ICME tools for the design of cemented carbides
| العنوان: | ICME tools for the design of cemented carbides |
|---|---|
| المؤلفون: | Lamelas, Victor, 1993 |
| المساهمون: | Borgenstam, Annika, Professor, Bonvalet Rolland, Manon, Dr., Andrén, Hans-Olof, Professor |
| المصدر: | TRITA-ITM-AVL. |
| مصطلحات موضوعية: | Cemented Carbide, ICME, Materials Design, η-carbides, κ-carbides, γ-carbides, Alternative Binder, Hot Hardness, Thermo-Calc, Materials Science and Engineering, Teknisk materialvetenskap |
| الوصف: | Cemented carbides have often been generalized as composite materials composed of hardtungsten carbide (WC) particles embedded in a softer and tougher Cobalt-based matrix. Thisgeneralization has become less accurate over time as alternative binder systems and additionalcarbides (for instance γ-carbides) have been introduced. Such changes have always been drivenby the need to excel in heavy-duty wear applications, as well as, more recently, by the effort tominimize cemented carbide’s social and ecological impact. The development of new grades thatfulfil both goals has been traditionally addressed following a trial-and-error methodology, in whichextensive experimental work must be performed to reach a satisfactory outcome. This leads to longand expensive concept-to-application processes. A more efficient alternative to design sustainablecemented carbides with the required performance is by using the Integrated ComputationalMaterials Engineering (ICME) approach. In this approach models and databases are developed todescribe the relationships between the process-structure-properties-performance (P-S-P-P) of thematerial. These models provide valuable information on the mechanisms ruling the behavior ofthe material at each step in the P-S-P-P chain, which can be used to design new materials moreefficiently.In this work two models are developed, and validated, contributing to an ICME-based frameworkfor the design of cemented carbides. The first model addresses the relationship between the materialstructure and its hardness (property) as a function of temperature. This Hot Hardness model usesstructural information on the mean and variation of the hard phase grain size, and the volume contentof binder to accurately predict the hardness of cemented carbides in a temperature range spanningfrom room temperature up to 1000°C. In addition, the model characterizes the differentmechanisms contributing to softening at elevated temperatures during service. Specifically, theintrinsic softening of the hard phases is in this work described using a Peierls-Nabarro-basedmodel. Further, a method to describe the microstructural rearrangement at high temperatures isproposed.The second model addresses the relationship between the material processing and its structure.The Dynamic C-window model describes the precipitation of detrimental phases in cementedcarbides to redefine the compositional processability limits of these materials, known as the Cwindow.Unlike traditional methods that rely solely on thermodynamic equilibrium calculations,this model also considers the cooling rate and the initial WC grain size, which are influentialprocessing design parameters affecting the width of the C-window. In addition to define a Cwindowthat take kinetics into account, the model also gives insights into the mechanisms rulingthe microstructural evolution during cooling, as well as predicting the particle size distribution ofthe detrimental phases as a function of the considered processing parameters. The modeling resultshave been experimentally validated through the processing and microstructural characterization ofsamples with controlled processing condition. This has allowed to conclude that the C-windowcan effectively be broadened by increasing the cooling rate during processing or/and by increasingthe WC grain size when the application allows it. The implications of this observation on thepotential processing of cemented carbides with alternative binder systems are also described. Hårdmetaller har ofta generaliserats till ett kompositmaterial av hårda wolframkarbidpartiklar(WC) inbäddade i en mjukare och segare koboltbaserad matris. Denna generalisering har, i taktmed att alternativa bindemedel och ytterligare karbider (γ-karbider) introducerats, blivit alltmermissvisande. Sådana förändringar har drivits av behovet av alltmer krävande industriellaslitageapplikationer, samt av att minimera hårdmetallers miljöpåverkan. Utvecklingen av nyasorter som uppfyller båda dessa mål har traditionellt skett genom en trial-and-error-metod, däromfattande experimentellt arbete måste utföras för att nå ett tillfredsställande resultat. Detta ledertill långa och dyra processer för att gå från koncept till applikation. En effektivare metod för attdesigna hållbara hårdmetaller som har erforderliga egenskaper är genom att använda så kallad”Integrated Computational Materials Engineering” (ICME). I denna metod utvecklas modeller ochdatabaser för att beskriva förhållandet mellan process-struktur-egenskaper-prestanda (P-S-P-P) imaterialet. Dessa modeller ger viktig information om de mekanismer som styr ett materialsbeteende vid varje steg i P-S-P-P-kedjan, vilket i sin tur kan användas för att designa nya materialmer effektivt.I denna avhandling utvecklas och valideras två modeller som bidrar till ett ICME-baseratramverk för design av hårdmetaller. Den första modellen beskriver förhållandet mellan materialetsstruktur och hårdhet (egenskaper) som funktion av dess temperatur. Denna varmhårdhets-modellanvänder strukturell information om hårdfasens kornstorlek och polydispersitet, samt volymsandelbindemedes för att prediktera hårdmetallens hårdhet från rumstemperatur upp till 1000°C.Dessutom beskriver modellen de olika mjukningsmekanismerna som bidrar till minskad hårdhetvid förhöjd temperatur vid användning. Det inre mjuknandet av hårdfaserna beskrivs i detta arbeteav en Peierls-Nabarro-baserad modell. Dessutom presenteras en metod som beskriver denmikrostrukturella omstruktureringen vid höga temperaturer.Den andra modellen som presenteras utforskar förhållandet mellan materialets framställningoch dess struktur. Den kallas för en Dynamic C-window-modell, och beskriver utskiljning avskadliga faser i hårdmetaller i syfte att modifiera begränsningar i sammansättning relaterat tillframställnings-processen, allmänt kallat C-fönster. Till skillnad från traditionella metoder, somenbart förlitar sig på termodynamiska jämviktsberäkningar, beaktar denna modell även viktigaprocessparametrar såsom kylhastigheten och den ursprungliga WC-kornstorleken vilket påverkarbredden på C-fönstret. Utöver att definiera ett C-fönster som tar hänsyn till kinetik ger modellenockså insikter i vilka mekanismer som styr mikrostrukturutvecklingen under kylning. Denmodellerar även partikelstorleksfördelningen av skadliga faser som funktion av deframställningsparametrar som tagits i beaktande. Från modelleringsresultaten och denexperimentella valideringen dras slutsatsen att C-fönstret effektivt kan breddas genom att användahögre kylhastigheter vid framställning av hårdmetaller eller/och genom att öka WC-kornstorlekennär applikationen så tillåter. Konsekvenser av detta för den potentiella framställningen avhårdmetaller med alternativa bindemedel beskrivs också. |
| وصف الملف: | |
| URL الوصول: | https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-346479 https://kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:1858192/SUMMARY01.pdf |
| قاعدة البيانات: | SwePub |
| الوصف غير متاح. |