20. Определение вязкости разрушения твердых сплавов по методу Палмквиста

21. Краткая теория

Трещиностойкость характеризует способность материала сохранять свою работоспособность (не разрушаться) при наличии трещины.

Трещина в материале может возникнуть в результате усталости, быть следствием металлургического дефекта и т.п. Трещина является концентратором напряжений. В вершине трещины напряжения (s_у^max) значительно превосходят средние (s_ср.), т.е. расчетные. Величина s_у^max тем больше, чем длиннее и острее трещина:

,

где l – длина трещины, r – радиус в устье трещины. По мере удаления от устья трещины напряжения падают.

Если напряжения в устье трещины таковы, что вызывают ее распространение, происходит разрушение материала при расчетных напряжениях ниже предела текучести.

Трещиностойкость оценивается критерием К_1С. Коэффициент К_1С связывает величину разрушающего напряжения, воздействующего на материал, и длину трещины:

,

где s – разрушающее напряжение, которое следует учитывать в прочностных расчетах, при известной длине трещины l. Таким образом размерность коэффициента – или .

К_1С является характеристикой материла и зависит только от его свойств:

,

где Е – модуль упругости, m – коэффициент Пуассона, P – работа пластического деформирования при распространении трещины, g – энергия поверхностного натяжения (она стремится стянуть края трещины, т.е. ее необходимо преодолеть при распространении трещины). Для металлов Р>>g и величиной g пренебрегают.

Величину К_1С пластичных материалов определяют на специальных образцах с заранее образованной трещиной при внецентровом растяжении или трехточечном изгибе.

Для хрупких материалов, обладающих высокой твердостью (твердые сплавы, режущая керамика, сверхтвердые материалы) используется метод «индентирования» [4]. Он заключается в том, что на твердомере типа ТВ (метод Виккерса) выбирается такая нагрузка на индентор (алмазная правильная четырехгранная пирамида с углом 136°), чтобы в углах отпечатка образовались трещины.

Значения К_1С определяются по следующей формуле:

,

где P – нагрузка [кгс], a – половина длины трещины [мм].

22. Экспериментальная часть

Цель работы – определение коэффициента К_1С твердого сплава ВК6.

Оборудование: твердомер типа ТВ.

Объект исследования: образец твердого сплава ВК6.

Задача.

1. Определить значение коэффициента К_1с.

2. Перевести полученные значения из системы МКГСС в международную систему СИ ( ® ).

3. Произвести математическую обработку полученных данных.

4. Сравнить полученные результаты с данными других исследователей ( , по данным [4]; , по данным [7]. Следует иметь в виду, что значения К_1C твердых сплавов зависят от размеров карбидов).

23. Изучение структуры твердых сплавов вк, тк, ттк и безвольфрамовых твердых сплавов (бвтс)

24. Структура твердых сплавов

В соответствии с диаграммами состояния фазы, составляющие структуру твердых сплавов, это карбиды и металлическая связка.

Для сплавов типа ВК – это карбиды вольфрама (WC) и связка – твердый раствор WC в кобальте.

Для сплавов ТК и ТТК – связка и сложные карбиды (Ti,W)C, (Ti,W,Ta)C.

В соответствии с ГОСТ 9391–80 эти фазы обозначаются следующим образом:

• карбид вольфрама WC – a–фаза;

• карбиды на основе титана и тантала (Ti,W)C, (Ti,W,Ta)C – g–фаза;

• связка – b–фаза.

Однако, структура реальных твердых сплавов более сложная.

Твердые сплавы получают методом спекания, при котором невозможно получить сплошное изделие, в структуре имеются пустоты – поры. Оценку структуры по степени пористости производят сравнением микрошлифа твердого сплава со стандартными шкалами. Шкалы выбираются в зависимости от размера пор в соответствии с ГОСТ 9391–80.

В зависимости от сбалансированности между углеродом и карбидообразующими компонентами в структуре могут появляться дополнительные фазы.

При избытке углерода в структуре появляется графит. При дефиците углерода, т.е. при избытке карбидообразующих компонентов, образуется сложный карбид типа Ме₆С – (WСо)₆С – h–фаза, в которой один атом углерода связывает не один (как в карбиде WС), а шесть атомов металла.

Максимальная прочность твердых сплавов достигается при отсутствии в структуре как графита, так и h– фазы (рис.7) [6]. Наличие графита, обладающего низкой прочностью, естественно снижает предел прочности твердых сплавов. Снижение прочности при наличии h–фазы связано с уменьшением содержания кобальта в связке, т.к. часть его перешла в состав карбида.

Структура твердых сплавов по ГОСТ 9391–80 оценивается следующими характеристиками:

• степенью пористости по стандартным шкалам;

• распределением свободного углерода по стандартной шкале;

• распределением h– фазы по стандартной шкале;

• распределением b– фазы, оценивая его как равномерное или неравномерное;

• класс зернистости – по размерам карбидных частиц (табл.6)

Таблица 6.

Класс зернистости твердых сплавов.

Класс зернистости	Размер сечения карбида, мкм	Пример обозначения сплава
1 (особо мелкозернистый)	0,5…1,5	ВК6–ОМ
2 (мелкозернистый)	1,5…2,5	ВК6–М
3 (среднезернистый)	2,5…3,5	ВК6
4 (крупнозернистый)	Свыше 3,5	ВК6–В

В соответствии с ГОСТ 4872–75 микроструктура должна соответствовать нормам, указанным в табл.7.

Таблица 7.

Требования к микроструктуре твердых сплавов.

Марка сплава

Содержание графита, % (не более)

Фаза a

Фаза g

Величина зерна, мкм

Кол–во зерен, % (не менее)

Величина зерна, мкм

Кол–во зерен, % (не менее)

ВК3

0,2

1…2

50

–

–

ВК3М

До 1

ВК4

0,3

1…2

ВК6

0,2

ВК6–М

До 1

ВК6–ОМ

60

ВК8

1…2

50

ВК10

ВК10–М

70

ВК10–ОМ

До 1

50

ВК15

0,5

1…2

Т30К4

0,3

–

–

1…2

50

Т15К6

0,4

1…2

50

2…5

Т14К8

0,3

1…2

2…5

Т5К10

2…3

–

–

Т5К12

2…5

ТТ7К12

2…5

ТТ8К6

0,4

До 1

ТТ10К8

0,3

1…2

ТТ20К9

0,1

1…2

75

1…2

75

Примечание. Степень пористости сплавов не более 0,2%. Присутствие в структуре фазы h кружевной и озерковой форм не допускается.