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什么是硬质合金断裂韧性?

2021-10-25

什么是硬质合金断裂韧性?我们从宏观梯度结构材料的性能方面着手来了解下。

断裂韧性(fracture toughness)指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量,也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。通常断裂韧性定义为应力强度因子的临界值,常用断裂前材料吸收的能量或外界对材料所做的功表示。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关,是材料固有的特性,只与材料本身、热处理及加工工艺有关。

梯度结构材料中的弹性模量连续变化,断裂机制可以用线弹性断裂的应力强度因子进行表述。梯度结构材料中,裂纹在垂直于梯度方向上萌生,与均质材料中裂纹的萌生相似,也是裂纹尖端剪应力产生的结果,具有*确的应力强度因子。在给定的几何状态和应力条件下,梯度结果材料产生裂纹需要更高的剪应力,因此在其他各方面都相同(弹性模量不同)的条件下,梯度结构材料比均质材料抗裂纹萌生的能力要强。裂纹萌生驱动力的不同主要与材料性能和梯度结构有关。

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硬质合金的断裂韧性也称为压力强度饱和系数(Kic),是作为测定损坏硬质合金必须具备的能量及冲击负荷等使用至今的一种指标。其测试方法是通过施加外力使样品发生裂纹和断裂,从裂纹扩展至断裂所需要的能量值当作断裂韧性。断裂韧性代表柔韧,数值越大,裂纹越难扩大。如图所示,随着钴含量增加断裂韧性变大、随着碳化钨颗粒度减小而变小。

梯度结构材料与均质材料裂纹的一个重要差别是前者的断裂阻力和损伤容限都随空间位置的变化而变化。在相同的负荷条件下,同样的试样及裂纹几何尺寸分析梯度结构材料的断裂比均质材料要复杂。相关研究提出用混合定律来描述金属陶瓷梯度结构材料的断裂韧性。一般来说,大部分梯度结构材料是多相符合材料,可以用第二相粒子嵌在基体中的模型来描述。目前的梯度结构硬质合金材料也成为研究方向。

根据相关实验表明材料的断裂韧性与空间位置有关。当裂纹从富陶瓷区向富金属区扩展时,由于金属的断裂韧性优于陶瓷的断裂韧性,因此梯度结构材料的断裂韧性显著增加。金属块体的断裂韧性比在脆性基体中分布的金属颗粒的断裂韧性要高。

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