Neuer Durchbruch von Wolframcarbid mit überlegenen Eigenschaften der Universität Peking

Aufgrund seiner hohen Härte und Verschleißfestigkeit Wolframcarbid  ist weit verbreitet als eine Vielzahl von Verarbeitungswerkzeugmaterialien, die als „Industriezähne“ bekannt sind. Unter ihnen WC Co Wolframcarbid  ist die größte Produktion und der größte Verbrauch von Wolframcarbid  Materialien. Nach Jahrzehnten der Entwicklung in der technischen Anwendung von Wolframcarbid Die Härte und Verschleißfestigkeit können grundsätzlich die Anforderungen an die Serviceleistung erfüllen, während die Bruchfestigkeit und Schlagzähigkeit den Engpass bei der Erweiterung der Anwendung von darstellen Wolframcarbid , insbesondere die High-End-Anwendung. Lange Zeit mangelt es an systematischem Verständnis für den Stärkungs- und Härtungsmechanismus von Wolframcarbid Dies ist eine Art Metallkeramik-Zweiphasen-Verbundwerkstoff und Mehrphasen-Verbundwerkstoff mit Additiven. Die Beziehung zwischen Mehrkomponenten, Struktur, mechanischem Verhalten und umfassender Leistung dieser Art von Materialsystem muss weiter untersucht werden.

1.wissenschaftliches Problemems

Derzeit sind die gemeinsamen Grundlagenforschung wissenschaftliche Probleme auf dem Gebiet der Wolframcarbid  aus der technischen Anwendung kann wie folgt zusammengefasst werden:

bei der industriellen Herstellung von ultrafeinen und nanokristallinen Wolframcarbid muss das Kornwachstum durch Zugabe von Kornwachstumshemmern kontrolliert werden. Inhibitoren haben jedoch normalerweise nachteilige Auswirkungen auf die Zähigkeit und Festigkeit von Wolframcarbid . Es ist notwendig, die Stabilitätskontrollfaktoren der von Inhibitoren abgeleiteten Mikrostruktur und die Auswirkungen auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von vollständig zu verstehen Wolframcarbid .

Mit der Abnahme der Korngröße der harten Phase unter die Submikron-Skala wird die innere Grenzfläche allmählich zum Hauptfaktor, der die Zähigkeit und Festigkeit der Phase beeinflusst Wolframcarbid . Die Faktoren, die die WC / CO- und WC / WC-Grenzen und den Mechanismus der Stabilisierung stabilisieren können, sind jedoch nicht gut verstanden, und der Bildungs- und Evolutionsmechanismus der Niedrigenergie-Grenzfläche ist nicht gut verstanden.

Durch die Untersuchung des mechanischen Verhaltens und des Mikromechanismus von Wolframcarbid  Bei Raumtemperatur und hoher Temperatur kann das Verständnis des Verstärkungs- und Zähigkeitsmechanismus im Serviceprozess vertieft werden, um das Design und die Vorbereitung von Hochleistungslösungen zu steuern Wolframcarbid . Derzeit gibt es kein systematisches Verständnis des Mikrodeformationsmechanismus, der Plastizitätsquelle und des mechanischen Verhaltens bei hohen Temperaturen von Wolframcarbid .

2.Forschungsfortschritt

Das Team von Professor Song Xiaoyan von der Beijing University of Technology hat eine Reihe von Grundlagenforschungen zu praktischen Problemen in der technischen Anwendung von durchgeführt Wolframcarbid . 2013 stellte das Forscherteam erstmals nanokristalline Verbindungen her Wolframcarbid  Blockmaterialien mit hoher Dichte und gleichmäßiger Struktur, die sowohl eine hohe Härte als auch eine hohe Zähigkeit aufweisen, und stellen die Theorie der kohärenten Grenzflächenzähigkeit von nanokristallinen Zweiphasen vor Wolframcarbid  (ACTA mater. 2013, 61, 2154-2162), die in mechanischen In-situ-Experimenten vollständig verifiziert wurde (mater. Res. lett. 2017, 5, 55-60). In jüngster Zeit hat die Forschungsgruppe durch die Kombination von theoretischer Modellierung und experimentellem Design verschiedene „Schnittstellenstrukturen“ eingehend untersucht, die in Erscheinung treten können Wolframcarbid  Materialien und fanden verschiedene Arten von Grenzflächenstrukturen mit 2-6 Atomschichtdicken, Einflussfaktoren, Stabilisierungsansätzen und Mikromechanismen. Basierend auf der Optimierung von Additiven und der Feinabstimmung der Zusammensetzung wird die genaue Kontrolle der Stabilität der Grenzflächenstruktur realisiert. Der Mechanismus des anti-intergranularen Bruchs von Phasengrenzflächen-Anpassungsmaterialien mit verschiedenen Elementen wie V, Cr, Ti, Ta und Nb wird vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Stabilität der Grenzflächenstruktur und der Anisotropie der Oberflächenenergie auf die Bildung und Entwicklung von ∑ 2 und ∑ 13A an niedrigen Energiegrenzen durch Optimierung der Inhibitoren des Kornwachstums und Steuerung der Sinterverdichtungstemperatur erhalten. Somit ist das steuerbare Herstellungsproblem der Erhöhung des Verhältnisses der kohärenten WC / CO-Phasengrenze zur WC / WC-Korngrenzenverteilung mit niedriger Energie in Wolframcarbid  ist gelöst. Relevante Leistungen wurden sukzessive in Acta mater veröffentlicht. 2018, 149, 164-178 und Acta mater. 2019, 175, 171-181 unter den Titeln „Teint in WC Co Wolframcarbid s“ und „Niedrigenergie-Korngrenzen in WC Co Wolframcarbid s". Geleitet von der Grundlagenforschung arbeiteten die Forschungsgruppe und das Unternehmen zusammen, um die ultrahohe Festigkeit und hohe Zähigkeit herzustellen Wolframcarbid  Stäbe mit einer durchschnittlichen Querbruchfestigkeit von mehr als 5200 MPa und einer Bruchzähigkeit von mehr als 13,0 MPa · M1 / 2. Der Bruchfestigkeitswert ist der höchste Leistungsindex der Bruchfestigkeit unter den ähnlichen Wolframcarbid  in der Welt berichtet.

Darüber hinaus hat die Forschungsgruppe zahlreiche Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen Mikrostruktur, mechanischem Verhalten und umfassenden Eigenschaften von Wolframcarbid durchgeführt. Im Hinblick auf das Experiment wurde die Mikrostrukturentwicklung von Wolframcarbid unter äußerer Belastung, insbesondere das Gesetz über Versetzungs- und Stapelfehlerbewegung, durch mechanisches In-situ-Experiment realisiert.

Mit Hilfe der Feinstrukturcharakterisierung und der Kristallographieanalyse wurde der Wechselwirkungsmechanismus von Kristalldefekten der harten Phase und der duktilen Phase in Wolframcarbid mit hoher Festigkeit und Zähigkeit vorgeschlagen und der Mechanismus seiner Wirkung auf die Verzögerung der Risskeimbildung und die Beständigkeit gegen Risswachstum aufgezeigt. Insbesondere im Hinblick auf das Dehnungsverhalten von Wolframcarbid wird vorgeschlagen, dass das Hauptschlupfsystem der WC-Phase bei Raumtemperatur eine Versetzung des Kompressionsstabs erzeugen kann, während die Aktivierung eines neuen Schlupfsystems bei hoher Temperatur einen plastischen Beitrag liefern kann, der quantitativ zeigt die Beziehung zwischen der plastischen Verformung von Wolframcarbid und der Bewegung des Schlupfsystems und der Versetzung sowie der Änderungsregel mit der Temperatur. Im Hinblick auf die Simulationsberechnung wurde das mechanische Verhalten von Bikristall- und Polykristall-Wolframcarbid bei Raumtemperatur und hoher Temperatur mittels molekulardynamischer Methode untersucht und der Mikromechanismus des Einflusses von Korngrenze, Phasengrenze, intragranularem Defekt und Korngröße auf die Das Verformungs- und Bruchverhalten von Wolframcarbid wurde auf atomarer Ebene geklärt. Auf der elektronischen Skala werden die elektronische Zustandsdichte und die Bindungsform von WC nach dem ersten Prinzip berechnet und analysiert, und der Mikromechanismus der hohen Härte von WC wird geklärt.

Es wird vorgeschlagen, dass der Elastizitätsmodul und die Härte von WC durch eine Mikro-Mischkristalllösung von Metallelementen mit hoher Austrittsarbeit weiter verbessert werden können, und dann wird im Experiment erfolgreich ein Festlösungs-WC-Massenmaterial mit höherer Härte synthetisiert. Im Jahr 2019 wurde der obige Forschungsfortschritt in drei aufeinanderfolgenden Artikeln in der international renommierten Zeitschrift crystal Journal: Acta crystal veröffentlicht. 2019, B75, 134-142 (Erstautorin ist Fang Jing, Masterstudentin); Acta-Kristall. 2019, B75, 994-1002 (Erstautor ist Dr. LV Hao); Acta-Kristall. 2019, B75, 1014-1023 (erster Autor ist Hu Huaxin, Doktorand). Auf der Meso- und Makroskala wird ein Finite-Elemente-Modell basierend auf der realen dreidimensionalen Struktur von Wolframcarbid erstellt. Untersucht werden das heterogene Dehnungsverhalten und das plastische Verformungsverhalten von Wolframkarbid unter Wechselwirkung von betriebsbereiter thermischer Eigenspannung und äußerer Spannung im Lagerprozess. Die Beziehung zwischen dem Verformungsverhalten der Mikrostruktur und der Bruchzähigkeit wird aufgezeigt. Diese Leistung wurde in int. J. plasticity, 2019, 121, 312-323 (Erstautor ist Dr. Li Yanan).

Figure 1. Grenzflächenstruktur und Entwicklungseigenschaften der durch Zugabe von VC und Cr3C2 gebildeten WC / CO-Phasengrenze

Figure 2. Einfluss von Additiven, Temperatur- und Oberflächenenergieanisotropie auf die Bildung und Entwicklung von Korngrenzen mit niedriger Energie in Wolframcarbid

Figure 3. Einfluss der WC-Kornrotation auf die mikroplastische Verformung von nanokristallinem Wolframcarbid

Figure 4. Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften eines neuartigen WC-Blockmaterials mit hoher Härte und ungebundener Phase

Abbildung 5. Typische Versetzungsreaktionen (einschließlich Versetzungszerlegung, Bildung von Versetzungen des Druckstabs usw.) auf der WC-Basisebene und der Hauptschlupfebene am Zylinder

Figure 6. Einfluss der inhomogenen Dehnungsreaktion auf das Bruchverhalten von Wolframcarbid während der Kompression