Debido a su alta dureza y resistencia al desgaste, carburo de tungsteno  is widely used as a variety of processing tool materials, known as “industrial teeth”. Among them, WC Co carburo de tungsteno  es la mayor producción y consumo de carburo de tungsteno  materiales Después de décadas de desarrollo, en la aplicación de ingeniería de carburo de tungsteno , la dureza y la resistencia al desgaste básicamente pueden cumplir con los requisitos de rendimiento del servicio, mientras que la resistencia a la fractura y la resistencia al impacto son el cuello de botella para expandir la aplicación de carburo de tungsteno , especialmente la aplicación de gama alta. Durante mucho tiempo, existe una falta de comprensión sistemática sobre el mecanismo de fortalecimiento y endurecimiento de carburo de tungsteno , que es un tipo de material compuesto de doble fase de cerámica de metal y material compuesto de múltiples fases con aditivos. La relación entre los componentes múltiples, la estructura, el comportamiento mecánico y el rendimiento integral de este tipo de sistema de materiales necesita más estudio.

1.problema científicoems

En la actualidad, los problemas científicos comunes de investigación básica en el campo de carburo de tungsteno  de la aplicación de ingeniería se puede resumir de la siguiente manera:

en la preparación industrial de ultrafino y nanocristalino carburo de tungsteno , el crecimiento del grano debe controlarse agregando inhibidores del crecimiento del grano. Sin embargo, los inhibidores generalmente tienen efectos adversos sobre la tenacidad y la resistencia de carburo de tungsteno . Es necesario comprender completamente los factores de control de estabilidad de la microestructura derivada del inhibidor y los efectos sobre la microestructura y las propiedades mecánicas de carburo de tungsteno .

Con la disminución del tamaño de grano de la fase dura por debajo de la escala submicrométrica, la interfaz interna se convierte gradualmente en el factor principal que afecta la tenacidad y la resistencia del carburo de tungsteno . Sin embargo, los factores que pueden estabilizar los límites de WC / CO y WC / WC y el mecanismo de estabilización no se comprenden bien, y el mecanismo de formación y evolución de la interfaz de baja energía no se comprende bien.

Mediante el estudio del comportamiento mecánico y micro mecanismo de carburo de tungsteno  a temperatura ambiente y alta temperatura, se puede profundizar la comprensión del mecanismo de fortalecimiento y endurecimiento en el proceso de servicio, a fin de guiar el diseño y la preparación de alto rendimiento carburo de tungsteno . En la actualidad, no existe una comprensión sistemática del mecanismo de micro deformación, la fuente de plasticidad y el comportamiento mecánico a alta temperatura de carburo de tungsteno .

2.Progreso de la investigación

Professor Song Xiaoyan’s team of Beijing University of technology has carried out a series of basic researches on the practical problems in the engineering application of carburo de tungsteno . En 2013, el equipo de investigación preparó por primera vez nanocristalinos carburo de tungsteno  bloquean materiales con alta densidad y estructura uniforme, que tienen alta dureza y alta tenacidad, y presentan la teoría de endurecimiento coherente de interfaz de dos fases nanocristalinas carburo de tungsteno  (ACTA mater. 2013, 61, 2154-2162), which has been fully verified in in-situ mechanical experiments (mater. Res. lett. 2017, 5, 55-60). Recently, combining theoretical modeling and experimental design, the research group has deeply studied various “interface structures” that may appear in carburo de tungsteno  materiales, y encontramos varios tipos de estructuras de interfaz con 2-6 de espesor de capa atómica, factores influyentes, enfoques de estabilización y micro mecanismos. Basado en la optimización de los aditivos y el ajuste fino de la composición, se realiza el control preciso de la estabilidad de la estructura de la interfaz. Se propone el mecanismo de fractura anti intergranular de materiales de correspondencia de interfaz de fase con diversos elementos como V, Cr, Ti, Ta y Nb. Además, la influencia de la estabilidad de la estructura de la interfaz y la anisotropía de la energía superficial en la formación y evolución de ∑ 2 y ∑ 13A en límites de baja energía se obtuvo optimizando los inhibidores del crecimiento de grano y controlando la temperatura de densificación de sinterización. Por lo tanto, el problema de preparación controlable de aumentar la relación del límite de fase coherente WC / CO a la distribución límite de grano de baja energía WC / WC en carburo de tungsteno  is solved. Relevant achievements were successively published in Acta mater. 2018, 149, 164-178 and Acta mater. 2019, 175, 171-181 under the titles of “complexions in WC Co carburo de tungsteno s” and “low energy grain boundaries in WC Co carburo de tungsteno s”. Guided by the basic research, the research group and the enterprise cooperated to prepare the ultra-high strength and high toughness carburo de tungsteno  barras con una resistencia a la fractura transversal promedio de más de 5200mpa y una resistencia a la fractura de más de 13.0mpa · M1 / 2. El valor de resistencia a la fractura es el índice de rendimiento más alto de resistencia a la fractura entre carburo de tungsteno  reportado en el mundo.

Además, el grupo de investigación ha investigado mucho sobre la relación entre la microestructura, el comportamiento mecánico y las propiedades integrales del carburo de tungsteno. En el aspecto del experimento, la evolución de la microestructura del carburo de tungsteno bajo carga externa, especialmente la ley de dislocación y movimiento de falla de apilamiento, se realizó mediante un experimento mecánico in situ.

Con la ayuda de la caracterización de estructuras finas y el análisis de cristalografía, se propuso el mecanismo de interacción de defectos cristalinos de fase dura y fase dúctil en carburo de tungsteno de alta resistencia y tenacidad, y se reveló el mecanismo de su efecto para retrasar la nucleación de grietas y resistir el crecimiento de grietas. Especialmente, en vista del comportamiento de deformación del carburo de tungsteno, se propone que el sistema de deslizamiento principal de la fase WC puede producir la dislocación de la barra de compresión a temperatura ambiente, mientras que la activación del nuevo sistema de deslizamiento a alta temperatura puede proporcionar una contribución plástica, que cuantitativamente revela la relación entre la deformación plástica del carburo de tungsteno y el movimiento del sistema de deslizamiento y la dislocación, así como la regla de cambio con la temperatura. En el aspecto del cálculo de la simulación, se estudió el comportamiento mecánico del carburo de tungsteno bicristalino y policristalino a temperatura ambiente y alta temperatura mediante el método de dinámica molecular y el mecanismo de la influencia del límite de grano, límite de fase, defecto intragranular y tamaño de grano en el El comportamiento de deformación y fractura del carburo de tungsteno se aclaró a escala atómica. En la escala electrónica, la densidad electrónica de estado y la forma de unión de WC se calculan y analizan por el primer principio, y se aclara el micro mecanismo de alta dureza de WC.

It is proposed that the elastic modulus and hardness of WC can be further improved by micro solid solution of metal elements with high work function, and then higher hardness re solid solution unbonded phase WC bulk material is successfully synthesized in the experiment. In 2019, the above research progress was published in three consecutive articles in the international well-known journal crystal Journal: Acta crystal. 2019, B75, 134-142 (the first author is Fang Jing, master’s student); Acta crystal. 2019, B75, 994-1002 (the first author is Dr. LV Hao); Acta crystal. 2019, B75, 1014-1023 (the first author is Hu Huaxin, doctoral student). On the meso and macro scale, a finite element model based on the real three-dimensional structure of tungsten carbide  is established. The heterogeneous strain response and plastic deformation behavior of tungsten carbide  under the interaction of as prepared residual thermal stress and external stress in the bearing process are studied. The relationship between microstructure deformation behavior fracture toughness is revealed. This achievement was published in int. J. plasticity, 2019, 121, 312-323 (the first author is Dr. Li Yanan).

Figura 1. Estructura de la interfaz y características de evolución del límite de fase WC / CO formado al agregar VC y Cr3C2

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Figura 2. Efecto de los aditivos, la temperatura y la anisotropía de energía superficial en la formación y evolución de los límites de grano de baja energía en el carburo de tungsteno

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Figura 3. Efecto de la rotación del grano WC en la deformación microplástica en carburo de tungsteno nanocristalino

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Figura 4. Microestructura y propiedades mecánicas de un nuevo tipo de material de bloque de WC de alta dureza con fase no ligada

Figura 5. Reacciones de dislocación típicas (incluida la descomposición de dislocación, la formación de dislocaciones de la barra de compresión, etc.) en el plano base del WC y el plano de deslizamiento principal en el cilindro

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Figura 6. Efecto de la respuesta de deformación no homogénea sobre el comportamiento de fractura del carburo de tungsteno durante la compresión

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