Novo avanço do carboneto de tungstênio com propriedades superiores da Universidade de Pequim

Devido à sua alta dureza e resistência ao desgaste, carboneto de tungstênio  is widely used as a variety of processing tool materials, known as “industrial teeth”. Among them, WC Co carboneto de tungstênio  é a maior produção e consumo de carboneto de tungstênio  materiais. Após décadas de desenvolvimento, na aplicação de engenharia de carboneto de tungstênio , a dureza e a resistência ao desgaste podem basicamente atender aos requisitos de desempenho do serviço, enquanto a resistência à fratura e a resistência ao impacto são o gargalo da expansão da aplicação de carboneto de tungstênio , especialmente o aplicativo high-end. Durante muito tempo, há uma falta de entendimento sistemático sobre o mecanismo de fortalecimento e endurecimento da carboneto de tungstênio , que é um tipo de material compósito de fase dupla de cerâmica metálica e material composto multifásico com aditivos. A relação entre multicomponentes, estrutura, comportamento mecânico e desempenho abrangente desse tipo de sistema de material precisa de mais estudos.

1.problema científicoems

Atualmente, os problemas científicos comuns da pesquisa básica no campo da carboneto de tungstênio  do aplicativo de engenharia pode ser resumido da seguinte forma:

na preparação industrial de ultrafinos e nanocristalinos carboneto de tungstênio , o crescimento de grãos deve ser controlado pela adição de inibidores de crescimento de grãos. Contudo, os inibidores geralmente têm efeitos adversos sobre a dureza e força de carboneto de tungstênio . É necessário entender completamente os fatores de controle de estabilidade da microestrutura derivada de inibidores e os efeitos sobre a microestrutura e as propriedades mecânicas da carboneto de tungstênio .

Com a diminuição do tamanho de grão da fase dura abaixo da escala submicrônica, a interface interna gradualmente se torna o principal fator que afeta a tenacidade e resistência do carboneto de tungstênio . No entanto, os fatores que podem estabilizar os limites de WC / CO e WC / WC e o mecanismo de estabilização não são bem compreendidos, e o mecanismo de formação e evolução da interface de baixa energia não é bem compreendido.

Através do estudo do comportamento mecânico e do micro mecanismo de carboneto de tungstênio  em temperatura ambiente e alta temperatura, o entendimento do mecanismo de fortalecimento e resistência no processo de serviço pode ser aprofundado, de modo a orientar o design e a preparação de alto desempenho carboneto de tungstênio . Atualmente, não há um entendimento sistemático do mecanismo de micro deformação, da fonte de plasticidade e do comportamento mecânico de alta temperatura de carboneto de tungstênio .

2.Progresso da pesquisa

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 carboneto de tungstênio . Em 2013, a equipe de pesquisa preparou primeiramente nanocristalinos carboneto de tungstênio  bloqueie materiais com alta densidade e estrutura uniforme, com alta dureza e alta tenacidade, e proponha a teoria de endurecimento coerente da interface de duas fases nanocristalinas carboneto de tungstênio  (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 carboneto de tungstênio  materiais e encontrou vários tipos de estruturas de interface com 2-6 espessuras de camadas atômicas, fatores de influência, abordagens de estabilização e micro mecanismos. Com base na otimização de aditivos e no ajuste fino da composição, é realizado o controle preciso da estabilidade da estrutura da interface. É proposto o mecanismo de fratura anti-intergranular de materiais correspondentes à interface de fase com vários elementos, como V, Cr, Ti, Ta e Nb. Além disso, a influência da estabilidade da estrutura da interface e da anisotropia da energia superficial na formação e evolução de ∑ 2 e ∑ 13A em limites de baixa energia foi obtida através da otimização dos inibidores do crescimento de grãos e do controle da temperatura de Densificação por Sinterização. Assim, o problema de preparação controlável de aumentar a razão entre o limite de fase coerente WC / CO e a distribuição de limite de grão de baixa energia WC / WC em carboneto de tungstênio  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 carboneto de tungstênio s” and “low energy grain boundaries in WC Co carboneto de tungstênio s”. Guided by the basic research, the research group and the enterprise cooperated to prepare the ultra-high strength and high toughness carboneto de tungstênio  barras com resistência à fratura transversal média superior a 5200mpa e resistência à fratura superior a 13,0mpa · M1 / 2. O valor da resistência à fratura é o maior índice de desempenho da resistência à fratura entre os similares carboneto de tungstênio  relatado no mundo.

Além disso, o grupo de pesquisa fez muitas pesquisas sobre a relação entre a microestrutura, o comportamento mecânico e as propriedades abrangentes do carboneto de tungstênio. No aspecto do experimento, a evolução da microestrutura do carboneto de tungstênio sob carga externa, especialmente a lei de deslocamento e deslocamento de falhas de empilhamento, foi realizada através de experimento mecânico in situ.

Com a ajuda da caracterização da estrutura fina e da análise cristalográfica, foi proposto o mecanismo de interação dos defeitos de cristal da fase dura e da fase dúctil em carboneto de tungstênio de alta resistência e tenacidade, e o mecanismo de seu efeito no atraso da nucleação e na resistência ao crescimento de trincas foi revelado. Especialmente, tendo em vista o comportamento de deformação do carboneto de tungstênio, propõe-se que o sistema principal de escorregamento da fase WC possa produzir deslocamento da barra de compressão à temperatura ambiente, enquanto a ativação do novo sistema de escorregamento a alta temperatura pode fornecer contribuição plástica, o que quantitativamente revela a relação entre a deformação plástica do carboneto de tungstênio e o movimento do sistema de deslizamento e deslocamento, bem como a regra de mudança com a temperatura. No aspecto do cálculo da simulação, o comportamento mecânico do carboneto de tungstênio bicristal e policristalino à temperatura ambiente e à alta temperatura foi estudado pelo método da dinâmica molecular, e o micro mecanismo da influência dos limites de grão, limite de fase, defeito intragranular e tamanho de grão na superfície. a deformação e o comportamento de fratura do carboneto de tungstênio foram esclarecidos na escala atômica. Na balança eletrônica, a densidade eletrônica do estado e a forma de ligação da CC são calculadas e analisadas pelo primeiro princípio, e o micro mecanismo de alta dureza da CC é esclarecido.

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. Estrutura da interface e características de evolução do limite de fase WC / CO formado pela adição de VC e Cr3C2

Figura 2. Efeito de aditivos, temperatura e anisotropia da energia superficial na formação e evolução de limites de grão de baixa energia no carboneto de tungstênio

Figura 3. Efeito da rotação de grãos de WC na micro deformação plástica em carboneto de tungstênio nanocristalino

Figura 4. Microestrutura e propriedades mecânicas de um novo tipo de material de bloco WC de alta dureza com fase não ligada

Figura 5. Reações típicas de deslocamento (incluindo decomposição de deslocamento, formação de deslocamentos da barra de compressão, etc.) no plano base da sanita e no plano principal de deslizamento no cilindro

Figura 6. Efeito da resposta de tensão não homogênea no comportamento à fratura do carboneto de tungstênio durante a compressão