Dissertation/ Thesis
Hot deformation behaviour of WC–Co cemented carbides
| Τίτλος: | Hot deformation behaviour of WC–Co cemented carbides |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Collado Ciprés, Verónica |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Ciència i Enginyeria de Materials |
| Thesis Advisors: | Llanes Pitarch, Luis Miguel, García, José Luis |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 160 p. |
| Θεματικοί όροι: | Cobalt alloysWC-Co, Cemented carbides, High temperature properties, Plasticity, Hot deformation, Deformation mechanism map, Constitutive model, Carbide skeleton, Grain boundary sliding, Binder infiltration, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria dels materials, 620 - Assaig de materials. Material comercials. Economia de l'energia |
| Περιγραφή: | Tesi en modalitat de compendi de publicacions |
| Description (Translated): | Tesi amb menció de Doctorat Industrial (English) This PhD thesis presents a systematic approach to describe, model, and understand the hot deformation behaviour of cemented carbides—composite materials based on tungsten carbide (WC) and cobalt (Co), commonly known as hardmetals—under service-like conditions. The work aims to bridge the gap between traditional room-temperature studies and the complex mechanical demands encountered at elevated temperatures. Hardmetals are used in applications requiring extreme mechanical performance, such as cutting tools, mining equipment, and forming dies. Historically, research has concentrated on their room-temperature properties, mainly hardness and fracture toughness. However, such studies do not capture the complex mechanical behaviour at elevated temperatures, where plastic deformation becomes a dominant wear mechanism. Previous investigations into high-temperature deformation have primarily relied on creep testing, which is conducted under very low strain rates and constant stress. While these studies have helped to identify deformation regimes and mechanisms such as grain boundary sliding and binder infiltration, they do not reflect the dynamic, high-strain-rate conditions experienced during actual service, such as in machining operations. Similarly, research on hot hardness has shown that fine-grained WC structures tend to retain higher hardness at lower temperatures but may soften more rapidly at elevated temperatures—highlighting the need for a deeper understanding of microstructural effects under thermal stress. This thesis addresses these critical knowledge gaps by systematically studying the hot deformation behaviour of WC–Co cemented carbides under service-like conditions, with strain rates ranging from 0.0005 to 0.1 s⁻¹ and temperatures from 700 °C up to 1000 °C. The research unfolds in three interconnected stages. The first study investigates sintered cobalt, the binder phase in WC–Co. Through hot compression testing, the deformation mechanisms were characterised, revealing a creep exponent of n = 5 and an activation energy consistent with self-diffusion in face-centered cubic Co. These findings indicate that deformation is governed by dislocation glide and climb. A physically based constitutive equation was developed to describe the peak stress in WC–Co as the sum of three components: stress carried by the binder, stress accommodated by the WC, and stress arising from the interaction between the two phases. The WC phase exhibited an activation energy of 585 kJ/mol, attributed to W pipe diffusion, and a high stress exponent (n = 19), indicating minimal sensitivity to temperature and strain rate—typical of ceramic materials. The interaction term was modelled using the binder mean free path and carbide skeleton stiffness, revealing its significant influence on overall mechanical resistance. The final study incorporated WC grain size into the constitutive model. Experimental results demonstrated that fine-grained WC structures exhibit higher resistance to plastic deformation at lower temperatures due to grain boundary strengthening. However, this advantage diminishes rapidly at elevated temperatures, where grain boundary sliding and binder infiltration become dominant deformation mechanisms. Coarser WC grains, while less resistant at room temperature, maintain structural integrity more effectively under thermal stress. Microstructural analysis via electron back-scattered diffraction confirmed these trends, highlighting the role of grain boundaries, phase transformations, and interface behaviour. These studies provide a framework for understanding and optimizing the high-temperature mechanical behaviour of WC–Co cemented carbides. By bridging the gap between microstructural characterisation and physical modelling, this thesis advances the field beyond traditional room-temperature and creep-based analyses, offering practical tools for designing hardmetals capable of withstanding extreme service conditions. (Català) Aquesta tesi doctoral presenta un enfoc sistemàtic per descriure i modelar el comportament en calent dels carburs cimentats—materials compostos basats en carbur de tungstè (WC) i cobalt (Co)–en condicions properes a les de servei. L’objectiu principal és superar les limitacions dels estudis a temperatura ambient i abordar les exigències mecàniques a temperatures elevades. Aquests materials s’utilitzen en aplicacions d’alt rendiment, com eines de tall, mineria i conformació. La recerca s’ha centrat tradicionalment en propietats a temperatura ambient, fet que ha permès optimitzacions, però sense capturar el comportament complex a alta temperatura, on la deformació plàstica domina. Els estudis previs s’han basat sobretot en assaigs de termofluència (creep) a taxes molt baixes i esforços constants. Tot i revelar règims de deformació i mecanismes com el lliscament de límits de gra i la infiltració de cobalt, no representen les condicions dinàmiques del mecanitzat. De manera similar, la duresa en calent mostra que el WC de gra fi és més dur a baixa temperatura però perd aquesta avantatge més ràpidament en escalfar-se, evidenciant la necessitat d’entendre millor els efectes microestructurals sota sol·licitacions tèrmiques. Aquesta tesi aborda aquest buit mitjançant l’estudi del comportament en calent dels metalls durs en condicions representatives de servei, amb taxes de deformació entre 0.0005 i 0.1 s⁻¹ i temperatures de 700–1000 °C. En primer lloc, s’analitza el cobalt sinteritzat, aglutinant metàl·lic dels compostos WC–Co. Els assaigs de compressió mostren un exponent de fluència n = 5 i una energia d’activació coherent amb l’autodifusió en cobalt, indicant que el lliscament i l’escalada de dislocacions governen la deformació. Amb aquests resultats es desenvolupa una equació constitutiva física que expressa la tensió màxima com la suma de la contribució de l’aglutinant, la fase ceràmica i la interacció entre fases. El WC presenta una energia d’activació de 585 kJ/mol, atribuïda a la difusió per límit de gra del tungstè, i un exponent n = 19, propi de materials ceràmics poc sensibles a temperatura i taxa de deformació. El terme d’interacció es modela a partir de paràmetres microestructurals com el camí lliure de l’aglutinant i la rigidesa de l’esquelet ceràmic. Finalment, s’incorpora la mida de gra del WC al model. Els resultats mostren que els grans fins incrementen la resistència a baixa temperatura per efecte Hall–Petch, però aquest benefici disminueix amb la temperatura, on dominen el lliscament de límits i la infiltració de l’aglutinant. Els grans gruixuts, tot i ser menys resistents a temperatura ambient, mantenen millor la integritat estructural en condicions tèrmiques. L’anàlisi via EBSD confirma el paper dels límits de gra, les transformacions de fase i les interficies en la plasticitat a alta temperatura. En conjunt, la tesi estableix un marc predictiu per optimitzar el comportament mecànic dels metalls durs a alta temperatura. La integració de la caracterització microestructural amb el model físic representa un avenç respecte als enfocaments basats en condicions ambientals o de termofluència i proporciona eines per al disseny de materials capaços de suportar entorns de mecanitzat i útils d’alt rendiment amb càrregues termomecàniques severes. (Español) Esta tesis doctoral presenta un enfoque sistemático para describir, modelar y comprender el comportamiento frente a la deformación en caliente de los carburos cementados—materiales compuestos basados en carburo de wolframio (WC) y cobalto (Co)—en condiciones similares a las de servicio. El objetivo principal es superar las limitaciones de los estudios tradicionales realizados a temperatura ambiente y abordar las exigencias mecánicas que se presentan a temperaturas elevadas. Estos materiales se emplean en aplicaciones que requieren un rendimiento mecánico extremo, como herramientas de corte o equipos de minería. Históricamente, la investigación se ha centrado en sus propiedades a temperatura ambiente, especialmente en la dureza y la tenacidad a la fractura. Sin embargo, estos estudios no reflejan adecuadamente el comportamiento que presentan a altas temperaturas, donde la deformación plástica se convierte en el principal mecanismo de desgaste. Trabajos previos se han basado en ensayos de termofluencia (creep) realizados bajo tasas de deformación muy bajas y esfuerzos constantes. Aunque han permitido identificar regímenes de deformación y mecanismos como el deslizamiento de límites de grano y la infiltración de Co, no representan las condiciones reales de aplicaciones como el mecanizado. Los estudios de dureza en caliente muestran que las estructuras de WC de grano fino presentan mayor dureza a bajas temperaturas, pero la pierden más rápidamente al aumentar la temperatura, lo que evidencia la necesidad de comprender mejor los efectos microestructurales bajo solicitaciones térmicas. Esta tesis aborda estas cuestiones mediante el estudio sistemático del comportamiento frente a la deformación en caliente de los metales duros en condiciones representativas de la solicitud termomecánica durante servicio, con tasas de deformación comprendidas entre 0.0005 y 0.1 s⁻¹ y temperaturas entre 700 °C y 1000 °C. La investigación se estructura en tres etapas interrelacionadas. En primer lugar, se estudia el Co. Mediante ensayos de compresión en caliente, se caracterizan sus mecanismos de deformación, obteniéndose un exponente de fluencia de n = 5 y una energía de activación coherente con la de su autodifusión. Estos resultados indican que la deformación está gobernada por el deslizamiento y trepado de dislocaciones. Se desarrolla entonces una ecuación constitutiva de carácter físico que describe la tensión máxima del WC–Co como la suma de tres componentes de tensión: la soportada por el Co, la acomodada por el WC y la originada por la interacción entre ambas fases. La fase de WC presenta una energía de activación de 585 kJ/mol, atribuida a la difusión por límite de grano del W, y un exponente de tensión elevado (n = 19). El término de interacción se modela mediante el camino libre medio del Co y la rigidez del esqueleto de WC, revelando su influencia significativa en la resistencia mecánica global. En la etapa final se integra el tamaño de grano de WC en el modelo constitutivo. Los resultados indican que el grano fino incrementa la resistencia a la deformación plástica a bajas temperaturas por endurecimiento de borde de grano, mientras que esta ventaja se atenúa rápidamente a altas temperaturas, donde predominan el deslizamiento de límites y la infiltración del aglutinante. El análisis microestructural confirma estas tendencias y destaca el rol de los límites de grano, las transformaciones de fase y la respuesta interfacial en la plasticidad a alta temperatura. Estos estudios establecen una base para optimizar el comportamiento mecánico de los carburos cementados a altas temperaturas. La integración de la caracterización microestructural con el modelo físico supone un avance respecto a enfoques basados en condiciones de temperatura ambiente y creep, y proporciona herramientas para diseñar materiales capaces de operar bajo condiciones térmicas y mecánicas extremas. DOCTORAT EN CIÈNCIA I ENGINYERIA DELS MATERIALS (Pla 2012) |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-474554 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/698382 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-474554 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.698382 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-474554 |
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