Résistance à la compression et limite d'élasticité en traction du carbure de tungstène

Carbure de tungstène Le carbure de tungstène pur forme une structure cristalline frittée dense grâce à la liaison à haute température d'atomes de tungstène et de carbone, ce qui confère au matériau une dureté exceptionnelle. En tant que matériau céramique, le carbure de tungstène pur présente une dureté et une fragilité élevées, avec une résistance à la traction relativement faible, fortement influencée par les processus de fabrication (par exemple, la densité de frittage, la taille des grains). Le carbure de tungstène pur a une résistance à la traction de 344 MPa.. Le carbure de tungstène de qualité industrielle est généralement associé à des métaux liants tels que le cobalt (Co) et le nickel (Ni) pour lier les particules de carbure de tungstène, ce qui améliore considérablement la fragilité et la résistance à la traction. Ce matériau composite est communément appelé carbure cimenté. La résistance à la compression des carbures de tungstène cémentés est généralement comprise entre 4 000 et 6 000 MPa (580 151-870 226 psi).Le carbure de tungstène cémenté a une résistance à la traction et une limite d'élasticité de 400 à 600 kilogrammes par millimètre carré. Le tableau ci-dessous présente les résistances à la traction et à l'élasticité du carbure de tungstène cémenté pour des qualités spécifiques :

Carbure cémenté	Grade	Composition chimique	Résistance à la traction（MPa）	Limite d'élasticité（MPa)
WC-Co Faible teneur en cobalt	YG6	WC-6%Co	1400~1800	1500~1800
WC-Co Cobalt moyen	YG8	WC-8%Co	1800~2200	1600~2000
WC-Co Haute teneur en cobalt	YG15	WC-15%Co	2400~2800	1200~1500
Taille de grain ultrafine WC-Co	YG10X	Granulométrie ultrafine WC-10% Co	3000~3500	2000~2500
WC-TiC-Co	YT15	WC-15%TiC-6%Co	1100~1500	1000~1300
WC-Ni-Fe	YN10	WC-10%Ni-5%Fe	1600~2000	1400~1700

La limite d'élasticité du carbure de tungstène cémenté reflète la capacité du matériau à résister à la rupture sous tension. Pendant l'essai, les extrémités de l'échantillon sont serrées dans une machine d'essai de traction. Au fur et à mesure que la force de traction augmente, le point de transition où le matériau passe de la déformation élastique à la déformation plastique correspond à la limite d'élasticité à la traction. En raison de la fragilité importante des carbures cémentés, la limite d'élasticité à la traction du carbure de tungstène est nettement inférieure à sa résistance à la compression, allant généralement de 1000 à 1500 MPa. Cette caractéristique nécessite une attention particulière pour éviter les concentrations de contraintes de traction lors de la conception des composants en carbure de tungstène, comme l'utilisation de transitions arrondies sur les arêtes des outils de coupe.

Le rapport de composition du matériau influence directement les propriétés mécaniques. Pour chaque augmentation de 1% de la teneur en cobalt en tant que phase liante, la résistance à la compression diminue d'environ 80 MPa, mais la ténacité s'améliore. Par exemple, un modèle spécifique d'alliage de forage de roche minière avec 6% de cobalt atteint une résistance à la compression de 5800 MPa, tandis qu'une plaquette de coupe avec 15% de cobalt voit sa résistance à la compression réduite à 4200 MPa. Le contrôle de la taille des grains de carbure de tungstène entre 0,5 et 2 micromètres permet d'obtenir un équilibre optimal de la résistance ; les grains trop fins peuvent entraîner une distribution inégale de la phase liante, tandis que les grains trop grossiers sont susceptibles de former des sites d'amorçage de fissures.

Les changements de température affectent de manière non linéaire les indicateurs de résistance. Les données expérimentales montrent que lorsque la température de fonctionnement dépasse 600°C, la résistance à la compression du carbure de tungstène diminue à un taux de 0,8% par degré Celsius. Par exemple, la résistance à la compression d'un joint d'étanchéité de moteur d'avion fonctionnant à 800°C passe de 5200 MPa à température ambiante à 3200 MPa. La cause principale de la réduction de la résistance à haute température est la propagation de microfissures due à la contrainte thermique ; l'ajout d'éléments tels que le chrome et le vanadium peut améliorer la stabilité à haute température.

Dans les forages pétroliers, les fraises PDC doivent simultanément résister à la compression de la formation et à la tension de l'impact. Un modèle spécifique de fraise utilise une structure à gradient : la couche superficielle comporte des grains de carbure de tungstène affinés à 0,8 micromètre, tandis que le noyau conserve des grains de 2 micromètres. Les tests montrent une résistance à la compression de 5500 MPa et une résistance à la traction de 1300 MPa, ce qui se traduit par une durée de vie 40% supérieure à celle d'une structure homogène. Dans la coupe des métaux, l'angle de coupe de l'outil affecte directement l'état de contrainte ; un angle de coupe négatif convertit les forces de coupe en contraintes de compression, ce qui permet d'utiliser pleinement l'avantage de la résistance à la compression du matériau.

Le contrôle de la qualité exige une attention particulière à la détection des défauts. Une porosité supérieure à 0,05% peut réduire la résistance à la compression de 15%. Le contrôle par ultrasons permet de détecter des défauts internes de plus de 0,1 mm. L'analyse des défaillances d'un lot de matrices de frappe à froid a révélé un pore non fritté de 0,3 mm à l'intérieur de la matrice, ce qui fait que la résistance à la compression réelle n'est que de 72% de la valeur nominale.

La recherche sur la modification des matériaux a fait une percée : nano-Le carbure de tungstène structuré en couches maintient une résistance à la compression de 4800 MPa tout en augmentant la résistance à la traction à 1800 MPa. Cette structure, créée en déposant alternativement des couches de carbure de tungstène de 5 nm d'épaisseur et des couches de métal de 2 nm d'épaisseur, inhibe efficacement la propagation des fissures. Les données de laboratoire indiquent que la résistance à la rupture du matériau modifié a été multipliée par 2,3 et qu'il a été appliqué à la fabrication de matrices d'emboutissage de précision.

Le choix effectif doit tenir compte de l'ensemble des conditions de travail. Pour les applications soumises à des charges d'impact fréquentes, il convient de choisir des formulations présentant une résistance à la compression plus faible mais une ténacité plus élevée. Pour les environnements à haute pression soutenue, les matériaux présentant une résistance à la compression maximale sont prioritaires. Par exemple, après avoir remplacé la tête de marteau d'un concasseur minier par une formule à haute teneur en cobalt (12%), bien que la résistance à la compression soit tombée à 4500 MPa, la durée de vie a été multipliée par trois car la ténacité accrue du matériau a permis de résister efficacement aux impacts cycliques.

L'analyse d'un cas de défaillance révèle l'interdépendance des indicateurs de résistance. La rupture d'une cage de roulement de précision a été attribuée à la résistance à la traction de la matière première, qui n'était que de 980 MPa, soit inférieure à l'exigence de conception de 1200 MPa. Une analyse plus poussée a montré qu'une température de frittage basse entraînait une résistance insuffisante de la liaison des joints de grains ; bien que la dureté soit conforme à la norme, la résistance réelle était inadéquate. Ce cas démontre que la sélection des matériaux ne peut pas reposer uniquement sur la dureté ; il est essentiel de procéder à des essais complets des propriétés mécaniques.

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