Fracture toughness, finite fatigue life behavior and fatigue crack growth resistance of cemented carbides

(English) Cemented carbides are widely used in tooling and wear-intensive applications due to their high hardness, strength and toughness. However, their performance depends on tungsten and cobalt, two critical raw materials (CRMs) subject to supply risk, cost increases and environmental concerns. Partially substituting WC with cubic carbides (γ-phase: NbC, TiC, etc.) offers a promising path toward more sustainable hardmetals, but their adoption is limited by scarce knowledge of their mechanical reliability. In service, premature fracture—under monotonic or cyclic loads—is the dominant failure mode, making it essential to understand toughness, finite fatigue life, and fatigue crack growth (FCG) resistance in these complex microstructures. This PhD establishes a comprehensive microstructure–property framework for two γ-phase cemented carbides compared with two WC-Co references. It includes detailed microstructural characterization (grain size, phase distribution, binder mean free path and carbide contiguity), combining conventional WC-Co methods with newly developed image-analysis procedures tailored to three-phase systems. These adapted tools revealed key γ-phase features—such as low contiguity and binderless carbide clusters—that act as critical microstructural heterogeneities controlling fracture and fatigue behavior. Fracture toughness was assessed using complementary methodologies: traditional indentation, pre-cracked SENB specimens, and ultrashort pulsed laser ablation (UPLA) micro-notching for SEμNB samples, together with Hertzian indentation. SENB values served as the reference, showing that indentation consistently overestimates toughness in harder grades due to poorly formed Palmqvist cracks. The UPLA SEμNB technique matched SENB accuracy while significantly reducing preparation complexity. Hertzian indentation was only reliable for γ-phase grades, where a uniform flaw population ensured reproducible cracking loads. A key innovation of this thesis is the adoption of a finite fatigue life framework (≤200,000 cycles), more representative of real hardmetal service where failure occurs by subcritical crack growth of pre-existing flaws. Normalized S–N curves revealed lower fatigue sensitivity in fine-grained γ-phase grades, driven by a higher proportion of transgranular γ-carbide fracture that reduces binder-controlled cyclic degradation. Medium-grained grades showed similar fatigue sensitivity due to comparable microstructural scales. FCG experiments demonstrated that γ-phase additions reduce resistance to cyclic crack propagation in fine-grained grades, lowering thresholds and increasing growth rates due to brittle γ-carbide cleavage and limited ligament bridging. Medium-grained grades exhibited more metallic-like FCG behavior and higher fatigue sensitivity, reflecting stronger binder-ligament suppression. Finite-life fatigue data, analyzed via Weibull statistics and correlated with monotonic strength, enabled successful estimation of natural-flaw FCG behavior. Fine-grained grades showed excellent agreement with long-crack measurements, while medium-grained grades required R-curve corrections to account for stronger crack-growth resistance stemming from larger binder mean free paths and coarser grains. These results validate the methodology and provide a unified microstructure–fatigue–strength framework. Finally, FESEM, FIB and fractography clarified the micromechanisms governing crack propagation under monotonic and cyclic loading. Stable fatigue growth produced step-like facets within the binder, whereas unstable fracture showed dimple rupture. γ-phase grains were confirmed as preferential transgranular fracture sites—especially in fine-grained grades—explaining their lower toughness, reduced fatigue thresholds and accelerated FCG. Similar micromechanisms were observed around intrinsic defects, validating that monotonic strength and finite fatigue life are governed by the same flaw population. (Català) Els carburs cimentats són materials àmpliament utilitzats en aplicacions de mecanitzat i desgast gràcies a la seva excel·lent combinació de duresa, resistència i tenacitat. Tanmateix, el seu rendiment depèn en gran mesura de l’ús de carbur de tungstè (WC) i cobalt, dues matèries primeres crítiques (CRMs) el cost i risc de subministrament de les quals en motiven la substitució parcial per alternatives més sostenibles. Una estratègia prometedora consisteix a substituir parcialment WC per carburs cúbics, coneguts com a fase γ (NbC-, TiC-, etc.). Malgrat això, la seva implantació industrial és limitada per la manca d’estudis sobre la seva fiabilitat mecànica, especialment sota càrregues monotòniques i cícliques, origen habitual de fallades prematures en servei. Aquesta tesi doctoral aborda aquest repte establint un marc complet de correlació microestructura–propietats per a dos graus de carburs cimentats amb fase γ, comparats amb dos WC-Co de referència. Es va dur a terme una caracterització microestructural detallada —mida de gra, distribució de fases, camí lliure mitjà del lligant i contigüitat dels carburs— mitjançant metodologies convencionals i d’altres desenvolupades en aquest treball. En particular, nous procediments d’anàlisi d’imatge i equacions adaptades van permetre caracteritzar amb precisió sistemes multicàrbur, revelant la baixa contigüitat i la formació d’aglomerats de fase γ sense lligant, identificats com a heterogeneïtats crítiques que governen la resposta mecànica i a fatiga. La tenacitat a fractura es va avaluar mitjançant tècniques complementàries: indentació convencional, mostres SENB prefissurades i una metodologia emergent basada en microentalles generades per ablació làser d’impulsos ultracurts (UPLA), produint provetes SEμNB. Aquesta última va mostrar una excel·lent concordança amb els valors SENB, reduint la complexitat i el cost de preparació. L’indentació hertziana només va resultar adequada en materials amb poblacions homogènies de defectes, com els graus amb fase γ. L’estudi de la fatiga es va abordar dins d’un marc de vida finita —fins a 200.000 cicles— més representatiu de les condicions reals de servei dels carburs cimentats. Les corbes S–N normalitzades van mostrar que el grau fi amb fase γ presenta menor sensibilitat a la fatiga que el seu equivalent WC-Co, a causa del predomini de fractura transgranular a la fase γ, que redueix la influència dels mecanismes de degradació del lligant. Els graus de gra mitjà van mostrar sensibilitats similars per la seva semblança microestructural. Els assaigs de propagació de fissura per fatiga (FCG) van evidenciar que la fase γ redueix la resistència a l’extensió de fissures en microestructures fines, desplaçant les corbes cap a velocitats de creixement més elevades i llindars inferiors. Els graus de gra mitjà, en canvi, van mostrar una cinètica més metàl·lica i major sensibilitat a la fatiga. L’anàlisi estadística de la vida a fatiga finita, combinada amb la resistència a flexió monotònica, va permetre estimar la cinètica de FCG associada a defectes naturals. Aquestes estimacions van coincidir amb dades experimentals de fissures llargues en els graus fins, mentre que els graus mitjans van requerir correccions basades en la corba R a causa de la seva major resistència al creixement estable de fissura. L'estudi detallat de les interaccions fissura–microestructura mitjançant FESEM, FIB i fractografia. Es van identificar mecanismes de fractura característics: facetes escalonades durant el creixement estable per fatiga i cavitats dúctils en la fractura inestable. La fase γ es va confirmar com a lloc preferent de fractura transgranular, especialment a les qualitates fines, explicant la seva menor tenacitat i la seva cinètica accelerada de FCG. La similitud dels mecanismes en defectes naturals i en fissures llargues va confirmar que la vida finita i la resistència monotònica estan governades per la mateixa població de defectes. (Español) Los carburos cementados son materiales esenciales en aplicaciones de desgaste y herramientas de corte por su combinación de dureza, resistencia y tenacidad. Sin embargo, dependen de tungsteno y cobalto, dos materias primas críticas cuya disponibilidad, coste e impacto ambiental impulsan la búsqueda de alternativas más sostenibles. Una vía prometedora es la sustitución parcial de WC por carburos cúbicos (fase γ), aunque su adopción industrial sigue limitada por la falta de conocimiento sobre su fiabilidad mecánica. Dado que las fracturas prematuras —bajo cargas monotónicas o cíclicas— son el principal modo de fallo, resulta necesario evaluar con precisión su comportamiento en fractura, vida a fatiga finita y propagación de grietas. Esta tesis desarrolla un marco integral microestructura–propiedad para dos grados con fase γ, comparados con dos referencias WC-Co. La caracterización microestructural se llevó a cabo mediante metodologías convencionales y otras específicamente desarrolladas, incluyendo análisis de imagen para determinar de forma fiable tamaños de grano, distribución de fases, camino libre medio del aglutinante y contigüidad de carburos. Este enfoque permitió identificar rasgos clave, como la baja contigüidad y la formación de cúmulos de fase γ sin aglutinante, que actúan como heterogeneidades críticas. La tenacidad a fractura se evaluó mediante metodologías complementarias: indentación tradicional, probetas SENB prefisuradas y microentallado por ablación láser de pulsos ultracortos (UPLA) para muestras SEμNB, junto con indentación Hertziana. Los valores obtenidos mediante SENB se emplearon como referencia, evidenciando que la indentación sobreestima sistemáticamente la tenacidad en los grados más duros debido a la escasa formación de grietas Palmqvist. La técnica SEμNB generada por UPLA mostró una exactitud equivalente a SENB, reduciendo de forma notable la complejidad de preparación. La indentación Hertziana solo resultó fia