Bước đột phá mới của cacbua vonfram với tính chất vượt trội của Đại học Bắc Kinh

Do độ cứng cao và chống mài mòn, cacbua vonfram  is widely used as a variety of processing tool materials, known as “industrial teeth”. Among them, WC Co cacbua vonfram  là sản xuất và tiêu thụ lớn nhất của cacbua vonfram  nguyên vật liệu. Sau nhiều thập kỷ phát triển, trong ứng dụng kỹ thuật của cacbua vonfram , độ cứng và khả năng chống mài mòn về cơ bản có thể đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất dịch vụ, trong khi độ bền gãy và độ bền va đập là nút thắt của việc mở rộng ứng dụng cacbua vonfram , đặc biệt là ứng dụng cao cấp. Trong một thời gian dài, thiếu hiểu biết có hệ thống về cơ chế tăng cường và tăng cường cacbua vonfram , đó là một loại vật liệu composite hai pha gốm và composite nhiều pha với phụ gia. Mối quan hệ giữa đa thành phần, cấu trúc, hành vi cơ học và hiệu suất toàn diện của loại hệ thống vật liệu này cần nghiên cứu thêm.

1.khoa họctrẻ em

Hiện nay, các vấn đề khoa học nghiên cứu cơ bản phổ biến trong lĩnh vực cacbua vonfram  từ ứng dụng kỹ thuật có thể được tóm tắt như sau:

trong chế phẩm công nghiệp của siêu mịn và tinh thể nano cacbua vonfram , sự tăng trưởng của hạt phải được kiểm soát bằng cách thêm các chất ức chế tăng trưởng hạt. Tuy nhiên, các chất ức chế thường có tác dụng phụ đối với độ dẻo dai và sức mạnh của cacbua vonfram . Cần hiểu đầy đủ các yếu tố kiểm soát ổn định của cấu trúc vi mô có nguồn gốc ức chế và ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất cơ học của cacbua vonfram .

Với việc giảm kích thước hạt của pha cứng dưới thang Subicron, giao diện bên trong dần trở thành yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền và độ bền của cacbua vonfram . Tuy nhiên, các yếu tố có thể ổn định ranh giới WC / CO và WC / WC và cơ chế ổn định không được hiểu rõ, và cơ chế hình thành và tiến hóa của giao diện năng lượng thấp không được hiểu rõ.

Thông qua nghiên cứu các hành vi cơ học và cơ chế vi mô của cacbua vonfram  ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao, sự hiểu biết về cơ chế tăng cường và tăng cường trong quy trình dịch vụ có thể được đào sâu, để hướng dẫn thiết kế và chuẩn bị hiệu suất cao cacbua vonfram . Hiện tại, không có sự hiểu biết có hệ thống về cơ chế biến dạng vi mô, nguồn gốc của chất dẻo và hành vi cơ học ở nhiệt độ cao của cacbua vonfram .

2.Tiến độ nghiên cứu

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 cacbua vonfram . Năm 2013, nhóm nghiên cứu lần đầu tiên chuẩn bị tinh thể nano cacbua vonfram  vật liệu khối với mật độ cao và cấu trúc đồng nhất, có độ cứng cao và độ bền cao, và đưa ra lý thuyết cường độ kết hợp mạch lạc của pha hai pha cacbua vonfram  (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 cacbua vonfram  vật liệu, và tìm thấy một số loại cấu trúc giao diện với độ dày 2-6 lớp nguyên tử, các yếu tố ảnh hưởng, phương pháp ổn định và cơ chế vi mô. Dựa trên việc tối ưu hóa các chất phụ gia và tinh chỉnh thành phần, việc kiểm soát chính xác tính ổn định của cấu trúc giao diện được thực hiện. Cơ chế chống gãy giữa các vật liệu khớp giao diện pha với các yếu tố khác nhau như V, Cr, Ti, Ta và Nb được đề xuất. Hơn nữa, ảnh hưởng của sự ổn định cấu trúc giao diện và bất đẳng hướng năng lượng bề mặt đối với sự hình thành và tiến hóa của ∑ 2 và ∑ 13A ở ranh giới năng lượng thấp có được bằng cách tối ưu hóa các chất ức chế sự tăng trưởng của hạt và kiểm soát nhiệt độ mật độ thiêu kết. Do đó, vấn đề chuẩn bị có thể kiểm soát được là tăng tỷ lệ ranh giới pha kết hợp WC / CO với phân bố ranh giới hạt năng lượng thấp WC / WC trong cacbua vonfram  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 cacbua vonfram s” and “low energy grain boundaries in WC Co cacbua vonfram s”. Guided by the basic research, the research group and the enterprise cooperated to prepare the ultra-high strength and high toughness cacbua vonfram  các thanh có cường độ gãy ngang trung bình hơn 5200mpa và độ bền gãy hơn 13.0mpa · M1 / 2. Giá trị cường độ gãy là chỉ số hiệu suất cao nhất của cường độ gãy trong số tương tự cacbua vonfram  báo cáo trên thế giới.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu về mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô, hành vi cơ học và tính chất toàn diện của cacbua vonfram. Trong khía cạnh thí nghiệm, sự phát triển cấu trúc vi mô của cacbua vonfram dưới tải trọng bên ngoài, đặc biệt là định luật chuyển động sai lệch và xếp chồng, được thực hiện thông qua thí nghiệm cơ học tại chỗ.

Với sự trợ giúp của đặc tính cấu trúc tinh tế và phân tích tinh thể học, cơ chế tương tác của các khuyết tật tinh thể của pha cứng và pha dẻo trong cacbua vonfram cường độ cao và độ bền đã được đề xuất, và cơ chế tác dụng của nó trong việc trì hoãn quá trình tạo mầm nứt và chống lại sự phát triển vết nứt. Đặc biệt, theo quan điểm về hành vi biến dạng của cacbua vonfram, đề xuất rằng hệ thống trượt chính của pha WC có thể tạo ra sự biến dạng của thanh nén ở nhiệt độ phòng, trong khi việc kích hoạt hệ thống trượt mới ở nhiệt độ cao có thể cung cấp sự đóng góp của nhựa, về mặt định lượng cho thấy mối quan hệ giữa biến dạng dẻo của cacbua vonfram và sự chuyển động của hệ thống trượt và trật khớp cũng như quy luật thay đổi theo nhiệt độ. Trong khía cạnh tính toán mô phỏng, hành vi cơ học của cacbua vonfram và đa tinh thể ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao được nghiên cứu bằng phương pháp động lực phân tử và cơ chế vi mô ảnh hưởng của ranh giới hạt, ranh giới pha, khuyết tật nội sọ và kích thước hạt trên biến dạng và hành vi gãy của cacbua vonfram đã được làm rõ trên quy mô nguyên tử. Ở quy mô điện tử, mật độ điện tử của trạng thái và dạng liên kết của WC được tính toán và phân tích theo nguyên tắc đầu tiên, và cơ chế vi mô có độ cứng cao của WC được làm rõ.

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).

Hình 1. Cấu trúc giao diện và đặc điểm tiến hóa của ranh giới pha WC / CO được hình thành bằng cách thêm VC và Cr3C2

Hình 2. Ảnh hưởng của phụ gia, nhiệt độ và dị hướng năng lượng bề mặt đến sự hình thành và phát triển của ranh giới hạt năng lượng thấp trong cacbua vonfram

Hình 3. Ảnh hưởng của luân chuyển hạt WC đến biến dạng vi dẻo trong cacbua vonfram tinh thể nano

Hình 4. Cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của một loại vật liệu khối WC có độ cứng cao mới với pha không nung

Hình 5. Các phản ứng trật khớp điển hình (bao gồm phân rã trật khớp, hình thành các trật khớp thanh nén, v.v.) trên mặt phẳng cơ sở WC và mặt phẳng trượt chính trên xi lanh

Hình 6. Ảnh hưởng của phản ứng biến dạng không đồng nhất lên hành vi gãy của cacbua vonfram trong quá trình nén