Flexural strength and finite fatigue life behavior of a fine-grained WC-10Co cemented carbide

Abstract

WC-Co cemented carbides are composite materials formed by ceramic particles embedded by a metallic binder. As a result of this combination, cemented carbides stand out for its great compromise between mechanical and tribological properties, leading to an increasing application in the industry since their introduction. However, cemented carbide components and tools can experience unexpected failure under both monotonic (fracture) and cyclic (fatigue) loading, and this is strongly dependent on the microstructure of the material. An extensive study of the material, including an exhaustive microstructural characterization, flexural testing under four-point bending on both monotonic and cyclic regime (by evaluating the fatigue strength and its reliability in the finite range) and a subsequent fractographic analysis have been performed. Experimental data have been analyzed based on Weibull statistics, regarding both monotonic (flexural strength) and cyclic (fatigue strength). In this work, fine-grained WC-10Co cemented carbide samples were used and reported a variety of results depending on the parameters and sample populations considered. In our test conditions, the reference stress at bending strength was determined as a Weibull parameter to be about 3720 MPa. The associated Weibull parameter accounted for a wide dispersion in the population. SEM observations effectively allowed the identification of critical defects in the microstructure of some samples, leading to two defect-dependent Weibull statistics. Modified staircase methodology was correctly implemented in this work allowed to calculate the finite fatigue strength using a reduced number of samples. Fatigue tests performed (on 3 different stress levels each with 10 samples) confirmed the disparity of the number of cycles to failure among the population. Strength levels close to the found finite fatigue limit survived, in average, more cycles. The analysis realized on only broken specimens presented dispersion among the population which prevented from drawing conclusions. However, evaluation of these tests by Weibull statistical analysis revealed similarities between the flexural strength and the broken fatigue samples, showing a similar trend respect to the distribution of results and established a clustered tendency in the number of cycles to failure around [10,000 - 100,000]. This could allow the possibility in futures works of performing this type of analysis on different hardmetal grades in order to evaluate the influence of the microstructure on the fatigue behavior.

Los carburos cementados WC-Co son materiales compuestos formados por partículas cerámicas englobadas por un ligante metálico. Como resultado de esta combinación, los carburos cementados destacan por su gran compromiso entre propiedades mecánicas y tribológicas, lo que los ha llevado a un creciente uso en la industria desde su introducción.Sin embargo, los componentes y herramientas formadas por carburos cementados pueden experimentar fallos inesperados tanto bajo cargas monotónicas (fractura) como cíclicas (fatiga), y esto depende en gran medida de la microestructura del material. Se ha realizado un extenso estudio del material que incluirá una exhaustiva caracterización microestructural, ensayos mecánicos bajo flexión en cuatro puntos tanto en régimen monotónico como cíclico (evaluando la resistencia a fatiga y su fiabilidad en el rango finito) y un posterior análisis fractográfico. Se han analizado los datos experimentales en base a la estadística de Weibull, tanto en régimen monotónico (resistencia) como cíclico (resistencia a fatiga). En este trabajo se utilizaron muestras de carburo cementado WC-10Co de grano fino y se obtuvieron diversos resultados en función de los parámetros y las poblaciones de muestras consideradas. La tensión de referencia en la resistencia a la flexión (determinada mediante la estadística de Weibull) se reportó en 3720 MPa. El módulo de Weibull asociado mostraba una amplia dispersión en la población. Las observaciones SEM permitieron identificar eficazmente defectos críticos en la microestructura de algunas muestras, lo que dio lugar a crear dos estadísticas de Weibull dependientes de los defectos. La metodología de escalera modificada, correctamente aplicada en este trabajo, permitió calcular la resistencia a la fatiga finita utilizando un número reducido de muestras. Los ensayos de fatiga realizados (en 3 niveles de tensión diferentes con 10 muestras cada uno) confirmaron la disparidad del número de ciclos hasta el fallo entre la población. Los niveles de resistencia cercanos al límite de fatiga finita encontrado sobrevivieron, de media, más ciclos. El análisis realizado únicamente sobre probetas rotas presentó una dispersión entre la población que impidió extraer conclusiones. Sin embargo, la evaluación de estos ensayos mediante el análisis estadístico de Weibull reveló similitudes entre la resistencia a flexión y las muestras rotas por fatiga, mostrando una tendencia similar respecto a la distribución de los resultados y estableció una tendencia agrupada en el número de ciclos hasta el fallo en torno a [10.000 - 100.000]. Esto podría permitir la posibilidad en futuros trabajos de realizar este tipo de análisis en diferentes grados de metal duro para evaluar la influencia de la microestructura en el comportamiento a fatiga.