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1、硬质合金抗弯强度及其分散性的研究评论1 引言硬质合金具有硬度高、耐磨性好等特点，是机械、冶金、矿山开采、石油钻探、化工、纺织、军工等行业不可缺少的工具材料。由于硬质合金材料脆性较大，因此开发应用时对其抗弯强度的研究非常重要。大量研究表明，硬质合金的抗弯强度与材料中碳化物和粘结相的种类、含量和粒度、合金的含碳量、烧结工艺、热处理工艺、组织缺陷(如空洞、粗大碳化物、粘结相池、夹杂物等)以及试样的表面状态和残余应力等因素密切相关。有关研究发现，脆性较大的材料具有较大的强度分散性，但关于硬质合金抗弯强度分散性的研究尚未见报道。笔者通过抗弯强度试验，对 WC 的粒度和粒度均匀性对硬质合金抗弯强度及其分散
2、性的影响进行了研究。2 抗弯强度试验试验材料 材料成分：基体为 WC，粘结相为 Co(8wt%)。 试样尺寸：5.25mm6.5mm20mm。 试验参数 在 WB-100 型万能试验机上测定硬质合金模具的抗弯强度，测试跨距为14.50.5mm，十字头加力速度为 200N/min。3 试验结果与分析WC 颗粒平均尺寸对硬质合金抗弯强度的影响 通过试验得到该硬质合金的平均抗弯强度 sm 与 WC 颗粒平均尺寸 d 的关系见图 1。由图可见，该硬质合金的平均抗弯强度随 WC 颗粒平均尺寸的减小而升高。 WC 颗粒均匀性对硬质合金抗弯强度的影响 通过试验得到硬质合金中 WC 颗粒均匀性对硬质合金抗弯强
3、度的影响见图 2。由图可见，该硬质合金的平均抗弯强度随 WC 颗粒均匀性变好(WC颗粒欠均匀存在个别大颗粒WC 颗粒均匀)而升高。 Weibull 统计分析 为了分析脆性材料强度的分散性，ASTM 标准推荐使用 Weibull 统计方法来分析先进陶瓷材料的单轴强度以及复合材料强度。因此，我们引入两参数 Weibull 分布函数对本试验中硬质合金抗弯强度的分散性进行分析。 Weibull 分布函数为 P(s)=1-exp-( s )3 s0 (1) 式中，P(s)为材料在所施加弯曲应力 s 下的失效概率；s0 为尺度参数；m 为 Weibull 模量(m 值越大，材料强度的分散性越小，反之亦然)
4、。通过数学变换，式(1)可改写为 lnln1/(1-P(s)=mlns-mlns0 (2)若以 lnln1/(1-P(s)为纵坐标，lns 为横坐标，则可得到二者的关系曲线。用最小二乘法将 lnln1/(1-P(s)与 lns 的关系拟合成直线，该直线的斜率即为 Weibull 模量。图 3 和图 4 为根据式(2)重新处理后的 Weibull 曲线；该硬质合金抗弯强度的 Weibull 模量 m 见下表。 由表可知，该硬质合金抗弯强度的 Weibull 模量随 WC 颗粒平均尺寸的增大而增大，随 WC 颗粒均匀性变好而增大。说明 WC 颗粒的尺寸越大，其抗弯强度的分散性越小；WC 颗粒越均匀
5、，其抗弯强度的分散性也越小。 日本学者铃木寿曾导出 WC-Co 硬质合金的抗弯强度 sm 满足公式 sm=830/1+2(a/8.510-3)t/(t-2t)l/(l-2l (3) 式中，2a 为近椭圆状缺陷的长径；t 和 l 分别为试样厚度和三点弯曲试验中的跨距长度；t 和 l 分别为裂纹源距拉伸表面的距离和裂纹源距跨距中心的距离。 由式(3)可知，硬质合金的抗弯强度不但与缺陷(空洞、大颗粒 WC 和 Co池)的大小有关，而且与缺陷的分布情况有关。在本试验条件下，裂纹源主要为大颗粒 WC，因此大颗粒 WC 的尺寸及分布情况决定了该硬质合金的抗弯强度及其分散性。由式(3)还可看出 sm 与 a
6、 呈相反方向变化的关系，这就解释了弯曲试验中 WC 颗粒平均尺寸 d 增大引起抗弯强度sm 下降的变化趋势。根据 Weibull 脆性断裂统计理论，如果一颗大尺寸 WC 颗粒的开裂导致了整个硬质合金试样的最后断裂，则在三点弯曲试样的张应力区找到引起脆性断裂的大颗粒 WC 的几率越大(WC 颗粒越不均匀，该几率就越大)，其抗弯强度也就越低。这一结论与试验结果一致。可以清楚地看到，硬质合金材料粒度的均匀性越差，在引起开裂的张应力区中找到大颗粒 WC 的几率的差别就越大，抗弯强度的分散性也就越大；这也表明 WC 颗粒越小、粒度越不均匀，其抗弯强度的分散性越大。表 硬质合金抗弯强度的 Weibull 模量 WC 颗粒平均尺寸 WC 颗粒均匀性 2.25m 2.47m 2.60m 均匀 中等均匀 欠均匀 12.2 15.8 16.9 13.4 13.0 12.0 4 结论根据试验结果和理论分析，可得出如下结论： 硬质合金抗弯强度的平均值随 WC 颗粒平均尺寸的减小而增大，但抗弯强度的分散性也随之增大。 硬质合金抗弯强度的平均值随 WC 粒度的均匀性变好而增大，且抗弯强度的分散性随之减小。
