粉末冶金原理第1頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四硬質合金和金屬陶瓷這一類復合材料的強化屬于顆粒強化。硬質合金和金屬陶瓷類復合材料就是利用金屬硬質化合物和金屬結合的。硬質合金是利用金屬硬質化合物相的高硬度與金屬的塑性而用作切削工具和耐磨件；金屬陶瓷是利用金屬硬質化合物相的高溫強度與金屬的塑性而用作耐熱材料。

第2頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四硬質合金包括：所謂粘結碳化物的含鎢硬質合金；）無鎢硬質合金，如碳化鈦基硬質合金，碳化鉻基硬質合金（抗氧化性和抗腐蝕性好）；鋼結硬質合金等。金屬陶瓷有：氧化物基金屬陶瓷；碳化物基金屬陶瓷；）其他難熔金屬化合物（氮化物、硼化物、硅化物）基金屬陶瓷等。

第3頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四難熔金屬硬質化合物第4頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四

某些碳化物的主要性能第5頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四某些氮化物的主要性能第6頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四一、金屬陶瓷性能及其影響因素

氧化物基金屬陶瓷最先研究的是Al2O3-Cr金屬陶瓷，在高溫性能上，特別是在抗氧化性和化學穩定性方面較為優越。眾所周知，碳化鎢用鈷粘結的金屬陶瓷材料是作為切削工具發展起來的，不是作耐熱結構材料用的。比碳化鎢具有更好性能的碳化鈦作為耐熱材料的基體更適宜。碳化鈦比化鎢難熔，這一點是耐熱材料用在旋轉部件中一個很重要的性能；碳化鈦的抗氧化能力也比碳化鎢強。因此，碳化鈦基金屬陶瓷得到了廣泛的研究和應用。碳化鈦基金屬陶瓷作為切削材料使用就是碳化鈦基硬質合金，這類硬質合金適于碳素鋼、合金鋼、不銹鋼等的精加工。在這一節里主要討論碳化鈦基金屬陶瓷。第7頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四下面主要討論碳化鈦基金屬陶瓷的性能及影響：1.機械性能某些碳化鈦基金屬陶瓷的機械性能如表所示第8頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四碳化鈦基金屬陶瓷的硬度比鑄造的X40高溫合金的硬度高；碳化鈦基金屬陶瓷的抗彎強度和抗拉強度在室溫下是相當高的，WZ-12型的金屬陶瓷在20-300℃范圍內還可以保持其抗彎強度和抗拉強度，而WZ-12型的金屬陶瓷甚至在400℃還可以保持其抗彎強度和抗拉強度。這幾種金屬陶瓷的抗彎強度和抗拉強度與溫度的關系如圖所示。第9頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四影響：粘結劑含量極大地影響金屬陶瓷的密度、硬度和強度。從表可以看出，隨著粘結劑含量的增加，密度和抗彎強度是增加的，而硬度是降低的。當前碳化鈦基金屬陶瓷的主要缺陷是沖擊韌性差，從表中的數據可以看出，沖擊功無論是室溫還是高溫下都比鑄造的X40高溫合金的差很多。。。。。。。第10頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2.抗氧化性

對于高溫下工作的材料來說，抗氧化性是很重要的。金屬陶瓷一般來說具有較好的抗氧化性。材料的抗氧化能力取決于表面氧化物的特征。如果氧化層是致密的，能阻礙金屬原子由內部向表面擴散和氧原子由氣氛中向金屬內擴散，材料的抗氧化能力就高；反之，氧化物層疏松，則抗氧化能力差。此外，所形成的氧化物層的成分愈復雜，則金屬原子和氧原子通過氧化層擴散愈困難，因而材料的抗氧化能力也就愈高。幾種金屬陶瓷在980℃保持200h后的氧化層厚度如圖所示所示。第11頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四影響：用TiC-TaC-NbC固溶體代替部分TiC，促進生成一層牢固的氧化膜，可以改善碳化鈦基金屬陶瓷的抗氧化能力。加入某些元素也可改善碳化鈦基金屬陶瓷的抗氧化能力。又如加入少量硅也可改善碳化鈦基金屬陶瓷的抗氧化能力。但是要注意，硅量過多時往往有較脆的硅化物生成，如與鎳生成鎳的硅化物，從而大大降低金屬陶瓷的強度。第12頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四3.抗熱震性抗熱震性是材料抵抗由于環境溫度突然變化而產生的熱應力導致破壞的能力。當材料處于熱應力的條件下，材料的抗拉強度要大于熱應力，材料才不致破壞。

穩定態的熱應力與下列因素有關：

因此，要求熱應力小時，材料的熱脹系數、彈性模量、泊松比和溫度差都要小。研究者們將某些性能與抗熱震性聯系起來：第13頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四R‘稱為熱應力參值，熱應力參值愈大，抗熱震性愈好。要求材料抗熱震性好，則要求材料具有高的抗拉強度和高的熱導率，低的熱脹系數和低的彈性模量以及低的泊松比。抗熱震損害參數的關系式：抗熱震損害參數越大，材料抗熱震性越好。為了達到高的，要求材料具有高的表面斷裂能和低的斷裂彈性能。而斷裂彈性能低，即要求具有高的彈性模量和低的抗拉強度。第14頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四二、硬質合金性能及其影響因素

硬質合金是硬質化合物和粘結金屬的矛盾統一體。隨著生產技術的發展，要求高耐磨性和高強度的硬質合金日益迫切，在發展硬質合金中希望耐磨性和強度得到兼顧，并且這一種性能的提高必需不損害另一種性能，最好強度和硬度同時提高，但強度的提高尤為重要。下面分別來討論影響硬質合金強度和硬度的因素，著重討論強度方面的問題。1.合金的組成1）對硬度的影響各種硬質化合物的性能已如前述。一般來說，碳化物晶粒度相同時，合金中碳化物含量越高，粘結金屬（鈷）含量越低，則合金的硬度越高。含鈷量一樣時，鎢鈦鈷合金的硬度比鎢鈷合金的高。第15頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2）對強度的影響合金抗彎強度是合金韌性的標志，從組成來說，碳化物晶粒度相同時，粘結金屬（鉆）含量愈高，則合金抗彎強度也愈高。2.合金的燒結組織合金的燒結組織包括碳化物相晶粒度、粒度分布和鄰接度以及粘結相的分布等。1）對WC-Co合金硬度和強度的影響第16頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四WC-Co合金的硬度隨WC晶粒度和鈷相平均自由路程的增大線性地下降。3.合金中碳的含量4.合金中的剩余孔隙度5.合金的表面狀態和體積大小三、硬質合金的斷裂機理1.WC-Co合金強度成分曲線左支線的斷裂機理

WC-Co合金強度成分曲線左支線的主要特征是隨著鈷含量增加強度增加。為了解釋左支線合金斷裂的特性，克列依麥爾認為合金的斷裂是脆性斷裂，根據格雷菲斯方程式，這種合金的強度決定于裂紋的萌生和擴展。為此，有必要先介紹一下格雷菲斯的微裂紋理論。

第17頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四圖為格雷菲斯裂紋的示意圖裂紋的能量與長度關系的示意圖第18頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2.WC-Co合金強度-成分曲線右支線的斷裂機理古蘭德的解釋：

古蘭德用彌散強化