“硬质材料”专栏 | MDPI Metals：细晶粒WC-Co硬质合金中的短表面疲劳裂纹扩展行为

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专栏简介

“硬质材料”专栏由 Technologies 编委郭智兴博士主持，专注于难熔金属与硬质材料的材料制备与表征、数控刀具设计制造技术等研究工作。

郭智兴 博士

四川大学

四川省切削刀具智能设计与服务工程技术研究中心副主任，正高职称，博士生导师，四川省学术与技术带头人后备人选，四川省海外高层次留学人才,“常春藤”Brown University 国家留学基金委公派访问学者。长期主要从事粉末冶金、涂层、焊接等材料加工技术，难熔金属与硬质材料 (WC 基硬质合金、TiCN 基金属陶瓷) 的材料制备与表征，数控刀具设计制造技术等研究工作。主持国家自然科学基金、四川省重大专项/重点研发项目 (课题) 等20余项；主研国家重大专项“高档数控机床与基础制造装备”3项，国家自然基金重点项目1项。在国际学术期刊发表 SCI 论文100余篇 (其中中科院一区70余篇)，引用1600余次，H-index 为25；授权发明专利36项，转化4项；获四川省科技进步二等奖1项及市级一等奖1项。

引言

WC-Co 系硬质合金具有高的硬度和优异的耐磨性，其力学性能介于脆性较大的陶瓷材料和韧性较好的工具钢之间，广泛用作数控刀具和模具等。当硬质合金被用作模具时，极易因长时间服役而产生疲劳裂纹，最终导致模具失效。因此，研究疲劳裂纹的扩展行为与硬质合金组织结构的关系非常重要。目前，对于长贯穿疲劳裂纹的扩展行为研究较多，因不易观察，对尺度在100 μm的短表面疲劳裂纹的研究较少，这种裂纹通常会引起材料的表面破损。

研究内容

本研究采用激光束加工在硬面合金表面形成了凹痕及短表面疲劳裂纹 (如图1)。在 R=−1 和 R=0.1 (R=最大应力/最小应力) 的应力比下进行了旋转弯曲疲劳和四点弯曲疲劳试验，研究了细晶粒硬质合金中长度小于1 mm的短表面疲劳裂纹的扩展 (FCG) 行为。并对比研究了短表面疲劳裂纹与长贯穿疲劳裂纹的扩展 (FCG) 行为差异、短表面裂纹的 FCG 路径，以及疲劳裂纹与 WC 晶粒和 Co 相等硬质合金微观组织之间的相互作用。

图1. 激光束加工产生的凹痕及短表面表面疲劳裂纹。

图2是在恒定 K_max 值 (最大应力强度因子) 时的裂纹扩展路径图。裂纹扩展路径分为四种类型：(1) 在 WC 晶粒内；(2) 在 Co 相内；(3) 沿 WC/WC 边界；(4) 沿 WC/Co 边界。

当 K_max 从6.0 MPam^1/2增加到7.5 MPam^1/2时，沿 WC/WC 边界的裂纹扩展路径的百分比从50减少到30%，而 WC 晶粒内的穿晶裂纹的百分比从20%增加到40%。

图2. R=-1时的裂纹扩展路径图。

图3是疲劳裂纹扩展速率-最大应力强度因子 da/dN-K_max 关系图，可见短表面疲劳裂纹与长贯穿疲劳裂纹的 FCG 行为差异明显，短表面疲劳裂纹比长贯穿疲劳裂纹具有更长的疲劳裂纹稳定扩展区。

图3. da/dN-K_max关系图。

研究总结

本文研究结果表明，对于硬质合金短表面疲劳裂纹，应力比对 da/dN-K_max 关系的影响不大；长贯穿层疲劳裂纹比短表面疲劳裂纹扩展表现出更明显的脆性和不稳定性；短表面裂纹的 FCG 行为比长贯穿裂纹更容易受到应力的影响。在 K_max 较低值时，裂纹不容易在 WC 晶粒内生长 (穿晶断裂)，而是沿弱 WC/WC 界面或 WC/Co 界面不连续地扩展。另一方面，在 K_max 值较高时，裂纹驱动力越高，WC 晶粒的劈裂更常见，裂纹往往比低 K_max 时的裂缝更直，裂纹扩展更快。

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阅读英文原文

原文出自 Metals 期刊

Mikado, H.; Ishihara, S.; Oguma, N.; Kawamura, S. On the Short Surface Fatigue Crack Growth Behavior in a Fine-Grained WC-Co Cemented Carbide. Metals 2017, 7, 254.

  Metals 期刊介绍

主编：Hugo F. Lopez, University of Wisconsin-Milwaukee, USA;

Yong Zhang, University of Science and Technology Beijing, China

期刊发表涵盖金属材料和冶金工程领域研究以及科技发展研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor	2.695
2021 CiteScore	3.8
Time to First Decision	16 Days
Time to Publication	37 Days

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*本文由Technologies 期刊编委郭智兴博士翻译撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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