Благодаря своей высокой твердости и износостойкости, карбид вольфрама  is widely used as a variety of processing tool materials, known as “industrial teeth”. Among them, WC Co карбид вольфрама  является крупнейшим производством и потреблением карбид вольфрама  материалы. После десятилетий развития, в инженерном применении карбид вольфрама твердость и износостойкость могут в основном соответствовать требованиям эксплуатационных характеристик, в то время как прочность на разрыв и ударная вязкость являются узким местом расширения сферы применения. карбид вольфрама , особенно приложение высокого класса. В течение долгого времени отсутствует систематическое понимание механизма укрепления и ужесточения карбид вольфрама , который является разновидностью металлокерамического двухфазного композитного и многофазного композиционного материала с добавками. Взаимосвязь между многокомпонентной структурой, механическим поведением и всесторонними характеристиками системы материалов такого типа требует дальнейшего изучения.

1.научная проблемаЭмс

В настоящее время общие фундаментальные исследования научных проблем в области карбид вольфрама  Из инженерного приложения можно подытожить следующим образом:

в промышленном приготовлении ультрадисперсных и нанокристаллических карбид вольфрама рост зерна должен контролироваться путем добавления ингибиторов роста зерна. Однако ингибиторы обычно оказывают неблагоприятное воздействие на прочность и прочность карбид вольфрама , Необходимо полностью понимать факторы контроля стабильности микроструктуры, полученной из ингибитора, и влияние на микроструктуру и механические свойства карбид вольфрама .

С уменьшением размера зерна твердой фазы ниже субмикронной шкалы внутренний интерфейс постепенно становится основным фактором, влияющим на ударную вязкость и прочность карбид вольфрама , Однако факторы, которые могут стабилизировать границы WC / CO и WC / WC, и механизм стабилизации не совсем понятны, а механизм формирования и эволюции низкоэнергетического интерфейса не совсем понятен.

Благодаря изучению механического поведения и микро механизма карбид вольфрама  при комнатной температуре и высокой температуре, понимание механизма укрепления и ужесточения в процессе обслуживания может быть углублено, чтобы направлять разработку и подготовку высокопроизводительных карбид вольфрама , В настоящее время нет систематического понимания механизма микро деформации, источника пластичности и механического поведения при высоких температурах. карбид вольфрама .

2.Прогресс исследований

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 карбид вольфрама , В 2013 году исследовательская группа впервые подготовила нанокристаллический карбид вольфрама  блочные материалы с высокой плотностью и однородной структурой, которые имеют как высокую твердость, так и высокую ударную вязкость, и выдвигают теорию когерентного упрочнения интерфейса нанокристаллической двухфазной карбид вольфрама  (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 карбид вольфрама  материалов, и обнаружили несколько видов интерфейсных структур с толщиной атомного слоя 2-6, влияющих факторов, подходов стабилизации и микро-механизмов. На основе оптимизации добавок и точной настройки состава осуществляется точный контроль стабильности структуры интерфейса. Предложен механизм противозернистого разрушения материалов сопряжения фаз с различными элементами, такими как V, Cr, Ti, Ta и Nb. Кроме того, влияние стабильности структуры интерфейса и анизотропии поверхностной энергии на образование и эволюцию and 2 и A 13A на границах низких энергий было получено путем оптимизации ингибиторов роста зерен и регулирования температуры затвердевания при спекании. Таким образом, проблема контролируемой подготовки увеличения отношения когерентной фазовой границы WC / CO к низкоэнергетическому распределению границы зерен WC / WC в карбид вольфрама  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 карбид вольфрама s” and “l(fā)ow energy grain boundaries in WC Co карбид вольфрама s”. Guided by the basic research, the research group and the enterprise cooperated to prepare the ultra-high strength and high toughness карбид вольфрама  стержни со средней поперечной прочностью на разрыв более 5200 МПа и вязкостью разрушения более 13,0 МПа · М1 / 2. Значение прочности на разрыв является самым высоким показателем эффективности прочности на разрыв среди аналогичных карбид вольфрама  сообщили в мире.

Кроме того, исследовательская группа провела множество исследований взаимосвязи между микроструктурой, механическим поведением и комплексными свойствами карбида вольфрама. В аспекте эксперимента эволюция микроструктуры карбида вольфрама под действием внешней нагрузки, особенно закон движения дислокации и дефекта упаковки, была реализована в ходе механического эксперимента на месте.

С помощью характеристики тонкой структуры и кристаллографического анализа предложен механизм взаимодействия кристаллических дефектов твердой фазы и пластичной фазы в карбиде вольфрама высокой прочности и ударной вязкости, а также выявлен механизм его влияния на замедление зарождения трещины и рост сопротивления трещины. В частности, с учетом деформационного поведения карбида вольфрама предполагается, что основная система скольжения фазы WC может вызывать дислокацию стержня сжатия при комнатной температуре, тогда как активация новой системы скольжения при высокой температуре может обеспечить пластический вклад, который количественно раскрывает связь между пластической деформацией карбида вольфрама и движением системы скольжения и дислокации, а также правилом изменения температуры. В аспекте симуляционного расчета методом молекулярной динамики изучено механическое поведение бикристаллического и поликристаллического карбида вольфрама при комнатной и высокой температурах, а также микро-механизм влияния межзеренной границы, межфазной границы, внутризеренного дефекта и размера зерна. деформационное и разрушающее поведение карбида вольфрама выяснено на атомном уровне. В электронном масштабе электронная плотность состояния и форма связи WC рассчитываются и анализируются по первому принципу, а микромеханизм высокой твердости WC уточняется.

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).

Рисунок 1. Структура интерфейса и эволюционные характеристики фазовой границы WC / CO, образованной добавлением VC и Cr3C2

Рисунок 2. Влияние добавок, анизотропии температуры и поверхностной энергии на формирование и развитие низкоэнергетических границ зерен в карбиде вольфрама.

Рисунок 3. Влияние вращения зерна WC на микропластическую деформацию в нанокристаллическом карбиде вольфрама.

Рисунок 4. Микроструктура и механические свойства нового типа высокотвердого материала WC-блока с повторно несвязанной фазой.

Рис. 5. Типичные реакции дислокаций (включая распад дислокаций, образование дислокаций стержня сжатия и т. Д.) На базовой плоскости WC и основной плоскости скольжения на цилиндре

Рисунок 6. Влияние неоднородного деформационного отклика на характеристики разрушения карбида вольфрама при сжатии