由于其高硬度和耐磨性, 碳化钨  is widely used as a variety of processing tool materials, known as “industrial teeth”. Among them, WC Co 碳化钨  是最大的生产和消费 碳化钨  材料。经过几十年的发展,在工程上的应用 碳化钨 ,其硬度和耐磨性基本可以满足使用性能的要求,而断裂强度和冲击韧性是扩大应用范围的瓶颈。 碳化钨 ,尤其是高端应用程序。长期以来,对合金的强化和增韧机理缺乏系统的认识。 碳化钨 ,是一种具有添加剂的金属陶瓷双相复合材料和多相复合材料。这种材料系统的多组分,结构,力学性能和综合性能之间的关系需要进一步研究。

1.科学问题EMS

目前,在基础研究领域中常见的科学问题 碳化钨  从工程应用可以总结如下:

在超细和纳米晶体的工业制备中 碳化钨 ,必须通过添加晶粒长大抑制剂来控制晶粒长大。但是,抑制剂通常会对橡胶的韧性和强度产生不利影响。 碳化钨 。有必要充分了解抑制剂衍生的微结构的稳定性控制因素以及对微晶结构和力学性能的影响。 碳化钨 .

随着硬相晶粒尺寸的减小,亚微米级以下,内部界面逐渐成为影响合金韧性和强度的主要因素。 碳化钨 。但是,对于使WC / CO和WC / WC边界稳定的因素及其稳定机理尚未充分了解,对低能界面的形成和演化机理也知之甚少。

通过研究合金的力学行为和微观机理 碳化钨  在室温和高温下,可以加深对使用过程中强化和增韧机理的了解,从而指导高性能材料的设计和制备 碳化钨 。目前,还没有系统地了解合金的微观变形机理,可塑性来源和高温机械性能。 碳化钨 .

2.研究进展

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 碳化钨 。 2013年,研究小组首先制备了纳米晶体 碳化钨  具有高硬度和高韧性的高密度和均匀结构的块状材料,并提出了纳米晶两相的界面相干增韧理论 碳化钨  (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 碳化钨  并发现了几种具有2-6个原子层厚度的界面结构,影响因素,稳定方法和微观机制。基于添加剂的优化和组成的微调,实现了界面结构稳定性的精确控制。提出了相界面匹配材料具有V,Cr,Ti,Ta和Nb等多种元素的抗晶间断裂机理。此外,通过优化晶粒生长抑制剂和控制烧结致密化温度,获得了界面结构稳定性和表面能各向异性对低能界处∑ 2和∑ 13A的形成和演化的影响。因此,增加了WC / CO相干相界与WC / WC低能晶界分布之比的可控制备问题。 碳化钨  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 碳化钨 s” and “low energy grain boundaries in WC Co 碳化钨 s”. Guided by the basic research, the research group and the enterprise cooperated to prepare the ultra-high strength and high toughness 碳化钨  钢筋的平均横向断裂强度大于5200mpa,断裂韧性大于13.0mpa·M1 /2。断裂强度值是同类产品中断裂强度最高的性能指标 碳化钨  世界报道。

此外,研究小组还对碳化钨的微观结构,力学行为和综合性能之间的关系进行了大量研究。在实验方面,通过原位力学实验实现了碳化钨在外载荷作用下的组织演变,特别是位错和堆积断层运动规律。

借助于精细的结构表征和晶体学分析,提出了高强韧性碳化钨中硬质相和韧性相的晶体缺陷的相互作用机理,揭示了其延缓裂纹成核和抗裂纹扩展的作用机理。特别是,考虑到碳化钨的应变特性,提出WC相的主滑移系统在室温下可产生压杆的位错,而高温下新滑移系统的活化可提供塑性作用,从而定量地揭示了碳化钨的塑性应变与滑动系统的运动和位错之间的关系以及随温度的变化规律。在模拟计算方面,通过分子动力学方法研究了双晶和多晶碳化钨在室温和高温下的力学行为,并研究了晶界,相界,晶内缺陷和晶粒尺寸对晶界的影响的微观机制。在原子尺度上阐明了碳化钨的形变和断裂行为。在电子尺度上,通过第一原理计算和分析了WC的电子态和键合形式,阐明了WC高硬度的微观机理。

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).

图1.通过添加VC和Cr3C2形成的WC / CO相界的界面结构和演化特征

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图2.添加剂,温度和表面能各向异性对碳化钨中低能晶界形成和演化的影响

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图3. WC晶粒旋转对纳米晶碳化钨中微塑性变形的影响

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图4.新型非粘结相的新型高硬度WC块料的组织和力学性能

图5. WC基本平面和圆柱体上的主滑移平面上的典型位错反应(包括位错分解,压缩杆位错的形成等)

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图6.非均匀应变响应对压缩过程中碳化钨断裂行为的影响

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