冷却介质对YG8硬质合金热疲劳性能的影响

摘 要： 采用V型缺口试样，研究了YG8硬质合金在10～650 ℃热循环下冷却介质分别为pH=5.2的盐酸溶液、pH=7.4水、pH=8.8的氢氧化钠溶液的热疲劳行为.通过扫描电镜和变焦体显微镜观察疲劳断口形貌和疲劳裂纹形貌，研究热疲劳裂纹形成与扩展机制.结果表明：冷却介质对热疲劳性能影响显著,同样循环次数下在pH=5.2的盐酸中冷却先出现裂纹，且扩展速率较快；pH=8.8的氢氧化钠溶液次之,水(pH=7.4)是三者中抗热疲劳性能最好；在中性介质中，裂纹的扩展方式主要为WC相缺少Co粘结相的粘接作用而不断被剥落产生微孔洞，随着微孔洞尺寸不断变大，相邻的孔洞将相连形成微裂纹，沿WC/Co相界面扩展，在腐蚀介质中，疲劳裂纹形成过程变得十分复杂，扩展方式主要为裂纹穿过腐蚀疲劳坑和通过大尺寸的团聚物扩展. 关键词： WCCo硬质合金；热疲劳；裂纹扩展；冷却介质

中图分类号：TB302.3 文献标识码：A

Effect of Different Quenching Agent on the Thermal Fatigue Crack Propagation Behavior of WC8Co Cemented Carbide

CHEN Zhenhua,SHI Yuanyuan， JIANG Yong

（College of Materials Science and Engineering, Hunan Univ, Changsha， Hunan 410082, China）

Abstract:The thermal fatigue crack propagation behavior of WC8Co cemented carbide in different quenching agents was investigated. The pH of the aqueous solutions varied between 5.2, 7.4 and 8.8. This study was in the temperature range of 650 ℃ to 10 ℃ by using Vnotch plate specimens.The results have shown that a corrosive environment has a strong influence on the thermal fatigue crack propagation behavior of the material test. Acidic and alkali environment can reduce the thermal fatigue crack initial life and increase the crack propagation rate. In addition, in the neutral environment, the thermal fatigue crack propagates along the WC / Co phase boundary, and in acidic and alkali environment, the crack propagates through the pits and the large size of the reunion things.

Key words:WCCo cemented carbides; thermal fatigue; crack extension; coolant medium

WCCo硬质合金以其高硬度和良好的韧性在刀具、模具、凿岩工具、顶锤和轧辊等领域获得应用[1-2].但是硬质合金的断裂一直困扰着其应用发展，疲劳是导致WCCo类硬质合金断裂的一个主要原因.

硬质合金制品在使用过程中常会受到周期性的温度变化而破坏制品.如硬质合金钻齿在地下工作时，齿头整体与地下岩石、土壤等很难一直处于良好的接触状态，并且地下情况复杂，使齿头与地下岩石接触不良区域甚至不接触区域增多，接触不良区域承受高的剪切应力和弯曲应力，这种应力状态在交变载荷作用下容易产生疲劳裂纹,并且，合金钻齿在工作过程中与地下物质相互冲击、摩擦生热同时合金钻齿又受到冷却介质的冷却作用，由此引起的合金冷热循环现象也会促使合金疲劳裂纹的产生[3-4］.

此外，腐蚀环境对裂纹的形成也有重要影响，如在岩石层中工作时，硬质合金一般还会受到腐蚀环境的作用而产生腐蚀疲劳.腐蚀疲劳现象早在1917年就已由Haigh 首先提出，后来Evans认为它是工程实践中的一个很重要问题.但是，腐蚀疲劳涉及物理、冶金、力学、化学等领域，影响因素繁多，描述其变化规律和理论模型还远远没有完善［5］.

本文采用耐冲击性能好的YG8硬质合金，研究其在不同的冷却介质中的热疲劳性能.

1 实验材料与方法

试验所用的材料为株洲硬质合金厂牌号为YG8的 WCCo硬质合金，其成分与性能如表1所示.

将试验所用的材料用电火花线切割，其形状与尺寸如图1所示.

热疲劳试样采用夏式V型缺口，用于研究热疲劳的裂纹扩展行为.为了消除表面划痕对裂纹萌生和扩展的影响，要预先进行机械抛光.试样循环加热设备为5 kW箱式电阻炉，加热温度为650 ℃，加热时间10 min，加热后淬入10 ℃的冷却介质中冷却，至此称为一个热循环周次.分别采用pH=5.2的盐酸溶液，水（pH=7.4），pH=8.8的氢氧化钠溶液进行冷却.待试样冷却后用金相砂纸轻轻磨去表面污迹，最后用自来水冲洗干净并吹干.然后用OLYMPUS SZX16变焦体显微镜观察试样表面疲劳裂纹形貌及长度.从N=5时开始测量裂纹长度，每循环5次就测量一次，直到裂纹停止扩展.测量时用测微尺测量3次取算术平均值.用FEI QUANTA200型扫描电镜对断口形貌进行观察.

2 结果与分析

2.1 热疲劳裂纹的萌生

通过观察可以看到热疲劳试样的两个面上都有许多条热疲劳裂纹萌生扩展，本实验只测量主裂纹（即V形缺口处最先形成的） 的长度与热循环次数的关系曲线.

图2为不同冷却介质下热疲劳裂纹长度与循环次数的关系曲线.裂纹亚扩展速率da/dN受裂纹尖端热应力场强度因子幅ΔK=YΔσ a 控制[6]， 二者关系满足paris 公式[7] da/dN=C(ΔK)n=C(YΔσ a )n, 式中σ为热应力；a为裂纹长度； N为热循环次数；C ,Y,n是有关常数.在亚稳扩展初期，一方面a增大，da/dN增大；另一方面，裂纹长度的增加，又引起局部约束比减小，使热应力松弛，da/dN降低.在一定范围内，这两种相反作用的效果抵消， 表现为da/dN近似等于常数.

由图2可知：虽然制备的热疲劳试样预留了V型缺口，造成热应力集中区域，降低合金的热疲劳抗力，但裂纹需要经过一定的循环次数后才能形成，即裂纹的形成有孕育期（我们称为热疲劳裂纹萌生孕育期N0）.一般规定，当缺口根部出现0.15 mm的裂纹时的循环次数作为孕育期[8].

由图2还可以看出在pH=5.2的盐酸溶液和在pH=8.8的氢氧化钠溶液中冷却比在水（pH=7.4）中冷却的N0和N小.这是由于合金在腐蚀环境和循环应力协调作用下产生了腐蚀疲劳.在腐蚀疲劳中，腐蚀介质的作用显著降低了裂纹的形成寿命，其中裂纹的形成寿命只占腐蚀疲劳总寿命的10%，裂纹的扩展占90%.在腐蚀介质中冷却主要以4种方式影响裂纹的形成过程：均匀腐蚀、局部腐蚀、钝化膜破裂和有害介质吸附，这些因素会导致滑移带、晶界及相界的早期开裂，因而腐蚀加速裂纹的形成降低疲劳寿命[5].

此外，pH值对疲劳寿命有很大影响.由图2可知，在pH=8.8下冷却比在pH=5.2下冷却的热循环次数多（即疲劳寿命长）.这是由于在一定的pH值范围内，pH值小时，H+离子浓度大， 促进阴极上氢去极化过程的进行， 而加速腐蚀和裂纹萌生.另一方面， 由于pH值的改变影响到金属表面膜的生成， 也直接影响腐蚀[9] .

2.2 热疲劳裂纹的扩展和表面裂纹形貌

图3所示为表面裂纹形貌.在热疲劳实验过程中，试样会承受着来自两方面的内应力，一是试样本身冷热循环造成的热应力；二是由于试样表面氧化膜与基体的热膨胀系数不同而造成的内应力.试样也正是在这两种应力作用下产生热疲劳破坏.由图3可以看出经一定次数的热循环后，测试试样中的主裂纹都起始于V形缺口，进而向前扩展.在热循环过程中，裂纹扩展时会发生偏转和弯曲.此外，在650 ℃→10 ℃热循环下，试样表面有一定的氧化现象，随循环次数的增加，试样表面会发生不断的氧化和氧化皮剥落的现象， 其中氧化皮剥落的主要原因是由于氧化膜与WC的热膨胀系数不同导致的内应力而造成的.由图3还可以看出腐蚀疲劳条件下，往往同时有多条疲劳裂纹形成.

3讨 论

3.1 冷却介质为水的热疲劳裂纹的形成与扩展

3.1.1 冷却介质为水的热疲劳裂纹的形成

在热循环过程中，基体的热应力状态是残余拉应力→压应力→拉应力循环变化的过程[10]，在基体和界面上造成累积塑性应变损伤.同时在热循环条件下，材料中最大拉应力产生于循环上限温度试样周边的缺口根部，因而热疲劳裂纹易形成于缺口根部.如图4.

3.1.2冷却介质为水的热疲劳裂纹的扩展形成

WCCo类硬质合金中Co粘结相的热膨胀系数比碳化钨的约大3倍，所以存在热胀冷缩差异当温度升高时Co粘结相承受到压应力，温度下降冷却时Co粘结相将承受到拉应力，由热胀冷缩差异产生的热应力值在弹性范围内可用式(1)计算［11］：

σ=kEaΔT(1)

式中：a为热膨胀系数；ΔT为热循环温度梯度；k为约束系数(值为0.5～2.5)；E为弹性模量.由式(1)可知，若热应力值大于硬质合金抗弯强度，将导致WC/Co相界面弱化，使Co粘结相对WC颗粒的支撑粘连作用弱化甚至破坏，WC相由于缺少Co粘结相的粘接作用而不断被剥落产生微孔洞［12］；随着微孔洞尺寸不断变大，相邻的孔洞将相连形成微裂纹, 沿WC/Co相界面扩展，如图5.

3.2 在腐蚀介质中冷却的热疲劳裂纹的形成与扩展

由于腐蚀介质的影响，腐蚀疲劳裂纹形成过程变得十分复杂.在循环应力作用下，腐蚀介质主要以4种方式影响裂纹形成过程［5］：均匀腐蚀、局部腐蚀、钝化膜破裂和有害介质.这些因素会导致滑移带、晶界及相界的早期开裂.腐蚀疲劳过程中，持久滑移带的产生对裂纹形成起主要作用.由于构件在切口根部产生应力集中，因而腐蚀疲劳裂纹也是在切口根部形成.

冷却介质为pH=5.2的盐酸裂纹的扩展方式主要有：裂纹穿过腐蚀坑，如图6（a），氧化和腐蚀作用形成的大尺寸团聚物，如图6（b）

冷却介质为pH=8.8的氢氧化钠的疲劳裂纹扩展方式为经过氧化腐蚀作用产生的大尺寸团聚物，由于WC氧化后体积急剧膨胀，由于相邻粒子氧化体积也将膨胀，对表面裂纹向基体扩展的阻碍作用减小［13］，如图7所示

4 结 论

1)冷却介质对热疲劳性能影响显著，YG8在中性介质中具有最好的抗热裂纹扩展能力.在同样循环次数下在pH=5.2的盐酸中冷却先出现裂纹，且扩展速率较快；pH=8.8的氢氧化钠溶液次之；水(pH=7.4)冷却是三者中抗热疲劳性能最好.

2）YG8 硬质合金主裂纹从V型缺口处萌生；热疲劳裂纹的扩展方式受冷却介质的影响：在中性介质中，主要为WC相缺少Co粘结相的粘接作用而不断被剥落产生微孔洞，随着微孔洞尺寸不断变大，相邻的孔洞将相连形成微裂纹，沿WC/Co相界面扩展；在腐蚀介质中，疲劳裂纹形成过程变得十分复杂，扩展方式主要为裂纹穿过腐蚀疲劳坑和通过大尺寸的团聚物.

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