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川大《MSEA》：殘余應(yīng)力誘導(dǎo)深冷+回火硬質(zhì)合金相變和織構(gòu)演變

2022-05-06 11:25:01 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

超粗晶粒硬質(zhì)合金在使用過程中遭受較大的沖擊載荷和熱應(yīng)力循環(huán)，雖然斷裂韌性顯著提高，但犧牲了硬度和強度。后處理能夠影響硬質(zhì)合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能，首先Co相的晶體結(jié)構(gòu)能從fcc轉(zhuǎn)變?yōu)閔cp，Co的相變會使硬度和橫向斷裂強度提高；其次晶格在深冷下的收縮可以促進空位的塑性流變，從而提高界面結(jié)合強度；并且后處理引入的殘余應(yīng)力，降低了切削力和刀具磨損，能夠延長了刀具的切削壽命。然而后處理對于殘余應(yīng)力演變、Co粘結(jié)相的相變、WC硬質(zhì)相的織構(gòu)和性能之間的關(guān)系尚不完全清楚。

近日，川大研究人員研究了深冷+回火后微觀結(jié)構(gòu)變化對強度、硬度和韌性的影響，相關(guān)論文以題為“Residual stress evolution enhanced martensite phase transition and texture development in cryogenic-tempered WC-Co ultra-coarse grained cemented carbiden”發(fā)表在Materials Science and Engineering: A。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.142592

本文以WC-6Co的硬質(zhì)合金為材料，在經(jīng)過深冷+回火的處理后利用X射線衍射技術(shù)，用sin2（ ψ ）-2θ法分析了深冷+回火后的超粗晶硬質(zhì)合金處理殘余應(yīng)力的演變，并利用EBSD技術(shù)表征了Co粘結(jié)相的相變和WC硬質(zhì)相的擇優(yōu)取向。研究表明晶粒尺寸、形狀以及材料密度沒有明顯變化，并且γ相的濃度波動較小小，未有η相沉淀。

圖1XRD圖譜和燒結(jié)態(tài)（ a）、深冷處理態(tài)（ b）、回火態(tài)（ c）硬質(zhì)合金WC相的sin2（ψ ）-2θ擬合曲線以及WC相殘余應(yīng)力計算結(jié)果（ d ）

深冷處理后，由sin2 （ψ ） - 2θ X射線衍射法計算的WC相平均壓縮殘余應(yīng)力增加了60.84%。回火處理使殘余應(yīng)力得到緩解，甚至使壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，變化可達101.97%。

圖2 EBSD生成燒結(jié)態(tài)（a ）、深冷態(tài)（b ）、回火態(tài)（c ）硬質(zhì)合金的Co相分布和鈷相百分比（d ）

深冷+回火處理處理后hcp/fcc的平均比例從燒結(jié)階段的1.75%增加到4.22%和11.61%。考慮到回火溫度低于Co的相變點，因此回火處理過程中的馬氏體相變因較大的殘余應(yīng)力演變而增強。殘余應(yīng)力作用于面心立方結(jié)構(gòu)的Co相，補充馬氏體相變所需的能量，而應(yīng)力增強的無擴散相變是Co相fcc向hcp馬氏體轉(zhuǎn)變的主要機制。

圖3 燒結(jié)態(tài)（ a ）、深冷處理態(tài)（ b ）、回火態(tài)（ c ）硬質(zhì)合金的反極圖

圖4燒結(jié)態(tài)（a ）、深冷處理態(tài)（b ）、回火態(tài)（c ）硬質(zhì)合金WC相的極圖和MUD值（d ）

圖5殘余應(yīng)力引起的晶粒偏轉(zhuǎn)機理示意圖

經(jīng)深冷+回火處理后，WC相的<11-20>取向增加，MUD值的變化表明{ 0001 }面的織構(gòu)變得更加集中。深冷-回火處理帶來的殘余應(yīng)力，主要能夠引發(fā)WC晶體的{ 0001}<11-20>基面滑移。由于WC晶體的各向異性，WC晶粒{0001}擇優(yōu)取向的形成必然會對力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

綜上所述，硬質(zhì)合金的硬度、強度和斷裂韌性因殘余應(yīng)力演變和馬氏體相變而同時增加。在通常情況下，強度、硬度和韌性是相矛盾的，難以同時增加，而這種后處理工藝解決了這一難題，可以在不改變成分的情況下改善機械性能，能夠滿足低成本、大規(guī)模和高效率工業(yè)生產(chǎn)的要求。

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