最為相似,且I類裂紋對(duì)材料的危害最大,故此以I類裂紋萌生擴(kuò)展理論為依據(jù)進(jìn)行分析,I類裂紋擴(kuò)展方式分為裂紋直行、裂紋分叉和裂紋偏轉(zhuǎn)3種模式,如圖6所示。

圖6 3種裂紋擴(kuò)展模型示意圖

因此,基于裂紋擴(kuò)展能量釋放的計(jì)算公式(3),分別構(gòu)建3種裂紋擴(kuò)展模式的裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子

G=(Jx)s→0cosα+(Jy)s→0sinα

(3)

(3)式中G表示裂紋擴(kuò)展釋放的能量,即能量釋放率,Jx表示促使裂紋沿x方向擴(kuò)展的能量,Jy表示促使裂紋沿y方向擴(kuò)展的能量,α表示裂紋擴(kuò)展方向與x軸的夾角,s表示裂紋尖端寬度。

當(dāng)裂紋擴(kuò)展方向垂直于拉力方向(即純I型裂紋)時(shí)[18],對(duì)于沿直線擴(kuò)展的裂紋有

(4)

Jyz=0

(5)

對(duì)于裂紋分叉的情況有

(6)

(7)

對(duì)于裂紋偏轉(zhuǎn)的情況有

(8)

(9)

式中,μ表示材料的泊松比,E表示材料的彈性模量,KI表示第I類裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子。

因此,裂紋直行、裂紋分叉、裂紋偏轉(zhuǎn)的能量釋放率表達(dá)式分別為

(10)

(11)

(12)

裂紋擴(kuò)展方向總是沿著能量釋放率最大的方向進(jìn)行,所以將(11)、(12)式進(jìn)行化簡可得

(13)

(14)

由(10)式、(13)式、(14)式可知,裂紋直行、裂紋分叉、裂紋偏轉(zhuǎn)的擴(kuò)展路徑分別是與x軸成0°,32.48°,32.48°,此時(shí),3種情況的最大能量釋放率分別為

(15)

(16)

(17)

因此,將(17)式進(jìn)行變形,得到應(yīng)力強(qiáng)度因子KI與能量釋放率G的函數(shù)關(guān)系

(18)

(19)

(20)

由能量釋放率與拉力、裂紋長度的關(guān)系可知[19]

G=12P2c2/(Ew2d3)

(21)

式中,P為對(duì)稱的恒定拉力,c為裂紋長度,d為試樣厚度,w為試樣寬度。將(21)式帶入(18)～(20)式,可得3種裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋長度之間關(guān)系。

(22)

(23)

(24)

由(22)～(24)式可得到應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋長度之間的關(guān)系,載荷P取400 N,試樣寬度w為12 mm,試樣厚度d為5 mm,泊松比μ為0.24,建立應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋長度關(guān)系圖如圖7所示。

圖7 應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋長度關(guān)系曲線

由圖7可以看出,當(dāng)裂紋長度相同時(shí),裂紋偏轉(zhuǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子最大,裂紋分叉的應(yīng)力強(qiáng)度因子其次,裂紋直行的應(yīng)力強(qiáng)度因子最小,且應(yīng)力強(qiáng)度因子的斜率從大到小依次是裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋分叉、裂紋直行、裂紋的斜率越大說明裂紋擴(kuò)展的阻力越大,即相較于裂紋直行,裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋分叉都可有效改善韌性。

如當(dāng)裂紋長度為200 μm時(shí),裂紋直行的應(yīng)力強(qiáng)度因子為4.01 MPa·m1/2,裂紋分叉的應(yīng)力強(qiáng)度因子為5.17 MPa·m1/2,裂紋偏轉(zhuǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子為7.37 MPa·m1/2;當(dāng)裂紋長度為400 μm時(shí),裂紋直行的應(yīng)力強(qiáng)度因子為8.03 MPa·m1/2,裂紋分叉的應(yīng)力強(qiáng)度因子為10.36 MPa·m1/2,裂紋偏轉(zhuǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子為14.75 MPa·m1/2。

3.2 有限元分析

采用有限元軟件ABAQUS對(duì)WC/Co復(fù)合材料以及添加HfC的WC/Co復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展阻力行為進(jìn)行分析,如圖8所示。設(shè)置WC/Co復(fù)合材料的彈性模量、泊松比及施加100 MPa垂直于裂紋擴(kuò)展方向的拉伸載荷,進(jìn)行求解,其中圖8a)圖為未加HfC的WC/Co復(fù)合材料的裂紋尖端應(yīng)力分布情況,此時(shí)裂紋沿直線擴(kuò)展,可清楚地看到裂紋尖端有明顯的應(yīng)力集中,在這種應(yīng)力集中的情況下,裂紋會(huì)沿著原來的路徑迅速向前擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展阻力較小;

添加HfC后,如圖8所示,WC/Co復(fù)合材料在裂紋擴(kuò)展過程中出現(xiàn)了裂紋分叉、裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋釘扎行為。對(duì)裂紋分叉、裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋釘扎行為的裂紋前端應(yīng)力進(jìn)行模擬仿真。從圖8b)可以看出,裂紋分叉前端的的應(yīng)力明顯降低,這主要是由于HfC和這些分叉的裂紋吸收了一部分裂紋擴(kuò)展的能量;而從圖8c)看出,應(yīng)力強(qiáng)度明顯比圖8a)要減輕很多,這主要是由于裂紋偏轉(zhuǎn)所吸收的能量要比裂紋直行吸收的能量要高的多,事實(shí)上,裂紋偏轉(zhuǎn)是許多材料增韌的前提條件[20];從圖8d)圖可以看出,應(yīng)力最大處主要集中在裂紋擴(kuò)展到彌散顆粒處,此時(shí)彌散顆粒可以很好地吸收裂紋尖端的裂紋擴(kuò)展能量,從而緩解了基體中的應(yīng)力集中,增加了裂紋擴(kuò)展阻力;實(shí)際上,釘扎屬于裂紋直行的一種特殊情況,其裂紋擴(kuò)展數(shù)學(xué)模型還有待于進(jìn)一步研究,這里沒有展開討論和分析。

綜上,由于HfC顆粒對(duì)裂紋尖端的屏蔽作用,使得不管是試驗(yàn)中發(fā)生的發(fā)生裂紋分叉(b)、裂紋偏轉(zhuǎn)(c),或者裂紋釘扎(d)都將緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此,裂紋尖端任何形式的能量耗散都將使得韌性提高。

圖8 裂紋尖端應(yīng)力分布圖

3.3 裂紋擴(kuò)展阻力行為的協(xié)同作用分析

HfC顆粒在基體WC中的分布導(dǎo)致不均勻的應(yīng)力場(chǎng)的產(chǎn)生,在不均勻的應(yīng)力場(chǎng)的誘導(dǎo)下,裂紋尖端會(huì)向著拉應(yīng)力較大或壓應(yīng)力較小的方向擴(kuò)展。

在復(fù)合材料中,粘結(jié)劑Co的熱膨脹遠(yuǎn)小于WC和HfC,因此粘結(jié)劑Co內(nèi)存在著較大的拉應(yīng)力,裂紋尖端會(huì)向著Co的方向擴(kuò)展(見圖9a)、圖9b)),造成裂紋偏轉(zhuǎn),裂紋偏轉(zhuǎn)增加了裂紋擴(kuò)展阻力和路徑,消耗了更多斷裂能,實(shí)際上,傳統(tǒng)WC/Co復(fù)合材料增韌時(shí),裂紋擴(kuò)展路徑主要為裂紋偏轉(zhuǎn)[21-22];若裂紋尖端存在2個(gè)大小相當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力,裂紋將可能發(fā)生分叉(見圖9c)、圖9d)),而發(fā)生分叉的裂紋通常只有一條主裂紋,其余的次裂紋通常會(huì)隨著斷裂能的逐漸減小而停止擴(kuò)展,這些次裂紋會(huì)增加裂紋擴(kuò)展路徑,消耗更多能量,從而增加材料韌性;由相鄰顆粒熱膨脹的微小失配會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力,在殘余應(yīng)力的影響下,HfC顆粒內(nèi)部存在較大的徑向壓應(yīng)力,顆粒越大,壓應(yīng)力越明顯,裂紋尖端在穿過HfC顆粒向前擴(kuò)展的過程中,會(huì)損失大量能量,造成裂紋停止擴(kuò)展,產(chǎn)生釘扎。若裂紋擴(kuò)展能量足夠大,則裂紋尖端在穿過HfC后,會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展形成穿晶斷裂(見圖9e)、圖9f))。

綜上所述,HfC的加入在裂紋失穩(wěn)和擴(kuò)展時(shí)改變了裂紋擴(kuò)展的路徑,如圖10所示,通過裂紋分叉、裂紋偏轉(zhuǎn)、穿晶斷裂和釘扎4種方式耗散了裂紋擴(kuò)展能量,增加了裂紋擴(kuò)展阻力,從而提高了材料韌性。

圖9 復(fù)合材料試樣裂紋擴(kuò)展的SEM圖及裂紋擴(kuò)展方式示意圖

圖10 裂紋擴(kuò)展路徑示意圖

4 結(jié) 論

1) 構(gòu)建了裂紋直行、裂紋分叉和裂紋偏轉(zhuǎn)3種裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋長度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型:

對(duì)3種裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋長度的關(guān)系進(jìn)行理論分析。

2) HfC在基體中均勻分布,通過裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋分叉、釘扎及穿晶斷裂等多種機(jī)制協(xié)同作用,耗散了裂紋擴(kuò)展能量,增加了裂紋擴(kuò)展阻力,共同增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度及斷裂韌性。