福州大学考研(福州大学考研专业目录及考试科目)

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编辑推荐:文章采用透射电子显微镜( TEM )对V掺杂WC-Co试样进行原位力学测试,以了解裂纹扩展动力学。断裂沿WC -Co界面扩展,结合像差校正的高角度环形暗场( HAADF )成像和X射线能谱(EDS )图谱,对断裂表面进行了研究。界面断裂发生在含V的三层原子层和相邻Co晶粒之间。与WC晶粒相连接的三层超晶格结构没有明显的结构或成分变化。密度泛函理论( DFT )计算表明,共格界面超晶格结构的层间键合较强,而超晶格结构和钴之间的键合由于非共格而明显较弱。

硬质合金的硬度与WC晶粒的大小成反比,晶粒生长抑制剂被广泛用于制备晶粒更小的硬质合金。据报道,晶粒生长抑制剂的溶质原子在WC-Co界面处偏聚,导致形成薄膜状的二维界面相。VC和Cr3C2是工业中最有效的晶粒生长抑制剂,两种掺杂可诱导界面重组。

近日,福州大学研究员对V掺杂的WC-Co硬质合金的FIB薄片进行了原位弯曲,并通过TEM观察了裂纹扩展。采用AC-STEM对WC-Co界面在断裂前后的原子构型进行了表征和比较,提出了原子尺度的键位断裂路径,并通过DFT计算验证了实验观察到的断裂行为,相关论文以题为“Atomistic observation of in situ fractured surfaces at a V-doped WC-Co interface”发表在Journalof Materials Science & Technology。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.09.021

图 1 透射电镜图像显示了在FIB薄片上进行的原位TEM弯曲实验。(a)加载前的状态,(b)连续加载3min后未见裂纹,(c)裂缝发起的切口,(d,e)裂纹传播沿WC-Co界面。(f)的裂纹偏转相邻WC颗粒。

图2AC-STEM描述有关WC-Co断裂之前的相界面。(a, b) Co粘结相和WC晶粒的菊池线,(c)相界面高分辨率HAADF图像,(d-g)相界面处的EDS图,(h)EDS强度线剖面和(i)成分剖面分析

图 3 断裂WC-Co界面的AC-STEM表征(a)WC侧解理面HAADF图像,(b-e)相界面处EDS图,(f)EDS强度线剖面和(g) 成分剖面分 析。

图 4 ( a ) V掺杂WC-Co界面的DFT优化界面结构。( b ) Wsep每层原子界面断裂做功

本研究提供了从 V掺杂WC-Co单键界面对断裂表面的原子分辨率观察,并在第一性原理计算的帮助下为失效机制提供了新的理解。偏析诱导的三层原子层,与WC颗粒共格,表现出很高的韧性。另一方面,三层超晶格结构和随机取向的钴相之间非共格降低了层间结合强度,这得到了理论计算的验证。构建共格的WC-Co界面可能是改善硬质合金机械性能的有效方法。

虽然本研究揭示了 WC-Co界面在机械载荷下为优先断裂界面,但并不一定表明WC/Co界面是WC-Co复合材料中最弱的键组件之一。目前的研究旨在比较V掺杂WC-Co界面上不同界面层的强度,该界面普遍存在于商业制造的硬质合金中。未来还需要进行系统研究,比较不同键合的界面结合强度。

总而言之,通过像差校正HAADF成像和EDS图谱研究了断裂的原子结构和化学性质。通过对WC/Co界面断裂前后的比较,发现含V的类fcc三层结构与相邻Co相发生断裂。DFT计算表明,键合特性和界面非共格降低了层间键合强度(文:晓太阳)

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