Rev. Phys. Appl. (Paris) 9, 636-636 (1974)
DOI: 10.1051/rphysap:0197400904063600

Application de la mécanique de la rupture a WC-Co

J.-L. Chermant¹, A. Deschanvres¹, A. Iost¹ et R. Meyer<sup>2

1</sup>  Groupe de Cristallographie et Chimie du Solide Laboratoire de Chimie Minérale Industrielle, E.R.A., n° 305 Université de Caen, 14032 Caen Cedex, France
²  Ugine Carbone, 54, avenue Rhin-et-Danube, 38100 Grenoble, France

Abstract
Fracture mechanics had been applied to the brittle and refractory materials tungsten carbide-cobalt, by a bend test on notched specimens in order to investigate the effective surface energy of crack initiation, γ i, and the stress intensity factor. The notches were machined either with « V » diamond-whell and/or by the spark-erosion technique using tungsten wires of between 50 μm and 1 mm in diameter. Three size distributions of carbide crystals - 0.7, 1 and 2.2 μm - and several cobalt range : 3 %, 6 %, 10 %, 15 %, 20 % weigh were investigated. Threet methods have been used to determine the effective surface energy : the analytical method, the compliance method and the work of fracture method. For each material, the variation of KI as a function of the notch root radii indicates that the critical stress intensity factor is reached. For example for WC-Co 15 % weight, with mean diameter of carbide crystals of 2.2 μm the value of KIC is 20 ± 2 MPa √m. The variation of γ i and KIC were studied as a function of the mean particle size diameter of carbide crystals and of the different cobalt volumic ratio, and one observes a regular evolution. The analysis of fracture paths on notched and un-notched specimens had allowed using statistical analysis to indicate that the fracture path is preferential for un-notched specimens, while it is linear for notched specimens. That indicates the plane character of the rupture propagation in these materials, and is in complete agreement with the linear evolution of the surface energy [1-2].

Résumé
Les méthodes de la mécanique de la rupture ont été appliquées à des matériaux fragiles et réfractaires tels que les carbures de tungstène-cobalt. Des essais de flexion trois points ont été effectués sur des éprouvettes entaillées pour déterminer l'énergie de fracture et la ténacité de ces matériaux. Les entailles ont été réalisées avec des meules diamantées en forme de « V » et/ou par électroétincelage avec des fils de tungstène de diamètre variant de 50 μm à 1 mm. Pour trois granulométries de carbure - 0,7, 1 et 2,2 μm - les compositions en cobalt étudiées ont été les suivantes : 3 %, 6 %, 10 %, 15 %, 20 % poids. Trois méthodes ont été employées pour déterminer l'énergie de fracture : la méthode analytique, celle de la compliance et celle de l'énergie de fracture. La variation du facteur d'intensité de contrainte en fonction de la racine carrée du rayon à fond d'entaille indique que le facteur d'intensité de contrainte critique est atteint dans chaque cas. Par exemple pour WC-Co 15 % avec un diamètre moyen de cristaux de carbure de 2,2 μm, la valeur de la ténacité est de 20 ± 2 MPa √m. Pour un même diamètre de cristaux de carbure de tungstène, l'énergie de fracture et le facteur d'intensité de contrainte critique évoluent régulièrement en fonction de la fraction de cobalt. Par ailleurs pour une même fraction de cobalt, l'énergie de fracture et KIC évoluent régulièrement en fonction du diamètre moyen des cristaux de carbure, du moins dans l'intervalle 0,7-2,2 μm. L'analyse des trajets de fracture sur des éprouvettes entaillées et non entaillées, par les méthodes d'analyse statistique, a permis de démontrer que pour une éprouvette non entaillée, le trajet de fracture est préférentiel alors que dans le cas d'une éprouvette entaillée, le trajet de fracture n'est pas préférentiel et est très rectiligne. Ceci démontre le caractère plan de la propagation de la fissure dans ces matériaux et est en parfait accord avec la variation linéaire de l'énergie de surface [1-2].

PACS
6220M - Fatigue, brittleness, fracture, and cracks.

Key words
Ruptures -- Fracture mechanics -- Fracture toughness -- Bending test -- Notched test piece -- Volume fraction -- Fracture mode -- Stress intensity factors -- Crack propagation -- Cermets -- Composite materials -- Tungsten carbides -- Cobalt -- Experimental study