2021年12月3日，山东大学机电与信息工程学院陈原教授课题组在《Journal of Alloys and Compounds》发表题为Nano-ceramic replacing cobalt in cemented carbide as binder phase: Is it feasible?的研究论文，探究了纳米氧化物陶瓷的增韧机理。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162968

 研究简介 

WC-6Al2O3、WC-6ZrO2和WC-6MgO纳米复合硬质合金在1700℃和40 MPa压力烧结后近全致密化。XRD由主要的WC和陶瓷粘结相峰组成，而未检测到其它相，表明陶瓷粘结相(Al2O3、ZrO2、MgO)与WC具有良好的热力学相容性。SEM显示纳米陶瓷粘结剂都均匀地分布在WC晶粒基体之间，这种均匀分布的陶瓷粘结相对提高硬质合金材料的力学性能至关重要。

烧结后WC晶粒保留了起始晶粒尺寸，第二相通过限制晶界迁移率显著抑制了WC基质的晶粒生长。在所有三种陶瓷粘结相硬质合金材料中都观察到位错，位错提高了硬质合金的容错性。并且发现一些纳米ZrO2晶粒沿WC晶粒边界分布，而更多的ZrO2纳米晶粒分布在WC晶粒内部，形成所谓的晶内纳米结构。与WC晶界处的陶瓷结合相相比，WC晶粒内部的陶瓷更加细小。

在高温烧结冷却过程中，由于热膨胀系数的差异，陶瓷粘结相周围产生了残余拉应力，有利于裂纹到达应力场时产生裂纹偏转。当外载荷作用于纳米陶瓷粘结材料时，弹性模量的差异会引起显微应力的重新分布，从而提高材料的韧性。三种陶瓷结合硬质合金均存在裂纹桥接现象，有效降低了裂纹扩展能量。在硬质合金中也发现了裂纹非分叉，大幅度提高主裂纹扩展的能耗，有效延缓裂纹扩展。

在WC-ZrO2硬质合金断裂过程中，当外应力作用于硬质合金时，裂纹尖端附近出现应力集中，促使t-ZrO2向单斜晶系m-ZrO2转变。这种转变通过增强裂纹尖端附近的应力松弛，显著阻碍了裂纹的扩展。此外，相变引起的体积膨胀使周围基体压缩，有利于裂纹的闭合。此外，材料表面的相变会引起表面压应力的产生，使材料的韧性大大提高。

图1 陶瓷粘结相硬质合金的TEM显微照片(a)WC-6Al2O3中的位错(b)WC-6ZrO2中的位错(c)WC-6MgO中的位错(d)WC-6ZrO2的晶内和晶间组织

图2 WC-6Al2O3的增韧机理

图3 WC-6ZrO2的增韧机理

图4 WC-6AMgO的增韧机理

图5 WC-6ZrO2试样抛光面和断裂面的XRD谱图

 研究结论 

综上所述，本研究通过热压烧结技术开发了WC-6Al2O3、WC-6ZrO2和WC-6MgO纳米复合硬质合金，与无粘结硬质合金和传统的WC-Co硬质合金相比，纳米陶瓷粘结相硬质合金的表现出更好的断裂韧性与硬度结合，与微米陶瓷粘结相硬质合金相比，纳米陶瓷粘结相硬质合金的硬度和断裂韧性同时得到增强。纳米陶瓷粘结相硬质合金的这种优异硬度对于高速加工应用至关重要，有望成为高速加工工具的候选材料。