全 兵

（中石化江鉆石油機(jī)械有限公司，湖北 武漢 430223）

WC-Co材料具有高硬度、高耐磨性、高彈性模量、導(dǎo)熱性能好、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕性以及耐高溫等一系列優(yōu)異的物理力學(xué)性能和使用性能，被廣泛應(yīng)用于石油鉆探和各種切屑工具中[1，2]。

WC-Co材料在使用過程中會依次發(fā)生彈性變形、彈性-塑性變形和塑性變形，最終產(chǎn)生大量的宏觀裂紋而導(dǎo)致材料失效。最初Doi認(rèn)為[3]WC-Co材料的塑性變形只發(fā)生在粘結(jié)相Co內(nèi)部，但是隨后大量的研究認(rèn)為WC顆粒也會發(fā)生塑性變形[4-6]，其對材料的塑性變形有著重要的影響。在WC-Co材料塑性變形過程中，會產(chǎn)生一些微裂紋，其主要存在于WC顆粒和Co顆粒內(nèi)部、WC-WC界面和WC-Co界面。本文通過采用Hertzian壓痕法和線截距法對不同牌號的WC-Co材料在塑性變形中所產(chǎn)生的微裂紋密度進(jìn)行測定，研究了WC-Co材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能對微裂紋密度的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 顯微定量分析

硬質(zhì)合金的顯微結(jié)構(gòu)參數(shù)包括粘結(jié)相Co的含量、WC晶粒尺寸、Co相平均自由程和鄰接度。晶粒尺寸、鈷相平均自由程和臨接度可按下公式計(jì)算：

上式中：lwc，lco：截線分別通過WC相和Co相總長度；

NCo，NWC：截線分別通過WC相晶粒和Co相晶粒的總個(gè)數(shù)；

lwc、lco、NCo和NWC等參數(shù)是采用自編的程序，對WC-Co材料的顯微組織圖像進(jìn)行分析而測量得到的。顯微圖像分析實(shí)際上是一種統(tǒng)計(jì)分析，即將WC和鈷相晶粒的個(gè)數(shù)、大小都統(tǒng)計(jì)下來，再計(jì)算出WC平均晶粒度、鈷相平均自由程和WC晶粒鄰接度等。

由于統(tǒng)計(jì)具有一定的隨機(jī)性，統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)少時(shí)，結(jié)果的波動(dòng)可能很大，當(dāng)各晶粒的統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)達(dá)到250個(gè)以上時(shí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果趨于穩(wěn)定。

將待測樣品按1500倍金相檢測要求制樣，在掃描電子顯微鏡下隨機(jī)取9～10個(gè)視場并拍照，隨機(jī)在圖像上生成一根直線，沿該直線依次標(biāo)出所有的WC和鈷相的界面接點(diǎn)，每條直線分析完后自動(dòng)生成下圖1示的圖像。

圖1 分析后自動(dòng)生成的圖像

將所有記錄下的掃描電子顯微鏡圖像依次進(jìn)行上述分析過程，再將各圖像分析的結(jié)果匯總，可得到全部參與統(tǒng)計(jì)的WC和鈷相晶粒的個(gè)數(shù)、WC和鈷相平均晶粒大小，并由此計(jì)算出WC晶粒鄰接度。

為了保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的穩(wěn)定性，對每個(gè)試樣WC晶粒的統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)都在500個(gè)以上。

1.2 斷裂韌性檢測

硬質(zhì)合金斷裂韌性(KIC)檢測按ASTM B 771中所述分布載荷試驗(yàn)方法檢測硬質(zhì)合金斷裂韌性。通過實(shí)施兩次卸載-加載循環(huán)，來測量試樣中的宏觀殘余應(yīng)力的影響，同時(shí)會形成位移-載荷的關(guān)系曲線。通過試驗(yàn)的最大載荷和由卸載-加載循環(huán)試驗(yàn)記錄計(jì)算的一個(gè)殘余應(yīng)力參數(shù)，就可以計(jì)算出斷裂韌性值。

1.3 微裂紋密度測定

圖2 試樣破壞區(qū)域

圖3 截距法測定微裂紋密度

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)檢測結(jié)果

通過對五種不同WC-Co試樣進(jìn)行試驗(yàn)檢測，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果見表1（試驗(yàn)數(shù)據(jù)為5個(gè)試樣檢測結(jié)果的平均值）和表2。從表1中可以看出，隨著Co含量、WC晶粒度的大小和Co相平均自由程的增加，試樣的硬度減小而斷裂韌性增加。

表1 試樣的顯微結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果

表2 試樣的微裂紋密度(NL)

2.2 微裂紋密度與顯微結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

圖4為微裂紋密度與Co含量的關(guān)系圖（圖中2和3幾乎重合）。從圖4中可以看出，試樣在塑性變形中，隨著Co含量的增加，微裂紋的密度變大。

圖4 微裂紋密度與Co含量的關(guān)系

圖5為微裂紋密度與WC晶粒度的關(guān)系圖。從圖5中可以看出，隨著WC晶粒度的增加，微裂紋的密度變大。

圖5 微裂紋密度與WC晶粒度的關(guān)系

Co相平均自由程與Co的含量和WC晶粒度有關(guān)。它是指粘結(jié)相Co與WC顆粒發(fā)生兩次碰撞時(shí)，Co所通過的平均距離。圖6為微裂紋密度與Co相平均自由程的關(guān)系圖。從圖6中可以看出，隨著Co相平均自由程的增加，微裂紋的密度變大。

圖6 微裂紋密度與Co相平均自由程的關(guān)系

鄰接度是指在WC-Co材料中，WC與WC界面數(shù)與總界面數(shù)（包括WC與WC界面和WC與Co界面）的比值。圖7為微裂紋密度與鄰接度的關(guān)系圖。從圖7中可以看出，隨著鄰接度的增加，微裂紋密度有減小趨勢。

圖7 微裂紋密度與鄰接度的關(guān)系

從以上分析可以得出，在WC-Co材料的塑性變形過程中，當(dāng)粘結(jié)相Co含量高，WC晶粒度大，Co相平均自由程大和鄰接度小時(shí)，材料會產(chǎn)生更多的微裂紋。

2.3 微裂紋與力學(xué)性能的關(guān)系

圖8為試樣的微裂紋密度與維氏硬度之間的關(guān)系圖。從圖8中可以看出，試樣的微裂紋密度隨著硬度的增加而減少。圖9為試樣的微裂紋密度與斷裂韌性之間的關(guān)系圖。從圖9中可以看出，試樣的微裂紋密度隨著斷裂韌性的增加而增加。

圖8 微裂紋密度與維氏硬度的關(guān)系

圖9 微裂紋密度與斷裂韌性的關(guān)系

硬度和斷裂韌性都能表征WC-Co材料的塑性變形能力。當(dāng)WC-Co材料硬度高時(shí)，微裂紋密度低，在塑性變形過程中不易萌生裂紋，斷裂韌性也低，但是裂紋一旦萌生，就很容易擴(kuò)展，在裂紋尺寸超過其能承受的臨界值時(shí)，試樣就會斷裂；當(dāng)WC-Co材料硬度低時(shí)，微裂紋密度高，在塑性變形過程中易萌生裂紋，斷裂韌性也高，當(dāng)裂紋萌生時(shí)，其擴(kuò)散比較慢，直到裂紋尺寸超過其能承受的臨界值時(shí)，才會導(dǎo)致斷裂。

在應(yīng)力情況下，WC-Co材料中微裂紋的產(chǎn)生在一定程度上分散了材料在塑性變形中所受到的應(yīng)力集中，減慢了材料微裂紋的擴(kuò)展，緩解了宏觀裂紋的形成，有效地增加WC-Co材料的使用壽命。

3 結(jié)論

（1）采用Hertzian壓痕法和線截距法可以分析WC-Co材料在塑性變形中內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋密度。

（2）在WC-Co材料的塑性變形過程中，當(dāng)粘結(jié)相Co含量高、WC晶粒度大、Co相平均自由程大和鄰接度小時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋密度會增大。

（3）當(dāng)WC-Co材料硬度高時(shí)，微裂紋密度低，在塑性變形過程中不易萌生裂紋，斷裂韌性也低，但是裂紋一旦萌生，就很容易擴(kuò)展，在裂紋尺寸超過其能承受的臨界值時(shí)，試樣就會斷裂；當(dāng)WC-Co材料硬度低時(shí)，微裂紋密度高，在塑性變形過程中易萌生裂紋，斷裂韌性也高，當(dāng)裂紋萌生時(shí)，其擴(kuò)散比較慢，直到裂紋尺寸超過其能承受的臨界值時(shí)，才會導(dǎo)致斷裂。