1 引言
图1 硬质合金平均抗弯强度与WC颗粒平均尺寸的关系
图2 硬质合金平均抗弯强度与WC颗粒均匀性的关系
图3 不同WC粒度的硬质合金抗弯强度Weibull曲线
图4 不同WC颗粒均匀性的硬质合金抗弯强度Weibull曲线
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：5.25mm×6.5mm×20mm。
- 试验参数
- 在WB-100 型万能试验机上测定硬质合金的抗弯强度，测试跨距为14.5±0.5mm，十字头加力速度为200N/min。
- 材料成分：基体为WC，粘结相为Co(8wt%)。
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)。通过数学变换，式(1)可改写为ln{ln[1/(1-P(s))]}=mlns-mlns0 (2) - 若以ln{ln[1/(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ln{ln[1/(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，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/8.5×10-3)½]}[t/(t-2t)][l/(l-2l] (3) - 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。
- 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。
4 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。
