О параметрах микроструктуры трехфазного композитного материала
На основании метода линейного анализа установлена связь между параметрами микроструктуры в плоскости шлифа трехфазного композитного материала. Матрица такого композита образована двумя фазами со структурой взаимно проникающих каркасов, а частицы третьей фазы равномерно распределены в ней. К материал...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63382 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | О параметрах микроструктуры трехфазного композитного материала / В.Т. Головчан // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 2. — С. 17-21. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859518188077711360 |
|---|---|
| author | Головчан, В.Т. |
| author_facet | Головчан, В.Т. |
| citation_txt | О параметрах микроструктуры трехфазного композитного материала / В.Т. Головчан // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 2. — С. 17-21. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | На основании метода линейного анализа установлена связь между параметрами микроструктуры в плоскости шлифа трехфазного композитного материала. Матрица такого композита образована двумя фазами со структурой взаимно проникающих каркасов, а частицы третьей фазы равномерно распределены в ней. К материалам данного класса относятся, в частности, алмазосодержащие композитные материалы инструментального назначения.
|
| first_indexed | 2025-11-25T20:47:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 2 17
УДК 519.688:536.2:669.018.25
В. Т. Головчан (г. Киев)
О параметрах микроструктуры трехфазного
композитного материала
На основании метода линейного анализа установлена связь ме-
жду параметрами микроструктуры в плоскости шлифа трехфазного компо-
зитного материала. Матрица такого композита образована двумя фазами со
структурой взаимно проникающих каркасов, а частицы третьей фазы равномер-
но распределены в ней. К материалам данного класса относятся, в частности,
алмазосодержащие композитные материалы инструментального назначения.
Ключевые слова: микроструктура, трехфазный композит, ал-
мазосодержащий композитный материал, удельные межфазные и межзеренные
поверхности.
Введение. Среди большого разнообразия сверхтвердых ком-
позитных материалов инструментального и конструкционного назначения
довольно обширную группу составляют трехфазные композиты. Укажем,
прежде всего, на алмазно-металлические материалы с многокомпонентными
связками. Химическое взаимодействие между компонентами приводит к об-
разованию третьей фазы в форме интерметаллидов, размер частиц и концен-
трация которых зависит от состава связующего [1]. Алмазно-металлические
композиты с пористой матрицей также можно рассматривать как трехфазные
(третью фазу составляют поры).
Для оснащения буровых долот широко используют трехфазный алмазосо-
держащий композит на основе твердого сплава WC—Co. Заметим при этом,
что сам твердый сплав может содержать третью фазу в случае незначитель-
ного (десятые доли процента) отклонения содержания углерода в карбиде
вольфрама от стехиометрии [2].
Целью настоящей работы было установление связи между параметрами
микроструктуры трехфазного композитного материала, предполагая, что
матрицу такого композита образуют две фазы с геометрией взаимно прони-
кающих каркасов, а частицы третьей фазы равномерно распределены в мат-
рице.
Вывод основных соотношений. Для установления связи между парамет-
рами микроструктуры трехфазного композитного материала воспользуемся
методом линейного анализа [3]. Пусть в плоскости шлифа (рисунок) на слу-
чайно ориентированной прямой линии выбрана база измерения L = L1 + L2 +
L3, где Li — длина приходящегося на i-ую фазу участка. В этом случае объ-
емное содержание фаз в композите определяется следующими равенствами:
3,2,1, == i
L
L
V i
i . (1)
Величину Li составляют Ni пересечений частиц i-ой фазы с длиной lk, i, т. е.
.3,2,1,
1
, ==∑
=
ilL
iN
k
iki (2)
© В. Т. ГОЛОВЧАН, 2009
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 18
Структура трехфазного композита (схема).
Среднее значение размеров этих частиц вычисляют по формуле
.3,2,1, == i
N
Ll
i
i
i (3)
Из приведенных равенств (1) и (3) легко вывести следующие соотноше-
ния:
.;
3
3
3
2
2
2
1
1
1332211 V
lN
V
lN
V
lNLNlNlNlL ===++= (4)
В общем случае трехфазного композитного материала прямая линия в
плоскости шлифа пересекает следы трех межзеренных и трех межфазных
граничных поверхностей. При этом в соответствии со вторым основным сте-
реометрическим соотношением [3, 4] удельные площади (на единицу объема
композита) этих поверхностей Si,k связаны с числом точек пересечения соот-
ветствующих следов (на единицу длины секущей прямой) mi,k равенствами
)(3,2,1,,2 ,,,, ikkikiki SSkimS === . (5)
Здесь равные значения индексов (i = k) соответствуют межзеренным, а не-
равные (i ≠ k) — межфазным граничным поверхностям.
Ограничимся рассмотрением частного типа микроструктур, в которых от-
сутствуют межзеренные граничные поверхности в фазах 1 и 3, т. е. m1,1 =
m3,3 = 0. Такая ситуация возможна в том случае, когда границы зерен не вы-
являют под микроскопом (как, например, межзеренная структура связки в
сплавах WC—Co) или когда фаза является дисперсной. Для такой микро-
структуры на базе измерений L выполняются следующие соотношения:
.22
;
3323113121
32132312122
N ) m, L(mN ) mL(m
NN N) mmmL(m
,,,,
,,,,
=+=+
++=+++
(6)
Перепишем равенства (6) с учетом (4) в форме
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 2 19
.;2;2
3
3
2
2
1
1
2,12,2
3
3
3,23,1
1
1
3,12,1 l
V
l
V
l
Vmm
l
Vmm
l
Vmm −+=+=+=+ (7)
В данные три уравнения входят четыре микроструктурных параметра:
m1,2, m1,3, m2,3 и m2,2. Для их определения введем дополнительно еще одно
уравнение, которым задаем смежность С2,2 второй фазы:
3,22,12,2
2,2
3,22,12,2
2,2
2,2 2
2
2
2
mmm
m
SSS
S
C
++
=
++
= . (8)
Параметр С2,2 определяет относительную долю контактной поверхности зе-
рен второй фазы в полной поверхности их границ, т. е. он характеризует сте-
пень скелетности рассматриваемой микроструктуры [5]. При выводе (8) ис-
пользованы равенства (5). Уравнения (7) и (8) образуют замкнутую алгебраи-
ческую систему относительно неизвестных m1,2, m1,3, m2,3 и m2,2. Ее решение
приводит к таким выражениям для удельных поверхностей:
( )
( ) ( ) .12;12
;12;2
2
2
2,2
3
3
1
1
3,1
1
1
3
3
2
2
2,23,2
1
1
3
3
2
2
2,22,1
2
2
2,22,2
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−−+=⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+−=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+−−==
l
VC
l
V
l
VS
l
V
l
V
l
VCS
l
V
l
V
l
VCS
l
VCS
(9)
Таким образом, удельные межзеренная S2,2 и межфазные S1,2, S2,3 и S1,3 по-
верхности определяются объемным содержанием фаз, средним значением
длин их хорд и коэффициентом смежности второй фазы. Численные значения
этих микроструктурных параметров должны обеспечивать положительные
значения удельных поверхностей. Несложный анализ приводит к заключе-
нию, что это возможно лишь при выполнении условия
( ) ( )
1
1
2
2
2,2
3
3
1
1
2
2
2,2 11
l
V
l
VC
l
V
l
V
l
VC +−<<−− . (10)
Для вывода соотношения, которое связывает микроструктурные парамет-
ры C2,2, Vk и lk (k = 1, 2, 3), воспользуемся равенством
2
1
3,2
3,1
V
V
S
S
= . (11)
Физический смысл данного выражения состоит в следующем. Как пред-
полагалось выше, частицы третьей фазы контактируют лишь с частицами
первой и второй фаз. Поэтому отношение соответствующих межфазных по-
верхностей должно быть равным отношению объемных концентраций этих
фаз (что достаточно очевидно для крупнозернистой третьей фазы, когда l3 >>
l1, l2). Равенство (11) с учетом последних двух в (9) можно преобразовать к
следующему виду:
( ) ( )
( )
2
2
3
3
3
12
1
1
3
2,2
1
1
1
l
VV
l
VVV
l
VV
C
−
−+−
=− . (12)
Таким образом, из семи микроструктурных параметров рассматриваемого
трехфазного композитного материала независимы между собой только пять
(так как V3 = 1 – V1 – V2).
Соотношение (12) совместимо с двойным неравенством (10). Для доказа-
тельства этого перепишем (12) в такой форме:
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 20
( )
12
12
3
3
1
1
2
21
VV
VV
l
V
l
V
l
VC
+
−=−− .
Так как второй сомножитель в правой части данного уравнения меньше
единицы, то выполнение левого неравенства в (10) делается очевидным.
Равенство (12) может быть использовано для вычисления наименьшей из
хорд, измерение которой является наиболее сложным. В случае, когда l1 < l2,
l3, соответствующая формула имеет вид
( ) ( ) ( )33
3
12
2
2
2,2
1
1
1
1
Vl
VVV
l
VC
Vl
−
−−−
= . (13)
Приведенные соотношения для трехфазного композита превращаются в
соответствующие равенства для двухфазного материала, если положить рав-
ным нулю объемное содержание третьей фазы, т. е. V3 = 0. Так, например, в
случае двухфазного твердого сплава WC—Co при V1 = VCo, V2 = VWC, l1 = lCo,
l2 = dWC имеем
WC
Co
WC
Co
Co
Co
WC/Co
WC
WC
WC/WC 1
1;4;2
V
V
Cd
l
l
VS
d
VCS
−
=== . (14)
Здесь С — коэффициент смежности зерен карбидной фазы. Независимыми из
пяти микроструктурных параметров являются лишь три (VWC + VCo = 1). По-
следнее равенство в (14) используют для вычисления средней толщины ко-
бальтовых прослоек. Вывод этого равенства содержится в [6].
Для крупнозернистой дисперсной фазы, когда среднее значение размеров
ее частиц l3 значительно превосходит величины l1 и l2, строгие равенства (9) и
(12) могут быть заменены приближенными соотношениями, которые по
структуре совпадают с (14).
Заключение
Микроструктура материала — это центральное звено, связывающее тех-
нологию его производства с физико-механическими свойствами Процесс
приготовления металлографических шлифов для исследования микрострук-
туры алмазосодержащих композитных материалов сопряжен со значитель-
ными техническими трудностями [1]. Использование формул (5), (9) и (13)
может оказать экспериментатору существенную помощь в корректном опре-
делении параметров микроструктуры таких материалов. Продемонстрируем
применение соотношения (13) для вычисления средней толщины кобальто-
вых прослоек в алмазосодержащем композитном материале на основе твер-
дого сплава ВК10, данные о котором приведены в [7]. Этот материал был
получен методом электроимпульсного спекания с такими параметрами мик-
роструктуры: VCo = 0,128, VWC = 0,672, VC = 0,2, dWC = 1,9 мкм и dC = 10 мкм.
Для возможных значений коэффициента смежности карбидной фазы С =
0,55, 0,60, 0,65 получаем из формулы (13) средние значения толщин кобаль-
товых прослоек lCo = 0,879, 1,00, 1,162 мкм. Аналогичные величины для спла-
ва ВК10 равны соответственно 0,804, 0,905, 1,034 мкм, т. е. меньше на 10 %.
О влиянии микроструктурных параметров на твердость, коэффициент ин-
тенсивности напряжений и коэрцитивную силу твердых сплавов WC—Co
можно составить представление по эмпирическим соотношениям, приведен-
ным в [8]. Статистическая обработка результатов вычислений из [6] дает
следующее выражение для предела прочности твердого сплава при сжатии:
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 2 21
Co
1789,2975,0383,1σ
l
Cc ++= . (15)
Таким образом, предел прочности прямо пропорционален коэффициенту
смежности карбидной фазы и обратно пропорционален квадратному корню
из толщины кобальтовых прослоек, то есть является функцией двух микро-
структурных параметров.
Полученные в данной статье формулы (9) и (13) являются оригинальны-
ми. Автору неизвестны какие-либо опубликованные источники, которые со-
держали бы аналогичные соотношения.
1. Кизиков Э. Д., Верник Е. Б., Кошевой Н. С. Алмазно-металлические композиции. —
Киев: Техніка, 1988. — 134 с.
2. Чапорова И. Н.,Чернявский К. С. Структура спеченных твердых сплавов. — М.: Ме-
таллургия, 1975. — 248 с.
3. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. — М.: Металлургия, 1970. — 376 с.
4. Quantitative image analysis of microstructures / Ed. by H. E. Exner and H. P. Hougardy. —
Germany, Stuttgart: DGM Informationsgesellschaft mbH, 1988. — 236 p.
5. Roebuck B., Bennett E. G. Phase size distribution in WC/Co hardmetal // Metallography. —
1986. — 19. — P. 27—47.
6. Головчан В. Т., Литошенко Н. В. О прочности твердых сплавов системы WC—Co //
Современные спеченные твердые сплавы: Сб. науч. тр. / Под ред. Н. В. Новикова. —
Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2008. — С. 298—312.
7. Moriguchi H., Tsuzuki K., Ikegaya A. Diamond dispersed cemented carbide produced without
using ultrahigh pressure equipment // Proc. 15th Int. Plansee Seminar, Wattens, Tyrol, Aus-
tria, 28 May—1 June, 2001. — Reutte: Plansee Holding AG, 2001. — Vol. 2. — P. 326—
336.
8. Golovchan V. T. Some analytical consequences of experimental data on properties of WC—
Co hardmetals// Int. J. Refract. Met. Hard Mater. — 2008. — 26, N 4. — P. 300—305.
Институт сверхтвердых материалов Поступила 27.11.08
им. В. Н. Бакуля НАН Украины
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63382 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-25T20:47:24Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Головчан, В.Т. 2014-05-31T19:17:51Z 2014-05-31T19:17:51Z 2009 О параметрах микроструктуры трехфазного композитного материала / В.Т. Головчан // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 2. — С. 17-21. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63382 519.688:536.2:669.018.25 На основании метода линейного анализа установлена связь между параметрами микроструктуры в плоскости шлифа трехфазного композитного материала. Матрица такого композита образована двумя фазами со структурой взаимно проникающих каркасов, а частицы третьей фазы равномерно распределены в ней. К материалам данного класса относятся, в частности, алмазосодержащие композитные материалы инструментального назначения. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Получение, структура, свойства О параметрах микроструктуры трехфазного композитного материала Article published earlier |
| spellingShingle | О параметрах микроструктуры трехфазного композитного материала Головчан, В.Т. Получение, структура, свойства |
| title | О параметрах микроструктуры трехфазного композитного материала |
| title_full | О параметрах микроструктуры трехфазного композитного материала |
| title_fullStr | О параметрах микроструктуры трехфазного композитного материала |
| title_full_unstemmed | О параметрах микроструктуры трехфазного композитного материала |
| title_short | О параметрах микроструктуры трехфазного композитного материала |
| title_sort | о параметрах микроструктуры трехфазного композитного материала |
| topic | Получение, структура, свойства |
| topic_facet | Получение, структура, свойства |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63382 |
| work_keys_str_mv | AT golovčanvt oparametrahmikrostrukturytrehfaznogokompozitnogomateriala |