Wytrzymałość węglika wolframu na ściskanie i granica plastyczności przy rozciąganiu

Węglik wolframujako istotny materiał z węglika spiekanegojest szeroko stosowany w sektorach przemysłowych. Jego właściwości mechaniczne mają bezpośredni wpływ na żywotność i niezawodność. Zarówno granica plastyczności przy ściskaniu, jak i granica plastyczności przy rozciąganiu służą jako podstawowe wskaźniki do oceny nośności materiału. Zrozumienie tych parametrów wymaga analizy z trzech perspektyw: struktury materiału, metodologii testowania i praktycznych zastosowań.

Węglik wolframu tworzy gęsto spiekaną strukturę krystaliczną poprzez wysokotemperaturowe wiązanie atomów wolframu i węgla, nadając materiałowi wyjątkową twardość. Granica plastyczności przy ściskaniu oznacza krytyczną wartość naprężenia, przy której rozpoczyna się odkształcenie plastyczne pod ciągłym obciążeniem ściskającym, zwykle mierzone za pomocą uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej. Podczas badania, cylindryczne próbki są umieszczane pomiędzy płytami ściskającymi, poddawanymi naciskowi osiowemu ze stałą prędkością. Wartość naprężenia odpowiadająca wyraźnemu punktowi przegięcia na krzywej naprężenie-odkształcenie określa granicę plastyczności przy ściskaniu. Jako materiał ceramiczny, czysty węglik wolframu wykazuje wysoką twardość i kruchość, przy stosunkowo niskiej wytrzymałości na rozciąganie, na którą znaczący wpływ mają procesy produkcyjne (np. gęstość spiekania, wielkość ziarna). Czysty węglik wolframu ma wytrzymałość na rozciąganie 344 MPa. Węglik wolframu klasy przemysłowej jest zwykle łączony z metalami wiążącymi, takimi jak kobalt (Co) i nikiel (Ni), w celu związania cząstek węglika wolframu, znacznie poprawiając kruchość i zwiększając wytrzymałość na rozciąganie. Ten materiał kompozytowy jest powszechnie nazywany węglikiem spiekanym. Wytrzymałość na ściskanie spiekanych węglików wolframu wynosi zazwyczaj od 4 000 do 6 000 MPa (580 151-870 226 psi).co odpowiada wytrzymałości 400-600 kilogramów na milimetr kwadratowy. Poniższa tabela przedstawia wytrzymałość na rozciąganie i granicę plastyczności cementowanego węglika wolframu dla poszczególnych gatunków:

Granica plastyczności spiekanego węglika wolframu odzwierciedla zdolność materiału do przeciwstawiania się pękaniu pod wpływem rozciągania. Podczas badania końce próbki są zaciskane w maszynie do prób rozciągania. Wraz ze wzrostem siły ciągnącej, punktem przejścia, w którym materiał przechodzi od odkształcenia sprężystego do odkształcenia plastycznego, jest granica plastyczności przy rozciąganiu. Ze względu na znaczną kruchość węglików spiekanych, granica plastyczności przy rozciąganiu węglika wolframu jest znacznie niższa niż jego wytrzymałość na ściskanie, zwykle w zakresie od 1000 do 1500 MPa. Cecha ta wymaga zwrócenia szczególnej uwagi na unikanie koncentracji naprężeń rozciągających podczas projektowania komponentów z węglika wolframu, takich jak stosowanie zaokrąglonych przejść na krawędziach narzędzi skrawających.

Stosunek składu materiału ma bezpośredni wpływ na właściwości mechaniczne. Przy każdym wzroście zawartości kobaltu o 1% jako fazy wiążącej, wytrzymałość na ściskanie spada o około 80 MPa, ale poprawia się ciągliwość. Przykładowo, konkretny model stopu do wiercenia w skałach górniczych z kobaltem 6% osiąga wytrzymałość na ściskanie 5800 MPa, podczas gdy w przypadku płytki skrawającej z kobaltem 15% wytrzymałość na ściskanie spada do 4200 MPa. Kontrolowanie wielkości ziaren węglika wolframu w zakresie od 0,5 do 2 mikrometrów zapewnia optymalną równowagę wytrzymałości; zbyt drobne ziarna mogą powodować nierównomierne rozprowadzanie fazy wiążącej, podczas gdy zbyt grube ziarna są podatne na tworzenie miejsc inicjacji pęknięć.

Zmiany temperatury nieliniowo wpływają na wskaźniki wytrzymałości. Dane eksperymentalne pokazują, że gdy temperatura robocza przekracza 600°C, wytrzymałość na ściskanie węglika wolframu spada w tempie 0,8% na stopień Celsjusza. Przykładowo, wytrzymałość na ściskanie pierścienia uszczelniającego silnika lotniczego pracującego w temperaturze 800°C spada z 5200 MPa w temperaturze pokojowej do 3200 MPa. Główną przyczyną zmniejszenia wytrzymałości w wysokich temperaturach jest propagacja mikropęknięć spowodowana naprężeniami termicznymi; dodanie pierwiastków takich jak chrom i wanad może zwiększyć stabilność w wysokich temperaturach.

W wiertnictwie naftowym frezy PDC muszą jednocześnie wytrzymywać ściskanie formacji i naprężenia udarowe. Konkretny model frezu wykorzystuje konstrukcję gradientową: warstwa powierzchniowa zawiera ziarna węglika wolframu rafinowane do 0,8 mikrometra, podczas gdy rdzeń zachowuje ziarna 2-mikrometrowe. Testy wykazały wytrzymałość na ściskanie na poziomie 5500 MPa i wytrzymałość na rozciąganie 1300 MPa, co daje 40% dłuższą żywotność w porównaniu do jednorodnej struktury. Podczas cięcia metalu kąt natarcia narzędzia tnącego ma bezpośredni wpływ na stan naprężenia; ujemny kąt natarcia przekształca siły tnące w naprężenie ściskające, w pełni wykorzystując przewagę wytrzymałości materiału na ściskanie.

Kontrola jakości wymaga zwrócenia szczególnej uwagi na wykrywanie wad. Porowatość przekraczająca 0,05% może zmniejszyć wytrzymałość na ściskanie o 15%. Testy ultradźwiękowe mogą wykryć defekty wewnętrzne większe niż 0,1 mm. Analiza uszkodzeń partii matryc do tłoczenia na zimno ujawniła niespiekane pory o wielkości 0,3 mm wewnątrz matrycy, co spowodowało, że rzeczywista wytrzymałość na ściskanie wynosiła tylko 72% wartości nominalnej.

Badania nad modyfikacją materiałów osiągnęły przełom: nano-Węglik wolframu o strukturze warstwowej utrzymuje wytrzymałość na ściskanie na poziomie 4800 MPa, jednocześnie zwiększając wytrzymałość na rozciąganie do 1800 MPa. Struktura ta, utworzona przez naprzemienne osadzanie warstw węglika wolframu o grubości 5 nm i warstw metalu o grubości 2 nm, skutecznie hamuje propagację pęknięć. Dane laboratoryjne wskazują, że odporność na pękanie zmodyfikowanego materiału wzrosła 2,3-krotnie i został on zastosowany w produkcji precyzyjnych matryc tłoczących.

Rzeczywisty wybór musi kompleksowo uwzględniać warunki pracy. W przypadku zastosowań z częstymi obciążeniami udarowymi należy wybierać preparaty o niższej wytrzymałości na ściskanie, ale wyższej ciągliwości. W przypadku długotrwałych środowisk wysokiego ciśnienia priorytetem są materiały o najwyższej wytrzymałości na ściskanie. Przykładowo, po wymianie głowicy młota kruszarki górniczej na materiał o wysokiej zawartości kobaltu (12%), mimo że wytrzymałość na ściskanie spadła do 4500 MPa, żywotność wzrosła 3-krotnie, ponieważ zwiększona wytrzymałość materiału skutecznie opierała się cyklicznym uderzeniom.

Analiza przypadków awarii ujawnia współzależność wskaźników wytrzymałości. Pęknięcie koszyka łożyska precyzyjnego było spowodowane tym, że wytrzymałość surowca na rozciąganie wynosiła zaledwie 980 MPa, czyli poniżej wymagań projektowych 1200 MPa. Dalsza analiza wykazała, że niska temperatura spiekania doprowadziła do niewystarczającej siły wiązania na granicy ziaren; chociaż twardość spełniała normę, rzeczywista wytrzymałość była niewystarczająca. Przypadek ten pokazuje, że wybór materiału nie może opierać się wyłącznie na twardości; niezbędne są kompleksowe testy właściwości mechanicznych.

Nasza firma znajduje się w pierwszej dziesiątce w Chinach producenci węglików spiekanych. W przypadku zapotrzebowania na produkty z węglika spiekanego, prosimy o skontaktuj się z nami.