硬质合金性能与检测(1)

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1、几个重要的物理性能弹性模量：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。矫顽力：在永磁材料的退磁曲线上，当反向磁场H增大到某一值Hcb时，磁体的磁感应强度B为0，称该反向磁场H值为该材料的矫顽力Hcb。抗弯强度：材料抵抗弯曲而不断裂的能力，主要用于考察脆性材料的强度。抗压强度：指外力是压力时的强度极限。硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。冲击韧性：冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向，是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm 2和J（焦耳）。断裂韧性：指材料阻止宏观

2、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。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。切削寿命/高温硬度/高温抗弯强度/密度。 硬质合金密度的测定 密度的测定：硬质合金密度范围在10.016.0g/cm 3之间，一般可通过密度判断硬质合金的化学成分或牌号是否正确。同一牌号不同批号，密度波动不应超过0.08g/cm3。当合金中出现相（脱碳相）时，密度会稍有增加，甚至超过理论值。 硬质合金的密度测定同一般粉末冶金材料，最常用的方法是浸蜡排水称重法。 问题：排水法测定密度的步骤和公式？ 矫顽力的意义：表示对应于磁壁移动的阻抗量。可评

3、定合金的组织状况。随钴含量降低，矫顽力增大；当钴含量一定时，碳化钨晶粒越细，钴相分散程度越高，矫顽力也越大。另外，当合金中出现非磁性相时，矫顽力会升高。 矫顽力的测定：矫顽力的测定比较简单，先对试样充磁，然后再对试样去磁，并记下去磁电流，则试样的矫顽力为：Hc = KI。其中，Hc-矫顽力（奥斯特）; I-去磁电流（安）; K-仪器常数。矫顽力的测定 弹性模量的测定 弯曲试验法：在静态下进行弯曲试验硬质合金的弹性模量可按下式求得：杨氏模量：式中：E-弹性模量(kg/mm2)， f-弯曲值(mm)，P-加在试样上的载荷(kg)，L-支点间距(mm)，J-试样的惯性距(mm2)对长方形试样。 抗压

4、试验法：对硬质合金做抗压试验，所得到的应力-应变曲线上坐标原点处倾角的正切即为所求的弹性模量。 超声波脉冲检验法：声波在某介质中的传播速度取决于其弹性模量。弹性模量可用来度量晶体中原子间结合力的大小。（下式中：-常数：-介质密度，-剪切模量）。声波在某介质中的纵向波速VL和横向波速VT分别为： -泊松比，E-扬氏弹性模量 348PLE f J E tg 2 2VL 2VT 221 2 /2 2 2 /VT VLVT VL （）（）（）2 1E （） 测试方法：硬质合金必须用洛氏硬度试验机来测定其硬度值(常用HRA，载荷60Kg)。由于硬质合金硬度高，金刚石压头损坏快，若测试值误差大，可采用比较

5、测试法，即用二块硬度分别比所待测试样硬和软的硬质合金标准块，与待测试样同时进行测试，再按下式算出待测试祥的硬度值。 式中：A：较硬的标准块硬度值。B：较软的标准块硬度值。A：较硬标准块的该次硬度测定值。B：较软标准块的该次硬度测定值。H ：特测试样的该次硬度测定值。 数值范围：硬质合金各牌号的的硬度值相差不大，一般在HRA8593之间，随钴含量的增加而降低。洛氏硬度的测试( ) A BH A A HA B 测试原理 维氏硬度维氏硬度试验方法是英国史密斯（R.L.Smith）和塞德兰德（C.E.Sandland）于1925年提出的。和布氏、洛氏硬度试验相比，维氏硬度试验测量范围较宽，从较软材料到

6、超硬材料，几乎涵盖各种材料。维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头是金刚石的正四棱锥体。维氏硬度试验时，在一定载荷的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度，除以计算压痕的表面积，载荷除以表面积的数值就是试样的硬度值，用符号HV表示。 硬质合金的常温抗弯强度在75250kg/mm2之间。一般含钴量越大，抗弯强度越高。含钴量一定时，碳化钛含量的增加会引起抗弯强度的下降。相比较，含钴量相同时，钨钴合金要比钨钛钴合金的抗弯强度要高。 抗弯强度测试比较适合于硬质合金这样的脆性材料，因为它们在弯曲时无明显塑性，最

7、大弯曲应力容易测得，且弯曲试样容易制备。 抗弯强度的测试标准试样：5530 硬质合金抗压强度为340-560kg/mm2。钨钴合金在含钴量为5%时抗压强度最大。细晶粒钨钴合金抗压强度较粗晶粒合金高，而钨钛钴合金抗压强度则低于钨钴合金。在钨钛钴合金中，抗压强度随碳化钛含量的增加而降低。 抗压强度测定可在普通材料试样机上进行，试样多为6(612)mm的圆柱试样。试样时，从试样两端加载直到断裂，则其抗压强度为：抗压强度的测定PF 式中：P试样断裂时的荷载（kg） F试样截面截面积（m m 2） 抗压强度（kg/m m 2）bc 硬质合金的冲击韧性较低，一般低于0.5公斤米/厘米2。含钴量高，冲击韧性

8、也高。粗晶粒钨钴合金的冲击韧性较细晶粒钨钻合金要高2030。 硬质合金冲击韧性的测试与一般金属材料相似，只是由于其冲击韧性较低，宜选用冲击能量较小的冲击试验机，一般36kg.m的摆锤就可满足要求。 试样截面一般是6.56.5、1010mm的正方形，其目的是使冲击试验可与抗弯试验共用同样形状的试样。国内常用的试样尺寸为191050mm。 当摆锤冲断试样后，记下冲击功并计算试样的冲击韧性： 式中： k： 冲击韧性（kgm/cm2）；AK ： 冲击功（kgm）；F ： 试样受力处的截面积（cm2）。 冲击韧性测试ak=Ak/F 测试条件：试样101050，冲击锤3-6Kg.m。 冲击韧度ak表示材料

9、在冲击载荷作用下，其抵抗变形和断裂的能力。 ak值的大小表示材料的韧性好坏。冲击韧性测试 断裂韧性是表征材料阻止裂纹扩展的能力。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。例如应力-应变曲线下的面积。 同硬质合金实际使用时施加应力方式能较好适应，并对外部试验条件不那么敏感的强韧性测量方法是断裂韧性。断裂韧性KIC是含有临界尺寸缺陷的试样的强度测量尺度，它反映了材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，是强度和塑性的综合表现。 断裂韧性的测试试样有两项特殊要求： 试样要预制裂纹： 试样应有足够厚度以保证裂纹尖端附近处于平面应变状态。此时，裂纹前端处于三向拉应力状态，塑性变形困难，裂纹易扩展

10、，材料脆性大。 裂纹预制有简单压痕法，机械压痕法，电火花切割法和疲劳试验预制法等。试样的形状有多种，如三点弯曲试样，四点弯曲试样，紧凑拉伸试样等。断裂韧性的测试 进行断裂韧性测试时，先将预制了裂纹的试样夹在材料试验机上进行三点弯曲断裂试验，连续记录P-V曲线（即载荷-位移曲线），并确定试样断裂或裂纹失稳扩张时的载荷PQ，然后按下式计算KQ： 由上式求出的值，只有在满足 1.1，B、a及W-a2.5 的条件下，才能被认为是有效的平面应变，断裂韧性KIC 1/2 3/2 5/2 7/2 9/23/2 2.9 4.6 21.8 37.6 38.7QQ P S a a a a aK BW W W W

11、W W QPP最大式中：S-三点弯曲试样的跨距 a-断裂时裂纹的平均长度 B-试样厚度 W-试样宽度20.2aK 断裂韧性的测试 切削寿命测定：相对寿命法 又称比较寿命法，它是将生产批中选取的试验刀片与检查刀片在完全相同的条件下进行切削试验，并根据试验刀片与检查刀片的寿命比来确定试验刀片的切削寿命系数。检查刀片是一种精心制造的刀片，其切削寿命系数是以与标准刀片进行切削比较试验来确定的。 实验刀片：从批量生产中抽取。 检查刀片：精心制备的刀片，与标准刀片切削寿命进行比较。 标准刀片：大批量生产的统计水平，或数据库。 HRB: 为了评价硬质合金刀片的切削能力，须测定其高温硬度。硬质合金的红硬性相当

12、好，在500以下硬度可维持不变，即使在10001100的高温下硬度仍有HRA7376，相当于HB430477。相比较，淬火钢在相同温度下只有HB3040。 HV：通常用维氏测定法测试高温硬度，也可洛氏测定法。例如，高温显微维氏硬度计其负荷为50、100和300克，测定压痕裂纹在放大300倍的显微镜下进行。高温硬度测试 高温抗弯强度：下图是一种适应于强度不太高的硬质合金高温抗弯强度测试仪器。其上、下支架之间对中良好，且由于密封，炉子热场稳定，炉温自动控制。用Ni-Cr丝加热时，工作室温度可达1000。高温抗弯强度 合金断口与金相组织 试样的制备：硬质合金的金相试样要求制面光亮，不允许有划痕和其他

13、缺陷。试样制备的步骤为；粗磨镶嵌细磨抛光精磨。 粗磨在6080#软质碳化硅砂轮上进行，试样表层应磨去23毫米厚。 细磨用含120180目SiC的高锰酸钾饱和溶液或180220目的碳化硼与煤油（或变压器油）的混合物作研磨剂进行研磨。 抛光在抛光机上进行，以帆布作抛光织物，以含有细氧化铝粉的高锰酸钾溶液做抛光液。抛好后试样应立即水洗，以免氧化。 精磨时用呢料作抛光织物，用颗粒小于3微米的碳化硼（用酒精调好）作研磨剂。研磨时住罗盘上滴入研磨剂和变压器油。 低倍组织观察 低倍组织检验是在100110倍的显微镜下进行，试样不需侵蚀，其目的是观察试样中的孔隙，污垢，未压好、分层，裂纹，欠烧及过烧等缺陷。

14、孔隙看上去是550微米的边界清楚的单个黑点。注意区别钴相或相的腐蚀假象与真实孔隙，前者颜色较淡，后者颜色较黑。 石墨夹杂常在磨样过程中被剥落而呈巢形聚集或片状孔隙。 低倍组织缺陷分层裂纹裂纹未压好 实验方法：硬质合金高倍组织的研究一般在1350倍的金相显微镜下进行，主要是检验钴相、WC相、TiC-WC相，及其他组织缺陷。 浸蚀剂：高倍组织检验一般要对试样进行浸蚀。硬质合金常用的浸蚀剂有如下三种： 20%NaOH（或KOH）和20K3Fe(CH)6（赤血盐）的混合水溶液。 10%NaOH（或KOH）和10%K3Fe(CH)6 （赤血盐）的混合水溶液。 FeCl3和浓盐酸的饱和溶液。 高倍组织检验

15、 钴相的检验：包括观察钴的分布特征和测定钴层的厚度。因钴相在显微镜下具有明亮的金属光泽，容易分辨，因此观察钴相时不必浸蚀。相的检验：观察相时必须先进行腐蚀，否则很难与钴相区别。只要在浸蚀剂中浸蚀5秒左右， 相便可显示出来。此时，在显微镜下相呈橙红色，随浸蚀时间延长其颜色逐渐加深直至黑色。相的形状各式各样，大小也各异。高倍金相组织 先用浸蚀剂浸蚀23分钟，让WC晶粒显露出来，再用浸蚀剂浸蚀10秒左右，以腐蚀钻相。合金牌号不同，浸蚀时间也有差别。如浸蚀时间不够，WC晶粒显露不清；如浸蚀过久，则部分细晶粒被溶解导致晶粒度的测定结果偏高。 a) YG6X合金 b) 加2wt TaC 的YG6X合金WC相的检验：YG合金 YT合金中TiC-WC固溶体相的检验与上述WC相的表征方法相同，但YT合金应在浸蚀剂中浸蚀数秒，再在马弗炉中于450500氧化5分钟左右，然后再用浸蚀剂浸蚀12分钟。此时，固溶体晶粒呈黄色，WC品粒呈白亮色。WC相的检验：YT合金