Nouvelle percée dans le carbure de tungstène aux propriétés supérieures de l'Université de Pékin

En raison de sa dureté élevée et de sa résistance à l'usure, le carbure de tungstène  est largement utilisé comme une variété de matériaux d'outils de traitement, connus sous le nom de "dents industrielles". Parmi eux, WC Co le carbure de tungstène  est la plus grande production et consommation de le carbure de tungstène  matériaux. Après des décennies de développement, dans l'application technique de le carbure de tungstène , la dureté et la résistance à l'usure peuvent fondamentalement répondre aux exigences de performance de service, tandis que la résistance à la rupture et la ténacité aux chocs sont le goulot d'étranglement de l'extension de l'application de le carbure de tungstène , en particulier l'application haut de gamme. Pendant longtemps, il y a un manque de compréhension systématique du mécanisme de renforcement et de durcissement des le carbure de tungstène , qui est une sorte de composite métal-céramique composite biphasé et multi-phase avec des additifs. La relation entre les composants multiples, la structure, le comportement mécanique et les performances complètes de ce type de système de matériaux doit être étudiée plus avant.

1.problème scientifiqueems

Actuellement, les problèmes scientifiques communs de la recherche fondamentale dans le le carbure de tungstène  de l'application d'ingénierie peut être résumée comme suit:

dans la préparation industrielle d'ultrafins et nanocristallins le carbure de tungstène , la croissance des grains doit être contrôlée en ajoutant des inhibiteurs de croissance des grains. Cependant, les inhibiteurs ont généralement des effets néfastes sur la ténacité et la résistance des le carbure de tungstène . Il est nécessaire de bien comprendre les facteurs de contrôle de la stabilité de la microstructure dérivée d'un inhibiteur et les effets sur la microstructure et les propriétés mécaniques des le carbure de tungstène .

Avec la diminution de la taille des grains de la phase dure en dessous de l'échelle submicronique, l'interface interne devient progressivement le principal facteur affectant la ténacité et la résistance du le carbure de tungstène . Cependant, les facteurs qui peuvent stabiliser les frontières WC / CO et WC / WC et le mécanisme de stabilisation ne sont pas bien compris, et le mécanisme de formation et d'évolution de l'interface basse énergie n'est pas bien compris.

Grâce à l'étude du comportement mécanique et du micro mécanisme de le carbure de tungstène  à température ambiante et à haute température, la compréhension du mécanisme de renforcement et de durcissement dans le processus de service peut être approfondie, afin de guider la conception et la préparation de hautes performances le carbure de tungstène . À l'heure actuelle, il n'y a pas de compréhension systématique du mécanisme de microdéformation, de la source de plasticité et du comportement mécanique à haute température des le carbure de tungstène .

2.Progrès de la recherche

L'équipe du professeur Song Xiaoyan de l'Université de technologie de Pékin a mené une série de recherches fondamentales sur les problèmes pratiques de l'application technique de le carbure de tungstène . En 2013, l'équipe de recherche a d'abord préparé des nanocristallins le carbure de tungstène  des matériaux en blocs à haute densité et à structure uniforme, qui ont à la fois une dureté élevée et une ténacité élevée, et mettent en avant la théorie de trempe cohérente à l'interface des nanocristallins biphasés le carbure de tungstène  (ACTA mater. 2013, 61, 2154-2162), qui a été entièrement vérifiée dans des expériences mécaniques in situ (mater. Res. lett. 2017, 5, 55-60). Récemment, combinant modélisation théorique et conception expérimentale, le groupe de recherche a étudié en profondeur diverses « structures d'interface » pouvant apparaître dans le carbure de tungstène  matériaux, et a trouvé plusieurs types de structures d'interface avec une épaisseur de couche atomique de 2 à 6, des facteurs d'influence, des approches de stabilisation et des micro-mécanismes. Sur la base de l'optimisation des additifs et du réglage fin de la composition, le contrôle précis de la stabilité de la structure d'interface est réalisé. Le mécanisme de la rupture anti-intergranulaire des matériaux d'adaptation d'interface de phase avec divers éléments tels que V, Cr, Ti, Ta et Nb est proposé. De plus, l'influence de la stabilité de la structure de l'interface et de l'anisotropie de l'énergie de surface sur la formation et l'évolution de ∑ 2 et ∑ 13A aux limites de faible énergie a été obtenue en optimisant les inhibiteurs de la croissance des grains et en contrôlant la température de densification du frittage. Ainsi, le problème de préparation contrôlable consistant à augmenter le rapport de la frontière de phase cohérente WC / CO à la distribution de frontière de grain WC / WC à faible énergie dans le carbure de tungstène  est résolu. Les réalisations pertinentes ont été successivement publiées dans Acta mater. 2018, 149, 164-178 et Acta mater. 2019, 175, 171-181 sous les titres de « teints dans WC Co le carbure de tungstène s" et "joints de grains à faible énergie dans WC Co le carbure de tungstène s ». Guidé par la recherche fondamentale, le groupe de recherche et l'entreprise ont coopéré pour préparer l'ultra-haute résistance et la haute ténacité le carbure de tungstène  barres avec une résistance à la rupture transversale moyenne de plus de 5200mpa et une ténacité à la rupture de plus de 13,0mpa · M1 / 2. La valeur de résistance à la rupture est l'indice de performance de résistance à la rupture le plus élevé parmi les similaires le carbure de tungstène  signalés dans le monde.

De plus, le groupe de recherche a effectué de nombreuses recherches sur la relation entre la microstructure, le comportement mécanique et les propriétés globales du carbure de tungstène. Dans l'aspect de l'expérience, l'évolution de la microstructure du carbure de tungstène sous charge externe, en particulier la loi de mouvement des défauts de dislocation et d'empilement, a été réalisée grâce à une expérience mécanique in situ.

À l'aide d'une caractérisation fine de la structure et d'une analyse de cristallographie, le mécanisme d'interaction des défauts cristallins de la phase dure et de la phase ductile en carbure de tungstène à haute résistance et ténacité a été proposé, et le mécanisme de son effet sur le retard de la nucléation des fissures et la résistance à la croissance des fissures a été révélé. En particulier, compte tenu du comportement à la déformation du carbure de tungstène, il est proposé que le système de glissement principal de la phase WC puisse produire une dislocation de la barre de compression à température ambiante, tandis que l'activation du nouveau système de glissement à haute température peut fournir une contribution plastique, qui quantitativement révèle la relation entre la déformation plastique du carbure de tungstène et le mouvement du système de glissement et de la dislocation ainsi que la règle de changement avec la température. Dans l'aspect du calcul de simulation, le comportement mécanique du carbure de tungstène bicristal et polycristallin à température ambiante et à haute température a été étudié par la méthode de la dynamique moléculaire, et le micromécanisme de l'influence de la limite du grain, de la limite de phase, du défaut intragranulaire et de la taille du grain sur la la déformation et le comportement à la rupture du carbure de tungstène ont été clarifiés à l'échelle atomique. A l'échelle électronique, la densité électronique d'état et la forme de collage des WC sont calculées et analysées par le premier principe, et le micro mécanisme de haute dureté des WC est clarifié.

Il est proposé que le module d'élasticité et la dureté du WC puissent être encore améliorés par une solution micro solide d'éléments métalliques à travail de travail élevé, puis une dureté plus élevée du matériau en vrac du WC en phase non liée en solution solide est synthétisée avec succès dans l'expérience. En 2019, les progrès de la recherche ci-dessus ont été publiés dans trois articles consécutifs dans la revue internationale bien connue crystal Journal: Acta crystal. 2019, B75, 134-142 (le premier auteur est Fang Jing, étudiant en master) ; Cristal Acta. 2019, B75, 994-1002 (le premier auteur est le Dr LV Hao) ; Cristal Acta. 2019, B75, 1014-1023 (le premier auteur est Hu Huaxin, doctorant). A l'échelle méso et macro, un modèle éléments finis basé sur la structure tridimensionnelle réelle du carbure de tungstène est établi. La réponse à la déformation hétérogène et le comportement de déformation plastique du carbure de tungstène sous l'interaction de la contrainte thermique résiduelle telle que préparée et de la contrainte externe dans le processus de roulement sont étudiés. La relation entre le comportement de déformation de la microstructure et la ténacité à la rupture est révélée. Cette réalisation a été publiée dans int. J. plasticity, 2019, 121, 312-323 (le premier auteur est le Dr Li Yanan).

Figure 1. Structure d'interface et caractéristiques d'évolution de la frontière de phase WC / CO formée en ajoutant VC et Cr3C2

Figure 2. Effet des additifs, de la température et de l'anisotropie de l'énergie de surface sur la formation et l'évolution des joints de grains à basse énergie dans le carbure de tungstène

Figure 3. Effet de la rotation des grains de WC sur la micro déformation plastique dans le carbure de tungstène nanocristallin

Figure 4. Microstructure et propriétés mécaniques d'un nouveau type de matériau de bloc WC à haute dureté avec phase non liée

Figure 5. Réactions de luxation typiques (y compris la décomposition des luxations, la formation de luxations des barres de compression, etc.) sur le plan de base du WC et le plan de glissement principal sur le cylindre

Figure 6. Effet d'une réponse de déformation inhomogène sur le comportement à la rupture du carbure de tungstène pendant la compression