由于其高硬度和耐磨性， 碳化鎢  被廣泛用作各種加工工具材料，被稱為“工業(yè)牙齒”。其中，WC Co 碳化鎢  是最大的生產(chǎn)和消費 碳化鎢  材料。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在工程上的應(yīng)用 碳化鎢 ，其硬度和耐磨性基本可以滿足使用性能的要求，而斷裂強度和沖擊韌性是擴大應(yīng)用范圍的瓶頸。 碳化鎢 ，尤其是高端應(yīng)用程序。長期以來，對合金的強化和增韌機理缺乏系統(tǒng)的認識。 碳化鎢 ，是一種具有添加劑的金屬陶瓷雙相復(fù)合材料和多相復(fù)合材料。這種材料系統(tǒng)的多組分，結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能和綜合性能之間的關(guān)系需要進一步研究。

1.科學(xué)問題EMS

目前，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域中常見的科學(xué)問題 碳化鎢  從工程應(yīng)用可以總結(jié)如下：

在超細和納米晶體的工業(yè)制備中 碳化鎢 ，必須通過添加晶粒長大抑制劑來控制晶粒長大。但是，抑制劑通常會對橡膠的韌性和強度產(chǎn)生不利影響。 碳化鎢 。有必要充分了解抑制劑衍生的微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性控制因素以及對微晶結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。 碳化鎢 .

隨著硬相晶粒尺寸的減小，亞微米級以下，內(nèi)部界面逐漸成為影響合金韌性和強度的主要因素。 碳化鎢 。但是，對于使WC / CO和WC / WC邊界穩(wěn)定的因素及其穩(wěn)定機理尚未充分了解，對低能界面的形成和演化機理也知之甚少。

通過研究合金的力學(xué)行為和微觀機理 碳化鎢  在室溫和高溫下，可以加深對使用過程中強化和增韌機理的了解，從而指導(dǎo)高性能材料的設(shè)計和制備 碳化鎢 。目前，還沒有系統(tǒng)地了解合金的微觀變形機理，可塑性來源和高溫機械性能。 碳化鎢 .

2.研究進展

北京工業(yè)大學(xué)宋曉燕教授團隊針對工程應(yīng)用中的實際問題開展了一系列基礎(chǔ)研究。 碳化鎢 。 2013年，研究小組首先制備了納米晶體 碳化鎢  具有高硬度和高韌性的高密度和均勻結(jié)構(gòu)的塊狀材料，并提出了納米晶兩相的界面相干增韌理論 碳化鎢  (ACTA mater. 2013, 61, 2154-2162)，已在原位力學(xué)實驗中得到充分驗證(mater. Res. lett. 2017, 5, 55-60)。近期，課題組結(jié)合理論建模和實驗設(shè)計，對可能出現(xiàn)的各種“界面結(jié)構(gòu)”進行了深入研究。 碳化鎢  并發(fā)現(xiàn)了幾種具有2-6個原子層厚度的界面結(jié)構(gòu)，影響因素，穩(wěn)定方法和微觀機制。基于添加劑的優(yōu)化和組成的微調(diào)，實現(xiàn)了界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的精確控制。提出了相界面匹配材料具有V，Cr，Ti，Ta和Nb等多種元素的抗晶間斷裂機理。此外，通過優(yōu)化晶粒生長抑制劑和控制燒結(jié)致密化溫度，獲得了界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和表面能各向異性對低能界處∑ 2和∑ 13A的形成和演化的影響。因此，增加了WC / CO相干相界與WC / WC低能晶界分布之比的可控制備問題。 碳化鎢  解決了。相關(guān)成果先后在Acta mater上發(fā)表。 2018, 149, 164-178 和 Acta mater。 2019, 175, 171-181 標(biāo)題為“WC Co 中的膚色” 碳化鎢 s”和“WC Co中的低能晶界 碳化鎢 s”。以基礎(chǔ)研究為指導(dǎo)，課題組與企業(yè)合作制備超高強高韌 碳化鎢  鋼筋的平均橫向斷裂強度大于5200mpa，斷裂韌性大于13.0mpa·M1 /2。斷裂強度值是同類產(chǎn)品中斷裂強度最高的性能指標(biāo) 碳化鎢  世界報道。

此外，研究小組還對碳化鎢的微觀結(jié)構(gòu)，力學(xué)行為和綜合性能之間的關(guān)系進行了大量研究。在實驗方面，通過原位力學(xué)實驗實現(xiàn)了碳化鎢在外載荷作用下的組織演變，特別是位錯和堆積斷層運動規(guī)律。

借助于精細的結(jié)構(gòu)表征和晶體學(xué)分析，提出了高強韌性碳化鎢中硬質(zhì)相和韌性相的晶體缺陷的相互作用機理，揭示了其延緩裂紋成核和抗裂紋擴展的作用機理。特別是，考慮到碳化鎢的應(yīng)變特性，提出WC相的主滑移系統(tǒng)在室溫下可產(chǎn)生壓桿的位錯，而高溫下新滑移系統(tǒng)的活化可提供塑性作用，從而定量地揭示了碳化鎢的塑性應(yīng)變與滑動系統(tǒng)的運動和位錯之間的關(guān)系以及隨溫度的變化規(guī)律。在模擬計算方面，通過分子動力學(xué)方法研究了雙晶和多晶碳化鎢在室溫和高溫下的力學(xué)行為，并研究了晶界，相界，晶內(nèi)缺陷和晶粒尺寸對晶界的影響的微觀機制。在原子尺度上闡明了碳化鎢的形變和斷裂行為。在電子尺度上，通過第一原理計算和分析了WC的電子態(tài)和鍵合形式，闡明了WC高硬度的微觀機理。

提出通過高功函數(shù)金屬元素的微固溶可以進一步提高WC的彈性模量和硬度，進而在實驗中成功合成更高硬度的再固溶無鍵相WC塊體材料。 2019年，上述研究進展連續(xù)三篇發(fā)表在國際知名期刊Crystal Journal：Acta crystal。 2019，B75，134-142（第一作者為方靜，碩士生）；晶體學(xué)報。 2019，B75，994-1002（第一作者為呂浩博士）；晶體學(xué)報。 2019，B75，1014-1023（第一作者為胡華新，博士生）。在細觀和宏觀尺度上，建立了基于碳化鎢真實三維結(jié)構(gòu)的有限元模型。研究了碳化鎢在預(yù)制備殘余熱應(yīng)力和軸承加工過程中外應(yīng)力相互作用下的異質(zhì)應(yīng)變響應(yīng)和塑性變形行為。揭示了顯微組織變形行為斷裂韌性之間的關(guān)系。這一成就發(fā)表在 int. J. 可塑性, 2019, 121, 312-323（第一作者為李亞男博士）。

圖1.通過添加VC和Cr3C2形成的WC / CO相界的界面結(jié)構(gòu)和演化特征

圖2.添加劑，溫度和表面能各向異性對碳化鎢中低能晶界形成和演化的影響

圖3. WC晶粒旋轉(zhuǎn)對納米晶碳化鎢中微塑性變形的影響

圖4.新型非粘結(jié)相的新型高硬度WC塊料的組織和力學(xué)性能

圖5. WC基本平面和圓柱體上的主滑移平面上的典型位錯反應(yīng)（包括位錯分解，壓縮桿位錯的形成等）

圖6.非均勻應(yīng)變響應(yīng)對壓縮過程中碳化鎢斷裂行為的影響