Nowy przełom węglika wolframu o doskonałych właściwościach Uniwersytetu Pekińskiego

Ze względu na wysoką twardość i odporność na zużycie, węglik wolframu  jest szeroko stosowany jako różnorodne materiały narzędziowe do obróbki, zwane „zębami przemysłowymi”. Wśród nich 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

Zespół profesora Song Xiaoyana z Politechniki w Pekinie przeprowadził serię podstawowych badań dotyczących praktycznych problemów w inżynierskim zastosowaniu 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), co zostało w pełni zweryfikowane w eksperymentach mechanicznych in-situ (mater. Res. lett. 2017, 5, 55-60). Ostatnio, łącząc modelowanie teoretyczne z projektowaniem eksperymentalnym, grupa badawcza dogłębnie zbadała różne „struktury interfejsów”, które mogą się pojawić 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  jest rozwiązane. Odpowiednie osiągnięcia były sukcesywnie publikowane w Acta Mater. 2018, 149, 164-178 i Acta mater. 2019, 175, 171-181 w tytule „cery w WC Co” węglik wolframu s” i „niskoenergetyczne granice ziaren w WC Co węglik wolframu S". Kierując się badaniami podstawowymi, grupa badawcza i przedsiębiorstwo współpracowały w celu przygotowania ultrawysokiej wytrzymałości i wysokiej wytrzymałości 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.

Proponuje się, że moduł sprężystości i twardość WC można dodatkowo poprawić za pomocą mikrostałego roztworu elementów metalowych o wysokiej funkcji pracy, a następnie w eksperymencie z powodzeniem zsyntetyzowano materiał sypki WC o niezwiązanej fazie o wyższej twardości. W 2019 roku powyższy postęp badań został opublikowany w trzech kolejnych artykułach w międzynarodowym, znanym czasopiśmie crystal Journal: Acta crystal. 2019, B75, 134-142 (pierwszym autorem jest Fang Jing, student studiów magisterskich); Kryształ Akty. 2019, B75, 994-1002 (pierwszym autorem jest dr LV Hao); Kryształ Akty. 2019, B75, 1014-1023 (pierwszym autorem jest Hu Huaxin, doktorant). W skali mezo i makro opracowano model elementów skończonych oparty na rzeczywistej trójwymiarowej strukturze węglika wolframu. Badano niejednorodną reakcję na odkształcenie i zachowanie odkształcenia plastycznego węglika wolframu pod wpływem interakcji przygotowanego szczątkowego naprężenia termicznego i naprężenia zewnętrznego w procesie łożyskowania. Ujawniono związek pomiędzy zachowaniem się odkształceń mikrostruktury i odpornością na pękanie. Osiągnięcie to zostało opublikowane w int. J. plastyczność, 2019, 121, 312-323 (pierwszym autorem jest 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