WC-Co的微觀結構和性能對微裂紋的影響

全 兵

（中石化江鉆石油機械有限公司，湖北 武漢 430223）

WC-Co材料具有高硬度、高耐磨性、高彈性模量、導熱性能好、熱膨脹系數小、抗腐蝕性以及耐高溫等一系列優異的物理力學性能和使用性能，被廣泛應用于石油鉆探和各種切屑工具中[1，2]。

WC-Co材料在使用過程中會依次發生彈性變形、彈性-塑性變形和塑性變形，最終產生大量的宏觀裂紋而導致材料失效。最初Doi認為[3]WC-Co材料的塑性變形只發生在粘結相Co內部，但是隨后大量的研究認為WC顆粒也會發生塑性變形[4-6]，其對材料的塑性變形有著重要的影響。在WC-Co材料塑性變形過程中，會產生一些微裂紋，其主要存在于WC顆粒和Co顆粒內部、WC-WC界面和WC-Co界面。本文通過采用Hertzian壓痕法和線截距法對不同牌號的WC-Co材料在塑性變形中所產生的微裂紋密度進行測定，研究了WC-Co材料的微觀結構和力學性能對微裂紋密度的影響。

1 試驗方法

1.1 顯微定量分析

硬質合金的顯微結構參數包括粘結相Co的含量、WC晶粒尺寸、Co相平均自由程和鄰接度。晶粒尺寸、鈷相平均自由程和臨接度可按下公式計算：

上式中：lwc，lco：截線分別通過WC相和Co相總長度；

NCo，NWC：截線分別通過WC相晶粒和Co相晶粒的總個數；

lwc、lco、NCo和NWC等參數是采用自編的程序，對WC-Co材料的顯微組織圖像進行分析而測量得到的。顯微圖像分析實際上是一種統計分析，即將WC和鈷相晶粒的個數、大小都統計下來，再計算出WC平均晶粒度、鈷相平均自由程和WC晶粒鄰接度等。

由于統計具有一定的隨機性，統計的數據少時，結果的波動可能很大，當各晶粒的統計個數達到250個以上時，統計結果趨于穩定。

將待測樣品按1500倍金相檢測要求制樣，在掃描電子顯微鏡下隨機取9～10個視場并拍照，隨機在圖像上生成一根直線，沿該直線依次標出所有的WC和鈷相的界面接點，每條直線分析完后自動生成下圖1示的圖像。

圖1 分析后自動生成的圖像

將所有記錄下的掃描電子顯微鏡圖像依次進行上述分析過程，再將各圖像分析的結果匯總，可得到全部參與統計的WC和鈷相晶粒的個數、WC和鈷相平均晶粒大小，并由此計算出WC晶粒鄰接度。

為了保證統計結果的穩定性，對每個試樣WC晶粒的統計個數都在500個以上。

1.2 斷裂韌性檢測

硬質合金斷裂韌性(KIC)檢測按ASTM B 771中所述分布載荷試驗方法檢測硬質合金斷裂韌性。通過實施兩次卸載-加載循環，來測量試樣中的宏觀殘余應力的影響，同時會形成位移-載荷的關系曲線。通過試驗的最大載荷和由卸載-加載循環試驗記錄計算的一個殘余應力參數，就可以計算出斷裂韌性值。

1.3 微裂紋密度測定

圖2 試樣破壞區域

圖3 截距法測定微裂紋密度

2 試驗結果與討論

2.1 試驗檢測結果

通過對五種不同WC-Co試樣進行試驗檢測，各項試驗結果見表1（試驗數據為5個試樣檢測結果的平均值）和表2。從表1中可以看出，隨著Co含量、WC晶粒度的大小和Co相平均自由程的增加，試樣的硬度減小而斷裂韌性增加。

表1 試樣的顯微結構檢測結果

表2 試樣的微裂紋密度(NL)

2.2 微裂紋密度與顯微結構參數的關系

圖4為微裂紋密度與Co含量的關系圖（圖中2和3幾乎重合）。從圖4中可以看出，試樣在塑性變形中，隨著Co含量的增加，微裂紋的密度變大。

圖4 微裂紋密度與Co含量的關系

圖5為微裂紋密度與WC晶粒度的關系圖。從圖5中可以看出，隨著WC晶粒度的增加，微裂紋的密度變大。

圖5 微裂紋密度與WC晶粒度的關系

Co相平均自由程與Co的含量和WC晶粒度有關。它是指粘結相Co與WC顆粒發生兩次碰撞時，Co所通過的平均距離。圖6為微裂紋密度與Co相平均自由程的關系圖。從圖6中可以看出，隨著Co相平均自由程的增加，微裂紋的密度變大。

圖6 微裂紋密度與Co相平均自由程的關系

鄰接度是指在WC-Co材料中，WC與WC界面數與總界面數（包括WC與WC界面和WC與Co界面）的比值。圖7為微裂紋密度與鄰接度的關系圖。從圖7中可以看出，隨著鄰接度的增加，微裂紋密度有減小趨勢。

圖7 微裂紋密度與鄰接度的關系

從以上分析可以得出，在WC-Co材料的塑性變形過程中，當粘結相Co含量高，WC晶粒度大，Co相平均自由程大和鄰接度小時，材料會產生更多的微裂紋。

2.3 微裂紋與力學性能的關系

圖8為試樣的微裂紋密度與維氏硬度之間的關系圖。從圖8中可以看出，試樣的微裂紋密度隨著硬度的增加而減少。圖9為試樣的微裂紋密度與斷裂韌性之間的關系圖。從圖9中可以看出，試樣的微裂紋密度隨著斷裂韌性的增加而增加。

圖8 微裂紋密度與維氏硬度的關系

圖9 微裂紋密度與斷裂韌性的關系

硬度和斷裂韌性都能表征WC-Co材料的塑性變形能力。當WC-Co材料硬度高時，微裂紋密度低，在塑性變形過程中不易萌生裂紋，斷裂韌性也低，但是裂紋一旦萌生，就很容易擴展，在裂紋尺寸超過其能承受的臨界值時，試樣就會斷裂；當WC-Co材料硬度低時，微裂紋密度高，在塑性變形過程中易萌生裂紋，斷裂韌性也高，當裂紋萌生時，其擴散比較慢，直到裂紋尺寸超過其能承受的臨界值時，才會導致斷裂。

在應力情況下，WC-Co材料中微裂紋的產生在一定程度上分散了材料在塑性變形中所受到的應力集中，減慢了材料微裂紋的擴展，緩解了宏觀裂紋的形成，有效地增加WC-Co材料的使用壽命。

3 結論

（1）采用Hertzian壓痕法和線截距法可以分析WC-Co材料在塑性變形中內部產生的微裂紋密度。

（2）在WC-Co材料的塑性變形過程中，當粘結相Co含量高、WC晶粒度大、Co相平均自由程大和鄰接度小時，其內部產生的微裂紋密度會增大。

（3）當WC-Co材料硬度高時，微裂紋密度低，在塑性變形過程中不易萌生裂紋，斷裂韌性也低，但是裂紋一旦萌生，就很容易擴展，在裂紋尺寸超過其能承受的臨界值時，試樣就會斷裂；當WC-Co材料硬度低時，微裂紋密度高，在塑性變形過程中易萌生裂紋，斷裂韌性也高，當裂紋萌生時，其擴散比較慢，直到裂紋尺寸超過其能承受的臨界值時，才會導致斷裂。