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超高强韧硬质合金研制

发布时间:2019-7-28 10:11:53

研究背景

硬质合金由于具有高的硬度和耐磨性被广泛用作各种加工工具材料,号称“工业的牙齿”,其中,WC-Co型硬质合金是目前产量和消费量最大的硬质合金材料。经历了几十年的发展,在硬质合金的工程应用中,硬度和耐磨性基本已能满足服役性能的要求,而断裂强度和冲击韧性是当今硬质合金拓展应用尤其是高端应用的瓶颈。长期以来,对硬质合金这种金属-陶瓷双相复合以及在有添加物的条件下多元多相复合的材料,关于其强韧化机理缺乏系统的认识,对该类材料体系多元成分-组织结构-力学行为-综合性能之间的关联关系需要深入研究。

科学问题 

目前,硬质合金领域来自工程应用的共性基础研究科学问题可以总结为如下几个方面:

在超细晶和纳米晶硬质合金的工业化制备过程中,必须通过添加晶粒长大抑制剂控制烧结过程中的晶粒长大。然而,抑制剂通常会对硬质合金的韧性和强度产生不利影响,需要全面理解抑制剂衍生组织的稳定性调控因素及对硬质合金组织结构和力学性能的影响。

随着硬质相晶粒尺寸降至亚微米尺度以下,内界面逐渐成为影响硬质合金韧性和强度的主导因素。然而,可稳定WC/Co相界和WC/WC晶界的因素及稳定化调控机制缺乏准确认识,低能界面的形成及其演变机理尚无共识。

通过对硬质合金室温和高温下力学行为及其微观机制的研究可加深对服役过程强韧化机理的理解,从而指导高性能硬质合金的设计制备。当前对于硬质合金的微观形变机制、塑性来源以及高温力学行为缺少系统的认识。

工作进展

北京工业大学宋晓艳教授团队针对硬质合金工程应用中出现的实际问题,进行了系列基础研究。课题组于2013年在国际上首次制备出高致密度均匀组织的纳米晶硬质合金块体材料,兼具高硬度与高韧性,并提出了纳米晶双相硬质合金的界面共格韧化理论 (Acta Mater. 2013, 61, 2154-2162),进而在原位力学实验中得到全面验证 (Mater. Res. Lett. 2017, 5, 55-60)。最近,课题组结合理论建模和实验设计,深入研究了硬质合金材料中可能出现的各种“界面组织”,发现了若干种2-6个原子层厚的界面组织的形成、影响因素及其稳定化途径和微观机制。结合添加剂优选和成分微调,实现了界面组织稳定性的准确调控,提出了含有V、Cr、Ti、Ta、Nb等元素的多种硬质合金中原子尺度的相界面匹配对材料抗沿晶断裂的作用机理。进一步,通过晶粒长大抑制剂优化和烧结致密化温度的协同调控,获得了界面组织稳定性、表面能各向异性对低能晶界Σ2和Σ13a的形成和演变的影响规律。由此突破了在硬质合金中提高WC/Co共格相界与WC/WC低能晶界分布比例的可控制备难题。相关成果分别以“Complexions in WC-Co cemented carbides”和“Low-energy grain boundaries in WC-Co cemented carbides”为题连续发表在Acta Mater. 2018, 149, 164-178Acta Mater. 2019, 175, 171-181 (第一作者均为博士生刘兴伟)。以基础研究为指导,课题组与企业合作批量制备出了平均横向断裂强度超过5200MPa、断裂韧性超过13.0MPa·m1/2的超高强高韧硬质合金棒材,断裂强度值为目前国际上报道的同类硬质合金中断裂强度的最高性能指标。 

此外,课题组对硬质合金的组织结构-力学行为-综合性能之间的关联关系进行了大量研究。首先,通过原位力学实验认识到外加载荷下硬质合金的微观组织演变特征尤其是位错、层错运动规律;借助精细结构表征和晶体学分析,提出了高强韧硬质合金中硬质相和韧性相的晶体缺陷交互作用机制,揭示了其对延缓裂纹形核、抵抗裂纹扩展的影响机理。进而,采用分子动力学方法对双晶和多晶硬质合金在室温和高温下的力学行为进行了模拟研究,在原子尺度上阐明了晶界、相界、晶内缺陷和晶粒尺寸等影响硬质合金变形和断裂行为的微观机理在介观和宏观尺度上,创建了基于真实硬质合金材料三维组织结构的有限元模型,研究了承载过程中制备态残余热应力与外加应力交互作用下硬质合金内部不均匀应变响应及塑性变形行为,揭示了微观组织结构-变形行为-断裂韧性之间的关联规律。相关成果相继发表: “Crystal defects responsible for mechanical behaviors of a WC–Co composite at room and high temperatures – a simulation study”,Acta Cryst. 2019, B75, 134-142 (第一作者为硕士生方婧);“Heterogeneous strain responses of as-sintered cemented carbide”,Int. J. Plast. 2019, https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.06.014 (第一作者为博士后李亚楠)。

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图1. 纳米晶硬质合金中形成的WC/Co共格和半共格相界

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图2. 添加VC、Cr3C2在WC/Co相界形成的界面组织及其演变特征

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图3. 添加剂、温度、表面能各向异性对硬质合金低能晶界形成及演变的影响

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图4. 纳米晶硬质合金中WC晶粒转动对微观塑性变形的作用

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图5. 承载过程中硬质合金内不均匀应变响应对材料断裂行为的影响

 

Acta Mater. 2013, 61, 2154-2162, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.12.036

Mater. Res. Lett. 2017, 5, 55-60, https://doi.org/10.1080/21663831.2016.1208300

Acta Mater. 2018, 149, 164-178, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.02.018

Acta Mater. 2019, 175, 171-181, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.06.015

Acta Cryst. 2019, B75, 134-142, https://doi.org/10.1107/S2052520619000295

Int. J. Plast. 2019, https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.06.014



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