اختراق جديد لكربيد التنغستن مع خصائص متفوقة لجامعة بكين

بسبب صلابة عالية ومقاومة التآكل ، كربيد التنغستن  يستخدم على نطاق واسع كمجموعة متنوعة من مواد أدوات المعالجة ، والمعروفة باسم "الأسنان الصناعية". من بينها WC Co كربيد التنغستن  هو أكبر إنتاج واستهلاك كربيد التنغستن  المواد. بعد عقود من التطوير في التطبيق الهندسي كربيد التنغستن ، يمكن لمقاومة الصلابة ومقاومة التآكل تلبية متطلبات أداء الخدمة بشكل أساسي ، في حين أن قوة الكسر ومتانة التأثير هي عنق الزجاجة لتوسيع تطبيق كربيد التنغستن ، وخاصة التطبيق الراقي. لفترة طويلة ، هناك نقص في الفهم المنتظم حول آلية تقوية وتشديد كربيد التنغستن ، وهو نوع من مركب سيراميك معدني ثنائي الطور ومركب متعدد الطور مع مواد مضافة. تحتاج العلاقة بين المكونات المتعددة ، والبنية ، والسلوك الميكانيكي والأداء الشامل لهذا النوع من نظام المواد إلى مزيد من الدراسة.

1.مشكلة علميةems

في الوقت الحاضر ، المشاكل العلمية البحثية الأساسية المشتركة في مجال كربيد التنغستن  من التطبيق الهندسي يمكن تلخيصها على النحو التالي:

في التحضير الصناعي للالمتناهية الصغر والبلورية النانوية كربيد التنغستن ، يجب التحكم في نمو الحبوب بإضافة مثبطات نمو الحبوب. ومع ذلك ، عادة ما يكون للمثبطات تأثيرات ضارة على المتانة والقوة كربيد التنغستن . من الضروري أن نفهم تمامًا عوامل التحكم في الاستقرار في البنية المجهرية المستمدة من المثبط والتأثيرات على البنية المجهرية والخواص الميكانيكية كربيد التنغستن .

مع انخفاض حجم الحبوب للمرحلة الصعبة تحت مقياس دون الميكرون ، تصبح الواجهة الداخلية تدريجياً العامل الرئيسي الذي يؤثر على متانة وقوة كربيد التنغستن . ومع ذلك ، فإن العوامل التي يمكن أن تثبت حدود WC / CO و WC / WC وآلية التثبيت غير مفهومة جيدًا ، ولا يتم فهم آلية التكوين والتطور للواجهة منخفضة الطاقة جيدًا.

من خلال دراسة السلوك الميكانيكي والآلية الدقيقة كربيد التنغستن  في درجة حرارة الغرفة ودرجة الحرارة المرتفعة ، يمكن تعميق فهم آلية التقوية والتشديد في عملية الخدمة ، وذلك لتوجيه تصميم وإعداد الأداء العالي كربيد التنغستن . في الوقت الحاضر ، لا يوجد فهم منهجي لآلية التشوه الجزئي ، ومصدر اللدونة والسلوك الميكانيكي العالي الحرارة كربيد التنغستن .

2.تقدم البحث

أجرى فريق البروفيسور سونغ شياويان من جامعة بكين للتكنولوجيا سلسلة من الأبحاث الأساسية حول المشكلات العملية في التطبيق الهندسي للتكنولوجيا. كربيد التنغستن . في عام 2013 ، أعد فريق البحث لأول مرة النانو البلورية كربيد التنغستن  حظر المواد ذات الكثافة العالية والهيكل الموحد ، والتي لها صلابة عالية وصلابة عالية ، وطرح نظرية التشديد المترابط للواجهة من النانو البلورية على مرحلتين كربيد التنغستن  (ACTA mater. 2013، 61، 2154-2162) ، والتي تم التحقق منها بالكامل في التجارب الميكانيكية في الموقع (mater. Res. lett. 2017، 5، 55-60). في الآونة الأخيرة ، من خلال الجمع بين النمذجة النظرية والتصميم التجريبي ، قامت مجموعة البحث بدراسة متعمقة للعديد من "هياكل الواجهة" التي قد تظهر في كربيد التنغستن  المواد ، ووجدت عدة أنواع من هياكل الواجهة بسماكة 2-6 طبقة ذرية ، والعوامل المؤثرة ، ونهج الاستقرار والآليات الدقيقة. استنادًا إلى تحسين الإضافات وضبط التركيبة ، يتم تحقيق التحكم الدقيق في استقرار بنية الواجهة. تم اقتراح آلية الكسر المضاد للحبيبات لمواد مطابقة واجهة الطور مع عناصر مختلفة مثل V و Cr و Ti و Ta و Nb. علاوة على ذلك ، تم الحصول على تأثير استقرار بنية الواجهة وتباين الطاقة السطحية على تكوين وتطور ∑ 2 و ∑ 13A عند حدود الطاقة المنخفضة من خلال تحسين مثبطات نمو الحبوب والتحكم في درجة حرارة تكثيف اللبيدة. وبالتالي ، فإن مشكلة التحضير التي يمكن التحكم فيها هي زيادة نسبة حدود المرحلة المتماسكة WC / CO إلى توزيع حد الحبوب منخفض الطاقة WC / WC في كربيد التنغستن  حلت. تم نشر الإنجازات ذات الصلة على التوالي في Acta mater. 2018 ، 149 ، 164-178 وماطر أكتا. 2019 ، 175 ، 171-181 تحت عناوين "البشرة في WC Co كربيد التنغستن s "و" حدود الحبوب منخفضة الطاقة في WC Co كربيد التنغستن س". بتوجيه من البحث الأساسي ، تعاونت مجموعة البحث والمؤسسة لتحضير القوة الفائقة والمتانة العالية كربيد التنغستن  قضبان بمتوسط قوة الكسر العرضي أكثر من 5200 ميجا باسكال وصلابة الكسر أكثر من 13.0 ميجا باسكال · M1 / 2. قيمة مقاومة الكسر هي أعلى مؤشر أداء لقوة الكسر بين مماثلة كربيد التنغستن  ذكرت في العالم.

بالإضافة إلى ذلك ، قامت مجموعة البحث بالكثير من الأبحاث حول العلاقة بين البنية المجهرية والسلوك الميكانيكي والخصائص الشاملة لكربيد التنغستن. في جانب التجربة ، تم تحقيق تطور البنية المجهرية لكربيد التنغستن تحت التحميل الخارجي ، خاصةً قانون حركة الخلع والتراص ، من خلال تجربة ميكانيكية في الموقع.

بمساعدة توصيف البنية الدقيقة وتحليل البلورات ، تم اقتراح آلية التفاعل بين العيوب البلورية للمرحلة الصعبة والمرحلة الداعمة في كربيد التنغستن عالي الصلابة والمتانة ، وتم الكشف عن آلية تأثيرها على تأخير تنوي الكراك ومقاومة نمو الكراك. على وجه الخصوص ، في ضوء سلوك الإجهاد من كربيد التنغستن ، يقترح أن نظام الانزلاق الرئيسي لمرحلة مرحاض يمكن أن يؤدي إلى خلع شريط الضغط في درجة حرارة الغرفة ، في حين أن تنشيط نظام الانزلاق الجديد عند درجة حرارة عالية يمكن أن يوفر مساهمة بلاستيكية ، والتي من الناحية الكمية يكشف العلاقة بين السلالة البلاستيكية من كربيد التنغستن وحركة نظام الانزلاق والخلع وكذلك قاعدة التغيير مع درجة الحرارة. في جانب حساب المحاكاة ، تم دراسة السلوك الميكانيكي لكربيد التنغستن ثنائي البلورات والكريستالات في درجة حرارة الغرفة ودرجة الحرارة المرتفعة بواسطة طريقة الديناميكيات الجزيئية ، والآلية الدقيقة لتأثير حدود الحبوب ، وحدود الطور ، والعيوب داخل الجمجمة وحجم الحبوب على تم توضيح تشوه وسلوك كربيد التنغستن على المقياس الذري. على النطاق الإلكتروني ، يتم حساب الكثافة الإلكترونية لحالة WC وشكل ارتباطها وتحليلها وفقًا للمبدأ الأول ، ويتم توضيح الآلية الدقيقة للصلابة العالية للحوض.

يُقترح أنه يمكن تحسين معامل المرونة والصلابة في WC بشكل أكبر عن طريق المحلول الصلب الصغير للعناصر المعدنية ذات وظيفة العمل العالية ، ومن ثم يتم تصنيع مادة WC ذات الصلابة العالية في الطور غير المرتبط بالمرحاض بنجاح في التجربة. في عام 2019 ، نُشر تقدم البحث أعلاه في ثلاث مقالات متتالية في المجلة الدولية المعروفة Crystal Journal: Acta crystal. 2019 ، B75 ، 134-142 (المؤلف الأول هو Fang Jing ، طالب ماجستير) ؛ اكتا كريستال. 2019 ، B75 ، 994-1002 (المؤلف الأول هو Dr. LV Hao) ؛ اكتا كريستال. 2019 ، B75 ، 1014-1023 (المؤلف الأول هو Hu Huaxin ، طالب دكتوراه). على المقياس المتوسط والكلي ، تم إنشاء نموذج عنصر محدود يعتمد على البنية الحقيقية ثلاثية الأبعاد لكربيد التنجستن. تمت دراسة استجابة الإجهاد غير المتجانسة وسلوك التشوه اللدن لكربيد التنجستن تحت تفاعل الإجهاد الحراري المتبقي المحضر والضغط الخارجي في عملية التحمل. تم الكشف عن العلاقة بين متانة الكسر سلوك التشوه المجهرية. تم نشر هذا الإنجاز في int. J. plasticity، 2019، 121، 312-323 (المؤلف الأول هو الدكتور لي يانان).

الشكل 1. هيكل الواجهة وخصائص التطور لحدود مرحلة WC / CO المتكونة بإضافة VC و Cr3C2

الشكل 2 - تأثير المواد المضافة ودرجة الحرارة والطاقة متباينة التباين في تكوين وتطور حدود الحبوب منخفضة الطاقة في كربيد التنغستن

الشكل 3. تأثير دوران الحبوب WC على تشوه البلاستيك الجزئي في كربيد التنغستن كربيد النانو

الشكل 4. البنية المجهرية والخواص الميكانيكية لنوع جديد من مواد كتلة WC عالية الصلابة مع طور غير متصل

الشكل 5. تفاعلات الخلع النموذجية (بما في ذلك تحلل الخلع ، وتشكيل خلع شريط الضغط ، وما إلى ذلك) على مستوى قاعدة مرحاض وطائرة الانزلاق الرئيسية على الاسطوانة

الشكل 6. تأثير استجابة سلالة غير متجانسة على سلوك كسر كربيد التنغستن أثناء الضغط