纳米晶WC-Co硬质合金受压形变的分子动力学模拟研究

• 作 者: 冯庆
• 机 构: 北京工业大学
• 出 处: 北京工业大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 硬质合金 变形行为 微结构 分子动力学

受限于制备技术，平均晶粒尺寸减小到100nm以下的纳米晶硬质合金块体材料的研究报道极少，尤其是缺乏纳米晶硬质合金显微组织结构与性能关系规律以及变形机制的系统性研究。近年来，分子动力学模拟研究逐渐成为纳米尺度力学研究中的重要工具。分子动力学模拟可以对微结构的演化过程进行直接观测，并通过分析材料各个变形阶段的力学行为来揭示其微观机理。本文以纳米晶WC-Co硬质合金各组分为研究对象，利用分子动力学模拟，分别在纳米压痕和单向压缩条件下，研究晶界、相界、晶粒内部缺陷和晶粒尺寸对变形行为和材料性能的影响机制，分析纳米晶硬质合金可以获得高强度、高韧性的原因。主要的研究内容和结果如下:　　以粘结相Co-FCC、Co-HCP，硬质相WC-HCP和半共格与非共格WC/Co界面结构为研究对象，在纳米压痕模拟条件下，揭示晶粒内部发生塑性变形的起源和塑变机制。通过比较韧性相和硬质相在位错类型和位错密度上的差异，在原子尺度上建立了变形特征和性能之间的联系，尤其是阐释了良好的界面共格特征可以缓解界面应力集中，并有助于提高硬质合金抵抗晶间断裂的能力。　　以纳米晶硬质相WC单晶体和多晶体为研究对象，分析了在单向压缩模拟条件下，单晶变形的各向异性、多晶变形中晶界的协调作用，以及不同晶粒尺寸对WC多晶变形的影响。研究表明，WC多晶变形机制为晶粒内部位错、层错的运动和晶界协调的共同作用，揭示了纳米晶硬质合金可以获得高韧性的机理。　　综上，通过对纳米晶WC-Co硬质合金的分子动力学模拟研究，系统分析了各组分在变形过程中不同的塑性起源和变形机理，发现了硬质合金中位错、层错形核和演变的规律，研究结果改变了以往对硬质陶瓷材料的传统认识，为高性能硬质合金的设计和研发提供了理论依据。