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On the fracture toughness of cemented carbides

1988; University of Toronto Press; Volume: 36; Issue: 4 Linguagem: Francês

10.1016/0001-6160(88)90143-5

1878-0768

Lorenz S. Sigl, H. F. Fischmeister,

Orthopaedic implants and arthroplasty

A model for the fracture toughness of cobalt reinforced tungsten carbide hardmetals is presented. The fracture energy of the composite is obtained from the sum of the energies dissipated during fracture along the four crack paths that are available in this composite (i.e. dimple rupture across the binder or in the binder near a binder/carbide interface, brittle trans- and intergranular matrix fracture). While specific energies for matrix cracking are known from previous work, the plastic work spent during formation of unit area of binder rupture has been calculated on the basis of a recent stereometric evaluation of the dimple morphology in the binder. The specific work of fracture in the reinforcing binder phase scales with its mean flow stress and the depth that suffers plastic deformation. Estimates for the mean flow stress of submicrometer binder layers, as present in WC-Co, and for the mean size of the plastic zone are obtained subsequently by combination with the yield stress and the work hardening parameters of the binder and the microstructure of the composite respectively. Combining these results with recent experimental data for the distribution of the four crack paths on the fracture surface renders eventually the fracture energy of the composite. It is recognized that the effects of the depth of plastic deformation and the distribution of fracture paths combine to yield the well known effects of microstructural geometry (i.e. volume fraction and mean linear intercept of the metal phase) on composite toughness in accordance with experimental observations of crack propagation in WC-Co. It is emphasized that beside geometric effects both the matrix toughness and the plastic properties of the binder play a dominant role for the fracture resistance of metal reinforced brittle matrices. Nous présentons dans cet article un modèle de la résistance à la rupture de métaux durs constitués par du carbure de tungstène renforcé par du cobalt. Nous obtenons l'énergie de rupture du composite en sommant les énergies dissipées pendant la rupture selon les quatre modes de fissuration propres à ce composite et qui sont: la rupture à rides à travers le liant ou dans le liant près d'une interface liant/carbure, et la rupture fragile transgranulaire ou intergranulaire de la matrice. Des travaux antérieurs donnent les énergies de rupture spécifiques de la matrice. Quant au travail plastique dépensé pour former une surface unité de rupture du liant, nous l'avons calculé à partir d'une récente évaluation stéréométrique de la morphologie des rides dans le liant. Le travail spécifique de rupture dans la phase de liant durcissant varie avec la contrainte moyenne d'écoulement et la profondeur qui subit la déformation plastique. Nous obtenons par la suite une estimation de la contrainte moyenne d'écoulement de couches de liant inférieures au μ im (comme il en existe dans WC-Co), ainsi que des dimensions moyennes de la zone plastique, en combinant la contrainte élastique et les paramètres de consolidation du liant, et la microstructure du composite. Quand on combine ces résultats avec des résultats expérimentaux obtenus récemment sur la répartition des quatre modes de fissuration sur la surface de rupture, on obtient finalement l'énergie de rupture du composite. Il est admis que les effets de la profondeur de déformation plastique et la répartition des trajets de fissures peuvent se combiner pour donner les effets bien connus de la géométrie microstructurale (c'est-à-dire la fraction volumique et la longueur moyenne découpée par la phase métallique) sur la résistance du composite, comme on les observe expérimentalement lors de la propagation des fissures dans WC-Co. Nous soulignons qu'à côté de ces effets géométriques, tant la résistance mécanique de la matrice que les propriétés plastiques du liant jouent un rôle essentiel dans la résistance à la rupture des matrices fragiles renforcées par un métal. Ein Model für die Bruchzähigkeit von Wolframkarbid-Cobalt Hartmetallen wird vorgestellt. Die Bruchenergie des Komposits setzt sich additiv aus den in den vier verschiedenen Bruchpfaden (Grübchenbruch quer durch die Bindephase und unmittelbar entlang der Binder/Karbid Phasengrenze; trans- und intergranularer Karbidbruch) verbrauchten Energiebeiträgen zusammen. Während die spezifische Brucharbeit für das Karbidskelett bekannt ist, wird die entsprechende Größe für Rißsegmente in der Bindephase auf der Grundlage stereometrisch ermittelter Grübchenmorphologien berechnet. Es zeigt sich, daß die spezifische Brucharbeit im Binder dem Produkt aus mittlerer Fließspannung und der Dicke der verformten Binderschicht proportional ist. Das Fließverhalten sehr dünner Bindephasenbereiche und die Dicke der während der Grübchen bildung verformten Zone werden analytisch mit der Streckgrenze und den Verfestigungsparametern des Binders bzw. mit den Gefügeparametern des Komposits verknüpft. Durch die Kombination mit empirisch gewonnen Beziehungen für die Bruchflächenanteile der verschiedenen Bruchpfade, stehen schließlich alle Parameter zur Berechnung der Bruchenergie des Komposits zur Verfügung. Der bekannte Einfluß der Gefügeparameter (Volumenanteil und mittlere Sehnenlänge im Binder) auf die Bruchzähigkeit des Verbunds erklärt sich dann in Übereinstimmung mit Untersuchungen des Rißverlaufs in WC-Co aus den einander überlagernden Effekten von Verformungstiefe und Bruchflächenanteilen. Bei konstanter Gefügegeometrie spielen hingegen die Zähigkeit der Matrix und das Verfestigungsverhalten des Binders die entscheidende Rolle für die Bruchzähigkeit von metallverstärkten Sprödverbunden.