硬质合金是金属陶瓷复合材料的典型代表，在矿山开采、钢铁冶金、石油钻探、电子通讯、先进制造等领域应用广泛。尤其随着科技进步，尖端技术出现以及高新装备制造的发展，对满足极端服役工况的高性能硬质合金的需求越来越强烈。以WC-Co类硬质合金为例，其块材或棒料通常由粉末冶金方法制备，在烧结致密化过程中除了晶粒生长外，还可能发生晶粒形貌的演变，如，产生具有等轴（E-WC-Co）或板条（P-WC-Co）状WC晶粒形态的微观组织。晶粒形貌会影响材料承载过程中应力和应变在微观组织中的分布，而对于硬质合金这种典型的复相组织而言，WC晶粒形态对硬质合金材料力学行为尤其强度、韧性等代表性力学性能的影响规律尚不清楚。此外，粉末冶金法制备的硬质合金中不可避免地存在数值较大且分布状态复杂的残余热应力（RTS），对其进行准确的定量化描述是金属陶瓷复合材料领域的共性难题。而且，由硬质合金加工制造的工模具产品在使用时，其制备态RTS与外加载荷产生交互作用，必然影响材料的力学行为和服役性能。因此，研究硬质合金中的WC晶粒形态及硬质合金制备态RTS对材料承载过程中应力应变响应的耦合作用规律，对全面理解硬质合金在应用过程中的力学行为、失效机制和性能增强途径等，均具有非常重要的意义。

近日，北京工业大学宋晓艳教授团队在研究硬质合金承受不同性质的载荷时硬质相晶粒形态对微观组织中应力应变分布及力学性能的影响方面取得重要进展，研究工作以“Mechanical behavior of cermets with different morphology of ceramic grains”为题发表于2024年最新一期Acta Materialia上。陈静洪博士与杨雨露硕士为共同第一作者，吕皓副教授与宋晓艳教授为共同通讯作者，这也是陈静洪博士在材料计算模拟研究方向以第一作者发表在Acta Materialia上的第二篇文章。

本文是该研究团队在硬质合金领域自2018年关于硬质合金中界面相稳定性调控（Acta Mater. 2018, 149, 164-178，https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.02.018）、2019年关于硬质合金中特征晶界分布增强新方法及原理（Acta Mater. 2019, 175, 171-18，https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.06.015）、2021年关于硬质合金中残余热应力精确分析及其对材料力学行为影响机理（Acta Mater. 2021, 221, 117428，https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117428）之后，关于硬质合金组织-性能构效关系研究的又一篇文章（Acta Mater. 2024, 266, 119649）。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119649

在此项研究工作中，提出了构建金属陶瓷复合材料真实组织和物相分布的有限元模型的方法，结合有限元模拟和透射电子显微观测、X射线衍射实验等定量化分析了WC晶粒形态对硬质合金中RTS特征及在外加载荷下材料力学行为、性能等的影响，为通过调控晶粒形貌特征以优化微观应力应变分布进而实现金属陶瓷复合材料的强韧化提供了重要的科学依据。

图1 不同WC晶粒形态的WC-10wt.%Co硬质合金的组织特征及其有限元模型: (a) E-WC-Co的SEM图像; (b) P-WC-Co的SEM图像; (c) 等效椭圆面积法示意图; (d) WC晶粒几何形貌因子概率分布; (e) E-WC-Co的EBSD图像; (f) P-WC-Co的EBSD图像; (g) E-WC-Co的有限元模型示意图; (h) P-WC-Co的有限元模型示意图。

通过设计制备方法和调控工艺参数，实现了分别具有等轴状和板条状WC晶粒组织的WC-10wt.%Co硬质合金的制备。基于EBSD实验开发出可再现硬质合金材料真实微观组织及其形态学和力学特征的有限元模型的构建方法，可反映实际材料的局部应力场和应变场以及性能。发现在WC/Co锐二面角附近的WC区域压缩RTS水平较高；相反，远离锐二面角顶点的WC/Co相界面附近的WC中，RTS主要表现为拉应力。此外，较高的几何形状因子导致板条状WC晶粒组织的硬质合金中存在较多狭长的WC连接，在这些区域的WC中具有高度集中的RTS压应力。

图2 不同WC晶粒形态WC-10wt.%Co硬质合金的RTS分布: (a) E-WC-Co中WC晶粒的横向RTS分布云图; (b) E-WC-Co中WC晶粒的轴向RTS分布云图; (c) P-WC-Co中WC晶粒的横向RTS分布云图; (d) P-WC-Co中WC晶粒的轴向RTS分布云图; (e) E-WC-Co中Co相的横向RTS分布云图; (f) E-WC-Co中Co相的轴向RTS分布云图; (g) P-WC-Co中Co相的横向RTS分布云图; (h) P-WC-Co中Co相的轴向RTS分布云图; (i) E-WC-Co中WC晶粒的局部RTS分布; (j) P-WC-Co中WC晶粒的局部RTS分布; (k) E-WC-Co中Co相的局部RTS分布; (l) P-WC-Co中Co相的局部RTS分布。

发现WC晶粒平均RTS关于WC几何形状因子呈非对称的哑铃状分布。当WC晶粒几何形状因子在3~5之间时，WC晶粒平均RTS分布范围较窄，且WC晶粒平均RTS均处于压应力状态。此外，有限元模拟及X射线衍射实验测定结果均表明WC晶粒形态对硬质合金的相平均RTS影响较小。

图3 WC晶粒平均RTS随WC几何形状因子的变化规律

图4 不同WC晶粒形态的硬质合金中WC相RTS的实验测定: (a) E-WC-Co; (b) P-WC-Co

硬质合金的压缩和拉伸性能存在明显的不对称性。RTS的存在提高了E-WC-Co和P-WC-Co的压缩强度，与E-WC-Co相比，P-WC-Co的压缩屈服强度相对较低，但屈服后表现出较大的应变，并无明显的硬化现象；RTS的存在降低了E-WC-Co的拉伸屈服强度，但对P-WC-Co的拉伸强度影响较小。

图5 不同WC晶粒形态及初始应力状态下WC-10wt.%Co硬质合金压缩和拉伸过程中的应变响应: (a) E-WC-Co的压缩应力-应变曲线; (b) P-WC-Co的压缩应力-应变曲线; (c) E-WC-Co的拉伸应力-应变曲线; (d) P-WC-Co的拉伸应力-应变曲线。

研究表明，硬质合金的压缩变形可分为三个阶段，即弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段。在加载初期的弹性阶段，硬质陶瓷相WC和韧性金属相Co发生独立弹性变形。在弹塑性阶段，塑性变形优先发生在金属相Co中，而陶瓷相WC仍处于弹性变形状态。在塑性阶段，由于金属相Co中的塑性应变比陶瓷相WC中的大得多，应变梯度和应变局部化很可能发生在WC/Co相边界附近的Co区域。这些应变梯度和应变局部化随着施加载荷的增加而增加，导致位错密度和应变硬化增加。

图6 不同初始应力条件下E-WC-Co和P-WC-Co在压缩(a1 ,b1 ,a2 ,b2)和拉伸(a3 ,b3 ,a4 ,b4)过程中等效塑性应变分布和裂纹扩展: (a1-a4)无RTS; (b1-b4)以RTS为初始应力状态。

在拉伸加载条件下，RTS和外加拉伸应力的强烈交互作用导致加载初期进入弹塑性变形阶段。在E-WC-Co中，WC/Co相界附近的Co区域中的高水平拉伸RTS加剧了应变局部集中程度，导致在Co相内部和沿着WC/Co相界发生裂纹。因此，E-WC-Co在较低拉伸载荷下发生断裂。相反，RTS的存在使P-WC-Co中的Co相能够在拉伸载荷期间提供更大的塑性和更均匀的变形。这提高了硬质合金变形过程中Co相的塑性协调能力，从而实现了P-WC-Co的高拉伸强度。由于WC晶粒形貌和RTS的综合作用，P-WC-Co的主要失效模式是穿晶断裂。相反，裂纹在Co相中以及沿着WC/Co相界和WC/WC晶界的形成和扩展是E-WC-Co在拉伸加载早期失效断裂的主要机制。

图7 不同WC晶粒形态及初始应力状态下WC-10wt.%Co硬质合金中Co相等效塑性应变在压缩和拉伸过程中的变化规律: (a) E-WC-Co压缩; (b) P-WC-Co压缩; (c) E-WC-Co拉伸; (d) P-WC-Co拉伸。

图8 实验验证 — 不同WC晶粒形态WC-10wt.%Co硬质合金压缩和拉伸加载后微观组织的TEM观测: (a-b) E-WC-Co和P-WC-Co压缩后的微观组织; (c-d) E-WC-Co和P-WC-Co拉伸后的微观组织; (e-f) E-WC-Co和P-WC-Co压缩后微观组织的局部放大; (g-h) E-WC-Co和P-WC-Co拉伸后微观组织的局部放大。

RTS在不同WC晶粒组织形貌硬质合金中的计算结果表明，控制WC晶粒几何形状因子范围在3~5之间将在WC晶粒中产生分布范围较窄的压缩RTS，这可以降低WC/Co相界附近的Co区域中的拉伸RTS梯度，从而降低拉伸承载过程中的应变局部集中程度，由此可以增强Co相在拉伸过程中的塑性协调效应，进而阻止硬质合金中裂纹的萌生。

图9 实验验证 — 不同WC晶粒形态WC-10wt.%Co硬质合金压缩和拉伸过程中裂纹及Co相KAM的观测: (a-b) E-WC-Co和P-WC-Co压缩断裂后的裂纹分布, 绿色和黄色箭头分别表示穿晶和晶间裂纹; (c-d) E-WC-Co和P-WC-Co拉伸断裂后的裂纹分布, 其中蓝色和黄色线分别表示沿WC/WC和WC/Co界面的裂纹，绿色线表示WC晶粒内的穿晶裂纹，红色线表示Co内的穿晶裂纹; (e-f) E-WC-Co和P-WC-Co压缩后的Co相KAM; (g-h) E-WC-Co和P-WC-Co拉伸后的Co相KAM。

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第一作者：陈静洪博士，2023年获得北京工业大学博士学位，师从宋晓艳教授；2023年至今在云南省贵金属新材料控股集团股份有限公司从事研究工作，主要开展高性能材料设计制备与组织结构调控、金属靶材及其薄膜材料开发等研究，在Acta Mater.、Mater. Sci. Eng. A、Ceram. Int.等期刊发表论文15篇，作为学术骨干参与国家自然科学基金重点、国家杰出青年科学基金等项目的研究。

吕皓副教授，北京工业大学材料科学与工程学院，2017年于加拿大阿尔伯塔大学获得博士学位。先后入选北京市“青年海聚”高层次人才、北京市青年托举人才。主要从事基于多尺度高通量计算的新型金属材料设计、制备与性能分析方面的研究工作。作为项目负责人承担了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划项目子课题等，同时作为骨干成员参与了多项国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等。在Acta Mater.、ACS AMI、J. Mater. Sci. Technol.、Mater. & Des.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文80余篇，授权/公开国家发明专利和软件著作权10项，授权美国发明专利1项。兼任中国体视学会理事、青年工作委员会委员，北京粉末冶金研究会委员、《粉末冶金材料科学与工程》青年编委等。

北京工业大学宋晓艳教授研究团队多年来致力于具有稳定高性能的合金纳米材料设计制备与组织结构调控，研究方向包括硬质合金、稀土合金和计算材料学，形成了“合金纳米材料稳定性基础研究”与“工程应用”紧密结合的发展主线和学术特色。团队主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点、德国研究联合会基金(DFG)、北京市自然科学基金重点等项目以及多项企业委托攻关项目，成果获得省部级科技进步奖一等奖 1 项、自然科学奖二等奖 3 项、技术发明奖二等奖1项；授权和公开国际、国内发明专利100余项，于Sci. Adv.、Adv. Mater.、Acta Mater.等期刊发表SCI论文350余篇，在国际国内学术会议上作大会/主旨/邀请报告70余次。

*感谢论文作者团队的大力支持。

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