РОЗДІЛ 2
ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ТА
МЕХАНІКИ КОМПОЗИТНИХ МАТЕРІАЛІВ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ В ДИСЕРТАЦІЇ
В дисертаційній роботі для досягнення основної мети були використані загальні
положення стереометричної металографії, фізичного матеріалознавства, механіки
композитних матеріалів. Деякі з них представлені в даному розділі. При цьому в
підрозділах 2.1-2.3 викладено основні підходи до вивчення мікроструктурних
параметрів сплавів WC-Co. Підрозділи 2.4 та 2.8 присвячені розгляду загальних
співвідношень теорії термопружності та дислокаційної теорії деформаційного
зміцнення, що надалі використовуються в дисертації. В підрозділах 2.5 і 2.6
викладається алгоритм обчислення пружних модулів та коефіцієнта термічного
розширення сплавів групи ВК. А в підрозділі 2.7 запропо-новано формулу, що
дозволяє зв'язати параметри реальної тривимірної мікроструктури твердого сплаву
з аналогічними двовимірними характеристиками, отриманими на шліфі.
2.1. Опис параметрів мікроструктури твердих сплавів WC-Co
Мікроструктура твердого сплаву характеризується взаємним розта-шуванням,
формою і розмірами фаз, а також розмірами і формою зерен, що складають
кристалічні фази. При цьому під фазою розуміють одно-рідні складові частини
сплаву, що мають однаковий склад, кристалічну будову і властивості, той самий
агрегатний стан і відділені від інших складових частин поверхнями розділу [40].
Хімічні елементи, що утво-рюють сплав, називають компонентами. Сплав може
складатися з двох або більшого числа компонентів.
Формування мікроструктури твердого сплаву WC-Co відбувається при спіканні
суміші порошків карбіду вольфраму і кобальту. Процес спікання складається зі
стадій нагрівання до визначеної температури, витримки при цій температурі і
подальшому охолодженні. Температура спікання при виготовленні технічних сплавів
WC-Co (із масовим вмістом кобальту від 3 до 30%) звичайно дорівнює 1650-1750 K
[41]. Мікрострук-тура отриманого в такий спосіб твердого сплаву (рис.2.1)
представляє собою зерна карбіду вольфраму, зцементовані фазою, що їх зв'язує,
вона є твердим розчином на основі кобальту атомів вольфраму і вуглецю.
При цьому склад зерен WC залишається однорідним, тому що кобальт не
розчиняється в карбіді вольфраму. Кристалічна структура WC - це дві взаємо
проникаючі прості гексагональні гратки атомів вольфраму і вуглецю. Кобальт же
існує в двох модифікаціях: гексагональний щільноупакований a-кобальт
(низькотемпературна фаза) і гранецентрований кубічний b-кобальт
(високотемпературна фаза). У технічних твердих сплавах кобальтова зв'язка при
кімнатній температурі є переважно b-фазою [42]. Температура поліморфного
перетворення чистого кобальту дорівнює 717 K [2].
Якісний твердий сплав WC-Co є двофазним композитним матері-алом. Тому його
фізико-механічні властивості визначаються перш за все відповідними
властивостями карбідної фази WC і кобальтової зв'язки а також їх об'ємними
вмістами vCo і vWC. Цих параметрів достатньо при розгляді таких структурно
нечутливих макроскопічних характеристик твердого сплаву як модулі пружності,
коефіцієнт теплопровідності, коефіцієнт теплового розширення. Для визначення
структурно чутливих характеристик твердого сплаву, якими є, наприклад, границя
текучості, границя міцності, в'язкість руйнування, мікротвердість необхідне
більш детальне врахування геометричних особливостей його мікроструктури.
Додатковими характеристиками у цьому випадку являються розподілен-ня карбідних
зерен за розмірами, розподілення розмірів товщин кобаль-тових прошарків,
параметри зв'язності структури карбідної фази. Остан-ні визначаються числом
контактів Nk, що приходиться на одне зерно, та коефіцієнтом суміжності С, який
дорівнює відношенню подвоєної площі міжзернових границь фази WC до
x 3000
Рис.2.1. Мікроструктура твердого сплаву WC-Co
площі повної поверхні карбідних зерен (в одиниці об'єму твердого сплаву).
Зауважимо, що в більшості випадків у якості геометричних параметрів фаз
використовують лише середній діаметр карбідних зерен та середню товщину
кобаль-тового прошарку . На необхідність врахування розподілення діамет-рів dWC
і товщин lCo при розгляді проблеми структура-властивості звер-тається особлива
увага, наприклад, у монографіях [3, 43] та огляді [1].
Дослідженню форми зерен WC присвячена лише незначна кількість робіт.
Встановлено, що форма карбідних зерен в твердому сплаві змінюється від
рівноосної до пластинчатої. В результаті виявляється, що коефіцієнт відносного
подовження може змінюватися в значних інтервалах [1]. В роботі [44] за
допомогою фотографій мікрочастинок WC, вит-равлених із сплавів ВК, встановлено,
що зерна в об'ємі зпеченого твер-дого сплаву мають форму тригранної призми. При
цьому, в сплавах з низьким вмістом зв'язуючої фази вони набувають усічену форму
через взаємний вплив кристалів під час зростання.
2.2 Визначення параметрів мікроструктури
методом стереометричної металографії
Для визначення геометричних параметрів тривимірної мікроструктури твердих
сплавів WC-Co використовується, як правило, лінійний метод випадкових січних в
площині шліфа. Лінійні розміри кожної з фаз на шліфі характеризуються довжинами
хорд, що відсікаються контурами міжфазних та міжзернових границь на випадковій
січній прямій.
Лінійний метод зводиться до вимірювання та складання довжин відрізків lai,
i=1,2,...Na прямої, що проходить через фазу a на певній довжині січної прямої l
(база вимірювання). Визначається також кіль-кість відрізків фази Na на базі
вимірювання l. В загальному випадку двофазного композитного матеріалу фіксують
таким чином числа N1, N2
- Київ+380960830922