北京工業大學硬質合金：殘余熱應力對粉末冶金硬質合金力學行為的影響

硬質合金是金屬陶瓷復合材料的典型代表，被廣泛應用于各種模具和加工工具。硬質合金塊材或棒料通常由粉末冶金方法制備，因獲得高的致密度需要足夠高的燒結溫度，使得制備態的硬質合金中不可避免地存在數值較大且分布狀態復雜的殘余熱應力。這種分布于復相組織的殘余熱應力受多種因素的影響，對其進行準確的定量化描述是金屬陶瓷復合材料領域的共性難題。進一步，由硬質合金加工制造的工模具在使用時，其制備態殘余熱應力與外加載荷產生交互作用，必然影響材料的力學行為和服役性能。因此，對硬質合金制備態殘余熱應力進行準確到局部微觀組織結構的定量化描述，并研究殘余熱應力條件下材料在承載過程中的應力應變響應特征，對全面理解硬質合金應用過程中的力學行為、失效機制和性能增強途徑等，均具有重要的意義。

在這一研究方向上，近日，北京工業大學宋曉艷教授團隊在解決粉末冶金方法制備硬質合金的殘余熱應力精確分析及其對材料力學行為的影響等方面取得重要進展，研究工作以“Effects of residual thermal stress on mechanical behavior of cermets with different grain sizes”為題發表于Acta Materialia上，第一作者為博士生陳靜洪。這是該研究團隊自2018年關于硬質合金中界面相穩定性調控（Acta Mater. 2018, 149, 164-178， https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.02.018）、2019年關于硬質合金中特征晶界分布增強新方法及原理（Acta Mater. 2019, 175, 171-181， https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.06.015）之后，關于硬質合金組織-性能構效關系研究的又一篇Acta Mater文章（Acta Mater. 2021, 221, 117428）。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117428

在此研究工作中，提出了構建金屬陶瓷復合材料真實組織和物相分布的有限元模型。結合有限元模擬和透射電子顯微觀測、X射線衍射實驗等定量化確定了殘余熱應力分布特征及其與硬質合金組織形貌、晶粒尺寸等的關系，進而對材料在承載過程中外加應力與制備態殘余熱應力之間的交互作用及其對材料力學行為的影響進行了系統研究，為通過微觀組織結構優化調控殘余熱應力分布進而實現金屬陶瓷復合材料的強韌化提供了科學依據。

圖1 基于硬質合金真實組織的SEM圖像構建有限元模型的過程：(a₁)-(a₃)不同WC平均晶粒尺寸的硬質合金制備態微觀組織；(b₁)-(b₃)相應樣品微觀組織的幾何邊界；(c₁)-(c₃)由樣品真實組織構建的有限元模型圖。

基于構建的來自真實組織和物相分布的硬質合金有限元模型，對殘余熱應力在復相組織中的分布規律進行了定量研究，發現鄰接金屬粘結相的WC/WC晶界附近區域的WC相中壓應力較大，其方向幾乎垂直于WC/Co和WC/Co界面所構成的角平分線，此殘余應力有利于提高材料的韌性；而WC/Co相界附近的金屬粘結相中拉應力數值較高，遠離WC/WC晶界的WC/Co界面附近的金屬相中拉應力幾乎平行于WC/Co相界，狹窄的金屬相薄層中的高應力對材料韌性不利，這可能是導致這些界面區域較早發生裂紋萌生的根源。

圖2 不同WC平均晶粒尺寸的硬質合金樣品中陶瓷相的最小主應力云圖：(a) 0.45 μm, (b) 0.80 μm, (c) 1.80 μm以及最小主應力方向分布(d)。

圖3 不同WC平均晶粒尺寸的硬質合金樣品中金屬相的最大主應力云圖：(a) 0.45 μm, (b) 0.80 μm, (c) 1.80 μm以及最大主應力方向分布(d)。

圖4 不同WC平均晶粒尺寸的硬質合金樣品中單元平均殘余熱應力的頻率分布：(a) WC相；(b) Co相。

對制備態WC-Co硬質合金的組織和晶體缺陷的TEM分析發現，等軸狀Co中無明顯的位錯或變形帶，而Co薄層和位于WC晶粒間夾角的Co相中有明顯的變形帶和高密度位錯存在。表明這些區域的Co相發生了較大的局部塑性變形，即硬質合金從燒結溫度冷卻至室溫時，這些區域會產生較高的殘余熱應力。在三晶交匯點附近，鄰近WC/WC晶界和WC/Co相界的WC中存在明顯壓應變，即這些區域的WC中具有較高的壓縮殘余熱應力。因此，實驗結果驗證了模擬預測的硬質合金微觀組織中殘余熱應力的分布規律。此外，采用X射線衍射方法實際測試了硬質合金表面平均殘余熱應力隨晶粒尺寸的變化，與模擬結果完全一致。

圖5 硬質合金制備態不同形貌特征的微觀組織的實驗觀測：(a)-(d)中紫色箭頭表示Co相中的變形帶和位錯，黃色箭頭表示WC相中的應力條紋。

對硬質合金在承載過程中外加應力與制備態殘余熱應力之間的交互作用的研究表明，殘余熱應力的存在使材料在較低載荷下出現宏觀不明顯的塑性變形，其累積速率隨WC平均晶粒尺寸的增大而加快；殘余熱應力的存在提高了材料的有效彈性模量，提升幅度隨WC平均晶粒尺寸的增大而減小。

圖6 存在和不存在殘余熱應力的初始狀態下，不同平均晶粒尺寸（0.45 μm (a), 0.80 μm (b), 1.80 μm (c)）的硬質合金試樣細觀應力—應變曲線的計算結果以及中子衍射實驗結果(d)。

為了進一步研究微觀結構和殘余熱應力對應變響應的影響，對粘結相具有不同形態特征的硬質合金設計了不同的初始條件進行了壓縮模擬。結果表明：殘余熱應力與外加應力間的交互作用具有各向異性，此交互作用使金屬粘結相對于外加載荷具有漸變而后趨于基本穩定的應變響應速率。

圖7 以殘余熱應力為初始應力狀態，不同WC平均晶粒尺寸的硬質合金中金屬粘結相的細觀應變響應：(a) 軸向應變響應，(b) 橫向應變響應。

圖8 硬質合金的金屬粘結相中不同位點的塑性變形累積規律：(a) 無初始應力，(b) 初始態存在殘余熱應力。

由于粉末冶金制備的硬質合金中殘余熱應力實際上是無法避免的，利用材料微觀組織結構的特征調控制備態殘余熱應力的分布狀態，對后續材料在服役過程中對外加載荷的力學響應以及材料體現的力學性能至關重要。該項工作通過對制備態殘余熱應力與外加應力之間相互作用的系統計算，指出：在一定壓縮載荷下，減小陶瓷相晶粒尺寸、降低金屬粘結相薄層的分布比例、增加三叉界面的體積分數，是調控制備態殘余熱應力、同步實現硬質合金強韌化的有效途徑。

該項研究得到了國家自然科學基金重點項目（51631002）的支持。

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