Nowy przełom węglika wolframu o doskonałych właściwościach Uniwersytetu Pekińskiego

Ze względu na wysoką twardość i odporność na zużycie, węglik wolframu  is widely used as a variety of processing tool materials, known as “industrial teeth”. Among them, WC Co węglik wolframu  to największa produkcja i zużycie węglik wolframu  materiały. Po dziesięcioleciach rozwoju, w inżynierii aplikacji węglik wolframu , twardość i odporność na zużycie mogą zasadniczo spełniać wymagania dotyczące wydajności usługi, podczas gdy wytrzymałość na pękanie i udarność są wąskim gardłem w rozszerzeniu zastosowania węglik wolframu , szczególnie w aplikacjach wysokiej klasy. Przez długi czas brak jest systematycznego zrozumienia mechanizmu wzmacniania i hartowania węglik wolframu , który jest rodzajem dwufazowego kompozytu metalowo-ceramicznego i wielofazowego materiału kompozytowego z dodatkami. Związek między składnikiem wieloskładnikowym, strukturą, zachowaniem mechanicznym i kompleksową wydajnością tego rodzaju materiału wymaga dalszych badań.

1.problem naukowyems

Obecnie wspólne podstawowe problemy badawcze w dziedzinie badań naukowych w dziedzinie węglik wolframu  z aplikacji inżynierskiej można podsumować w następujący sposób:

w przemysłowym wytwarzaniu najdrobniejszych i nanokrystalicznych węglik wolframu , wzrost ziarna należy kontrolować poprzez dodanie inhibitorów wzrostu ziarna. Jednak inhibitory zwykle mają niekorzystny wpływ na wytrzymałość i wytrzymałość węglik wolframu . Konieczne jest pełne zrozumienie czynników kontroli stabilności mikrostruktury pochodzącej od inhibitora oraz wpływu na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne węglik wolframu .

Wraz ze spadkiem wielkości ziarna fazy twardej poniżej skali submikronowej interfejs wewnętrzny stopniowo staje się głównym czynnikiem wpływającym na wytrzymałość i wytrzymałość węglik wolframu . Jednak czynniki, które mogą ustabilizować granice WC / CO i WC / WC oraz mechanizm stabilizacji nie są dobrze poznane, a mechanizm tworzenia i ewolucji interfejsu niskoenergetycznego nie jest dobrze poznany.

Poprzez badanie zachowania mechanicznego i mikromechanizmu węglik wolframu  w temperaturze pokojowej i w wysokiej temperaturze można pogłębić zrozumienie mechanizmu wzmacniającego i hartującego w procesie serwisowym, aby ukierunkować projektowanie i przygotowanie wysokowydajnych węglik wolframu . W chwili obecnej brak jest systematycznego zrozumienia mechanizmu mikro deformacji, źródła plastyczności i mechanicznego zachowania w wysokiej temperaturze węglik wolframu .

2.Postęp badawczy

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 węglik wolframu . W 2013 r. Zespół badawczy po raz pierwszy przygotował nanokrystaliczny węglik wolframu  blokuje materiały o wysokiej gęstości i jednolitej strukturze, które mają zarówno wysoką twardość, jak i wysoką wytrzymałość, i przedstawia spójną teorię hartowania spójnego nanokrystalicznego dwufazowego węglik wolframu  (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 węglik wolframu  materiały i znaleziono kilka rodzajów struktur pośrednich o grubości 2-6 warstw atomowych, czynniki wpływające, podejścia stabilizacyjne i mikro mechanizmy. W oparciu o optymalizację dodatków i precyzyjne dostosowanie składu realizowana jest dokładna kontrola stabilności struktury interfejsu. Zaproponowano mechanizm przeciwcząsteczkowego pękania materiałów dopasowujących interfejs fazowy z różnymi elementami, takimi jak V, Cr, Ti, Ta i Nb. Ponadto wpływ stabilności struktury powierzchni styku i anizotropii energii powierzchniowej na tworzenie i ewolucję ∑ 2 i ∑ 13A na granicach niskiej energii uzyskano poprzez optymalizację inhibitorów wzrostu ziarna i kontrolowanie temperatury zagęszczania spiekania. W związku z tym można kontrolować problem przygotowania, polegający na zwiększeniu stosunku granicy faz koherentnych WC / CO do rozkładu granicy niskoenergetycznej granicy ziarna WC / WC w węglik wolframu  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 węglik wolframu s” and “low energy grain boundaries in WC Co węglik wolframu s”. Guided by the basic research, the research group and the enterprise cooperated to prepare the ultra-high strength and high toughness węglik wolframu  pręty o średniej wytrzymałości na pękanie poprzeczne większej niż 5200mpa i odporności na pękanie większej niż 13,0mpa · M1 / 2. Wartość wytrzymałości na pękanie jest najwyższym wskaźnikiem wydajności wytrzymałości na pękanie wśród podobnych węglik wolframu  zgłoszone na świecie.

Ponadto grupa badawcza przeprowadziła wiele badań dotyczących związku między mikrostrukturą, zachowaniem mechanicznym i kompleksowymi właściwościami węglika wolframu. W aspekcie eksperymentu ewolucja mikrostruktury węglika wolframu pod obciążeniem zewnętrznym, zwłaszcza prawo przemieszczania się zwarć i przemieszczania stosu, zostało zrealizowane za pomocą eksperymentu mechanicznego in situ.

Za pomocą dokładnej charakterystyki struktury i analizy krystalograficznej zaproponowano mechanizm interakcji wad krystalicznych fazy twardej i fazy ciągliwej w wysokiej wytrzymałości i wytrzymałości węglika wolframu oraz ujawniono mechanizm jego działania na opóźnianie zarodkowania pęknięć i powstrzymywanie wzrostu pęknięć. W szczególności, biorąc pod uwagę zachowanie odkształcalne węglika wolframu, proponuje się, aby główny system poślizgu fazy WC mógł spowodować przemieszczenie pręta ściskającego w temperaturze pokojowej, podczas gdy aktywacja nowego systemu poślizgu w wysokiej temperaturze może zapewnić wkład z tworzywa sztucznego, który ilościowo ujawnia związek między odkształceniem plastycznym węglika wolframu a ruchem systemu poślizgu i przemieszczenia, a także zasadą zmiany wraz z temperaturą. W aspekcie obliczeń symulacyjnych badano zachowanie mechaniczne bikrystalicznego i polikrystalicznego węglika wolframu w temperaturze pokojowej i wysokiej temperaturze metodą dynamiki molekularnej, a mikromechanizm wpływu granicy ziaren, granicy faz, defektów wewnątrzkrystalicznych i wielkości ziaren na deformacja i pękanie węglika wolframu zostały wyjaśnione w skali atomowej. W skali elektronicznej gęstość elektronowa stanu i forma spajania WC są obliczane i analizowane zgodnie z pierwszą zasadą, a mikro mechanizm o wysokiej twardości WC jest wyjaśniony.

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).

Rysunek 1. Struktura interfejsu i charakterystyka ewolucji granicy faz WC / CO utworzonej przez dodanie VC i Cr3C2

Ryc. 2. Wpływ dodatków, anizotropii temperatury i energii powierzchniowej na powstawanie i ewolucję niskoenergetycznych granic ziaren w węgliku wolframu

Ryc. 3. Wpływ rotacji ziarna WC na odkształcenie mikroplastyczne w nanokrystalicznym węgliku wolframu

Ryc. 4. Mikrostruktura i właściwości mechaniczne nowego rodzaju materiału WC o wysokiej twardości z fazą niezwiązaną

Ryc. 5. Typowe reakcje zwichnięcia (w tym rozkład zwichnięcia, tworzenie się zwarć pręta ściskającego itp.) Na płaszczyźnie podstawy WC i głównej płaszczyźnie poślizgu na cylindrze

Ryc. 6. Wpływ niejednorodnej reakcji odkształcenia na zachowanie się węglika wolframu podczas pękania podczas ściskania