摘要
WC-Co基超粗晶硬质合金是煤炭采掘、岩石开采、巷道掘进等工程设备的关键材料，其服役寿命严重影响大型设备的施工效率和安全。深入了解WC-Co基超粗晶硬质合金的疲劳行为及关键影响因素，对于设计和开发高使用寿命的超粗晶硬质合金具有重要的指导意义。本文在制备超粗晶硬质合金的基础上，利用三点弯曲疲劳实验，研究了其疲劳性能随成分、外加载荷和应力比的变化，分析了超粗晶硬质合金的疲劳失效机制和添加剂Cr3C2、 TaC和VC对其疲劳性能的作用机理。 基于课题组开发的原位还原碳化技术和低压烧结工艺制备得到了晶粒尺寸介于5.67～6.80 μm之间的超粗晶硬质合金块体材料，比较研究了添加剂对硬质合金的晶粒尺寸、微观组织和力学性能的影响。添加剂可降低超粗晶硬质合金的平均晶粒尺寸，且Cr3C2和TaC的添加可使WC晶粒的尖角圆化，VC的添加可使WC晶粒边界呈锯齿状形貌。添加剂主要影响超粗晶硬质合金的抗弯强度，对其硬度影响不大。其中，当添加0.2％的Cr3C2时，可制备出维氏硬度HV30为1082kg/mm2、抗弯强度为2215 MPa的综合力学性能良好的超粗晶硬质合金。 获得了超粗晶硬质合金的疲劳性能随外加载荷和应力比的变化规律，并揭示了超粗晶硬质合金的疲劳断裂特征。超粗晶硬质合金的疲劳寿命随着循环载荷的增加呈指数型下降，随应力比的增加明显增加;与单次弯曲断裂试样相比，疲劳断裂试样断口处WC晶粒的穿晶断裂比例明显增加，WC晶粒内产生了更高密度、多方向的位错和层错，且有更多的fcc-Co转变为hcp-Co相。 分析了超粗晶硬质合金在不同循环次数下的微观组织演变，揭示了裂纹的形成及扩展机理。疲劳微裂纹首先在WC晶粒中产生，随着循环次数的增加，裂纹进一步扩展并诱发Co相的变形和断裂，同时WC晶粒中产生大量次生微裂纹。循环载荷下超粗晶硬质合金的疲劳失效是Co相和WC晶粒变形共同作用的结果，两者间的位错储存能存在稳定的关系，即EWC≈4.9 ECo。 研究了添加剂对超粗晶硬质合金疲劳性能的影响，明确了Cr3C2、TaC和VC在疲劳失效过程中的作用机理。少量Cr原子可固溶在Co相中，通过对Co粘结相的强化提高超粗晶硬质合金的疲劳性能，而过多的Cr原子在界面处形成脆性碳化物M7C3，降低超粗晶硬质合金的疲劳性能;Ta原子固溶于WC晶粒中，增加了WC中位错运动阻力并改变了位错形态，使含TaC超粗晶硬质合金呈现出良好的疲劳性能;VC易于在界面处形成层状组织并使WC晶粒呈现锯齿状形貌，降低界面结合强度和应力分布均匀性，从而严重降低超粗晶硬质合金的疲劳性能。
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