Damage tolerance of cemented carbides under service-like conditions
Authors:   , Tarragó Cifre Jose María 
Published: October 2023

Hardmetal industry is continuously seeking for high-performance products at reduced costs. In addition, it is strongly struggled by the high and volatile prices of raw materials. At this juncture, producers and end-users are deeply concerned in increasing the performance and enhancing service-life and reliability of engineering products, and replacing current constituents by alternative and less critical materials. Premature and unexpected fracture, together with wear, is the main damage phenomenon limiting the life in most cemented carbide applications. In the vast majority of cases such ruptures stem from the combination of high monotonic and cyclic stresses, together with different damage-related features associated with harsh service conditions, such as corrosion, and thermal shock. Therefore, relevant consideration of fracture toughness and fatigue resistance is required if reliability and lifetime of hardmetals applications is to be increased. Following the above ideas, the purpose of this thesis is to improve the performance and increase the reliability of cemented carbides in rupture-limited applications on the basis of enhanced damage tolerance and reduced fatigue sensitivity through an optimal microstructural design. Within this framework, this investigation is composed of three main subjects covering different aspects related to the performance of hardmetals under service-like conditions. The first two sections are devoted to conduct a comprehensive study on the influence of the microstructure on fracture and fatigue behaviour of hardmetals. The aim of the third section is to evaluate microstructural effects on the tolerance of cemented carbides to service-like damage, induced either by localised corrosion or thermal shock.
Main contribution to toughness in cemented carbides derives from plastic stretching of crack-bridging ductile enclaves at the crack wake, referred to as the multiligament zone. Hence, the development of a multiligament zone implies the existence of a rising crack growth resistance (R-curve) behaviour in cemented carbides. This effectiveness of this toughening mechanism is intimately related to the microstructural characteristics. Within this context, the first section of this thesis is dedicated to carry out a detailed investigation of fracture mechanics and mechanisms in cemented carbides, and to propose a relation to capture microstructural effects on the R-curve characteristics of these materials.
Strength reduction of hardmetals under the application of cyclic stresses is related to the inhibition of the crack-tip bridging mechanism. For WC¿Co cemented carbides, the degradation of bridging ligaments is mainly associated with an accumulation of the fcc to hcp phase transformation. However, this mechanism does not apply for Ni binders; therefore, it remains unclear if effective fatigue susceptibility of Co-base hardmetals is comparable to that of cemented carbides consisting of alternative binders. Moreover, hardmetals exhibit crack-deflection as an additional toughening mechanism, but contrary to the case of crack-bridging, it is immune to fatigue loads. The effective action of this toughening mechanism is speculated to increase with rising carbide mean grain size. Hence, the second part of this thesis is devoted to study and understand the fatigue sensitivity of cemented carbides consisting of binders with deformation mechanisms beyond phase transformation as well as medium/coarse microstructures.
Finally, the third section of this thesis consists of a systematic study on the influence of the microstructure on damage-related features induced by either thermal shock or corrosion, in order to set out guidelines for optimal microstructural design. In doing so, the structural integrity of damaged cemented carbides is assessed on the basis of residual strength, and microstructural effects on damage tolerance are captured by means of considering induced damage level as a critical parameter.
Por un lado, la industria del metal duro está sumergida en una búsqueda constante de materiales de altas prestaciones a un coste reducido. Por el otro lado, las materias primas tienen precios altos y volátiles, que comprometen la estabilidad del mercado. En esta coyuntura, los productores y los usuarios finales están muy interesados, tanto en aumentar el rendimiento, incrementar la vida útil y mejorar la fiabilidad de estos productos, como en su sustitución por materiales alternativos y considerados menos críticos. En este contexto, el desgaste y la ruptura prematura son los dos principales mecanismos que limitan la vida útil de las aplicaciones de metal duro. En la gran mayoría de los casos las rupturas prematuras derivan de la combinación de altas tensiones, tanto monótonas como cíclicas, con el daño inducido durante la vida en servicio, como la corrosión, y el choque térmico. Por lo tanto, con el fin de aumentar fiabilidad en estas aplicaciones, es necesario entender los mecanismos de daño y fallo en estos materiales. Así, el propósito de esta tesis es mejorar el rendimiento y aumentar la fiabilidad de los carburos cementados a partir del desarrollo de materiales con una mayor tolerancia al daño y una menor sensibilidad a fatiga, a través de un óptimo diseño microestructural. La presente investigación se compone de tres partes que abarcan diferentes aspectos relacionados con el desempeño de los metales duros en condiciones de servicio. Las dos primeras secciones están dedicadas a realizar un estudio general sobre la influencia de la microestructura en el comportamiento a fractura y fatiga del metal duro. El objetivo de la tercera sección es evaluar los efectos microestructurales en la tolerancia al daño de los carburos cementados, ya sea inducido por corrosión o por choque térmico. El principal mecanismo de tenacidad en los carburos cementados reside en el estiramiento plástico de ligamentos metálicos de puenteo que se forman detrás de la punta de la grieta, llamada la zona de multiligamentos. El desarrollo del mecanismo de puenteo implica un incremento de la resistencia a fractura a medida que aumenta la longitud de la grieta. Este mecanismo es conocido como curva-R y su eficacia está íntimamente relacionada con las características microestructurales del material. Así, la primera parte de esta tesis doctoral está dedicada a llevar a cabo una investigación detallada de los mecanismos de fractura en los carburos cementados, y a proponer una relación que permita captar los efectos microestructurales en las características de curva-R de estos materiales. Por otro lado, la segunda parte de la tesis está dedicada a estudiar la influencia de la microestructura, incluyendo tanto el tamaño de grano de la fase carburo como el contenido de la fase ligante y su naturaleza química, en la sensibilidad a fatiga de los carburos cementados. Así, se ha prestado una atención particular en estudiar el comportamiento a fatiga de los carburos cementados con base níquel y en su comparación con los de base cobalto. Por otro lado, también se ha estudiado la influencia del tamaño de grano en la deflexión de grieta como un mecanismo adicional de aumento de tenacidad, inmune a las solicitaciones cíclicas. Por último, la tercera sección de esta tesis consiste en un estudio sistemático de la influencia de la microestructura de los carburos cementados en su tolerancia al daño, inducido tanto por corrosión como por choque térmico, con el fin de establecer las directrices para un diseño microestructural óptimo. De este modo, la integridad estructural de carburos cementados se evalúa sobre la base de su resistencia residual a flexión después de la inducción de daño