WC-Co硬質(zhì)合金作為金屬-陶瓷復(fù)合材料的典型代表，在現(xiàn)代制造加工業(yè)中占據(jù)不可替代的戰(zhàn)略地位。隨著工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的不斷細(xì)分，傳統(tǒng)中高鈷含量的硬質(zhì)合金難以滿足如木工刀具、精密模具、難加工材料等對(duì)硬度和耐磨性要求極高且需要承受較大沖擊載荷等極端工況的要求。因此，開發(fā)同時(shí)具有高硬度、高耐磨性、優(yōu)異抗彎強(qiáng)度、優(yōu)良斷裂韌性的超低鈷含量硬質(zhì)合金，是突破現(xiàn)有材料體系瓶頸、滿足上述服役場(chǎng)景應(yīng)用的硬質(zhì)合金重要研發(fā)方向。面向這一背景需求，北京工業(yè)大學(xué)硬質(zhì)合金研發(fā)團(tuán)隊(duì)聚焦WC-3Co類超低鈷硬質(zhì)合金開展強(qiáng)韌化攻關(guān)。超低鈷硬質(zhì)合金因更低的Co含量而具有更高的本征硬度。然而，Co粘結(jié)相減少，材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的抑制能力相應(yīng)減弱，同時(shí)，由于相界數(shù)量顯著下降，晶界所占比例相對(duì)提高，導(dǎo)致材料整體界面結(jié)合能力降低。因此，硬度-韌性、強(qiáng)度-韌性、硬度-強(qiáng)度之間的突出“互斥效應(yīng)”，是制約超低鈷硬質(zhì)合金性能提高、尤其是達(dá)到高的綜合力學(xué)性能的主要瓶頸，也是超低鈷硬質(zhì)合金實(shí)現(xiàn)高端應(yīng)用的根本性障礙。

為解決上述難題，北工大硬質(zhì)合金團(tuán)隊(duì)從硬質(zhì)合金的微觀組織結(jié)構(gòu)多尺度協(xié)同設(shè)計(jì)入手，在超低Co硬質(zhì)合金中引入含氮晶粒長(zhǎng)大抑制劑Cr2(C,N)，利用燒結(jié)過(guò)程中Cr2(C,N)的分解轉(zhuǎn)化，發(fā)揮氮元素的固溶強(qiáng)化作用；同時(shí)，氮元素優(yōu)化WC/WC晶界與WC/Co相界的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)，促進(jìn)界面處形成更穩(wěn)定的化學(xué)鍵合，增強(qiáng)晶界與相界結(jié)合強(qiáng)度。此外，氮元素可能影響其他元素在Co相中的溶解行為，從而對(duì)粘結(jié)相性能產(chǎn)生影響，提升粘結(jié)相的承載能力。這種多尺度、多相及界面調(diào)控可在超低Co含量下實(shí)現(xiàn)“晶粒強(qiáng)化-晶界強(qiáng)化-粘結(jié)相增韌”的耦合協(xié)同效應(yīng)，為超低Co硬質(zhì)合金獲得高的綜合性能提供新的途徑。

該項(xiàng)研究工作以“How nitrogen evolution affects mechanical properties of cemented carbides”為題，發(fā)表在最新一期的材料領(lǐng)域知名期刊Acta Materialia上（Acta Mater. 2026, 303, 121723）。第一作者為博士研究生周繽，呂皓副教授與宋曉艷教授為共同通訊作者。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121723

這項(xiàng)工作是北京工業(yè)大學(xué)宋曉艷教授團(tuán)隊(duì)在高性能硬質(zhì)合金原創(chuàng)技術(shù)和科學(xué)理論研究中又一新的突破：依靠非金屬元素多尺度協(xié)同耦合作用實(shí)現(xiàn)超低鈷硬質(zhì)合金同步高強(qiáng)韌化。此文是該研究團(tuán)隊(duì)在硬質(zhì)合金領(lǐng)域自2013年關(guān)于納米晶硬質(zhì)合金界面共格性對(duì)提升材料韌性的關(guān)鍵作用（Acta Mater. 2013, 61, 2154-2162）、2018年關(guān)于硬質(zhì)合金中界面相穩(wěn)定性調(diào)控（Acta Mater. 2018, 149, 164-178）、2019年關(guān)于硬質(zhì)合金中特征晶界分布增強(qiáng)新方法及原理（Acta Mater. 2019, 175, 171-181）、2021年關(guān)于硬質(zhì)合金中殘余熱應(yīng)力精確分析及其對(duì)材料力學(xué)行為影響機(jī)理（Acta Mater. 2021, 221, 117428）、2024年關(guān)于硬質(zhì)合金硬質(zhì)相晶粒形態(tài)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變分布和力學(xué)性能的影響機(jī)制（Acta Mater. 2024, 266, 119649）、2025年關(guān)于WC晶內(nèi)韌性納米顆粒調(diào)控微觀應(yīng)力分布實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金同步強(qiáng)韌化（Acta Mater. 2025, 287, 120785）之后，該團(tuán)隊(duì)關(guān)于硬質(zhì)合金高性能化研究發(fā)表在Acta Mater.上的第7篇文章（Acta Mater. 2026, 303, 121723）。

與未添加GGI的超低鈷硬質(zhì)合金樣品相比，添加0.5 Cr3C2的樣品硬度提高（從1915 kgf/mm2提高到2054 kgf/mm2），強(qiáng)度TRS提高（從1786 MPa提高到2488 MPa），而斷裂韌性降低（從11.3 MPa·m1/2降低到9.5 MPa·m1/2）。添加0.5 Cr2(C,N)的樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，硬度達(dá)2143 kgf/mm2，斷裂韌性為9.7 MPa·m1/2，TRS顯著提高至3031 MPa。與同類低鈷硬質(zhì)合金相比，在具有高硬度的同時(shí)，其強(qiáng)韌性指標(biāo)超越現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的同成分硬質(zhì)合金的性能。

圖1. 制備的WC-3Co基硬質(zhì)合金的力學(xué)性能及與文獻(xiàn)報(bào)道的相同Co含量硬質(zhì)合金的比較：（a）硬度和斷裂韌性；（b）橫向斷裂強(qiáng)度（TRS）；（c, d）本研究中硬質(zhì)合金與文獻(xiàn)報(bào)道的相同Co含量硬質(zhì)合金的硬度、斷裂韌性和TRS的比較。

裂紋擴(kuò)展路徑研究表明，未添加GGI的樣品以穿晶（34.1%）與沿晶（43.3%）混合斷裂模式為主，而添加Cr3C2使穿晶斷裂降至13.6%，WC/WC沿晶斷裂升至73.8%。相比之下，Cr2(C,N)添加在獲得均勻晶粒組織的同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化了斷裂模式：WC穿晶斷裂率最低（9.6%），且WC/WC晶界與WC/Co相界面斷裂率也降低，這表明Cr2(C,N)增強(qiáng)了WC/WC晶界、WC/Co相界結(jié)合強(qiáng)度及WC晶粒內(nèi)部強(qiáng)度。裂紋路徑的轉(zhuǎn)變尤其是更多裂紋在Co相擴(kuò)展并引發(fā)韌帶橋聯(lián)與裂紋鈍化效應(yīng)，協(xié)同更均勻的微觀組織結(jié)構(gòu)促成三軸應(yīng)力狀態(tài)，共同顯著提升了硬質(zhì)合金的斷裂韌性與橫向斷裂強(qiáng)度。

圖2. 力學(xué)試驗(yàn)后WC-3Co基硬質(zhì)合金樣品的晶粒尺寸和裂紋分布的統(tǒng)計(jì)分析：（a）大于平均晶粒尺寸的晶粒比例和WC穿晶斷裂（TF）裂紋；（b）沿WC/WC和WC/Co界面的晶間斷裂（IF）裂紋以及Co相內(nèi)的裂紋的比例。

通過(guò)第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，氮原子固溶于WC晶格間隙后，引起顯著的電荷重新分布，在W與N原子間形成高密度電荷區(qū)，表明其具有很強(qiáng)的共價(jià)鍵特性。同時(shí)，氮的固溶使態(tài)密度曲線向低能方向移動(dòng)，費(fèi)米能級(jí)更接近成鍵態(tài)與反鍵態(tài)的分界最小值，這表明氮有效增強(qiáng)了WC晶體內(nèi)部的化學(xué)鍵合強(qiáng)度。

圖3. 氮溶入對(duì)WC晶格影響的計(jì)算：（a）氮占據(jù)WC晶格間隙位置的模型；（b）(0001)WC晶面上的電荷密度分布；（c）純WC和氮溶入WC的總態(tài)密度；（d）圖（c）中標(biāo)記區(qū)域的局部放大圖。垂直虛線表示費(fèi)米能級(jí)（EF?=0 eV）。

第一性原理計(jì)算表明，氮原子固溶于WC晶格會(huì)引起顯著的三維晶格膨脹，其晶格常數(shù)a、b由2.91 ?增至3.14 ?，c由2.83 ?增至2.98 ?，相應(yīng)導(dǎo)致(0001)WC和(10-10)WC等晶面間距增大。高分辨透射電鏡觀測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果高度吻合：在添加Cr2(C,N)的硬質(zhì)合金中，(0001)晶面間距增大了4.7%，(10-10) WC晶面間距增大了7.7%，這證實(shí)了氮的溶入是引起WC晶格膨脹的根本原因。

圖 4. WC-3Co-0.5Cr2(C,N)硬質(zhì)合金中WC典型晶面的面間距分析：（a）樣品微觀結(jié)構(gòu)的STEM-HAADF圖像；（b）與（a）對(duì)應(yīng)的元素分布的STEM-EDS分析；（c-f）WC晶體的HRTEM分析；（g）WC典型晶面的面間距。

幾何相位分析表明，氮固溶使WC晶內(nèi)產(chǎn)生顯著的非均勻應(yīng)變場(chǎng)，其各應(yīng)變分量平均值均高于添加Cr3C2的樣品。這種由晶格膨脹引入的非均勻應(yīng)變作為有效的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙，通過(guò)迫使位錯(cuò)切割或繞行畸變區(qū)增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，從而有效強(qiáng)化WC相。

圖 5. WC-3Co-0.5wt.%Cr3C2和WC-3Co-0.5wt.%Cr2(C,N)硬質(zhì)合金中WC晶體[1-210] 取向的晶格應(yīng)變?chǔ)舩x、εyy和εxy分布的GPA圖像：（a）WC-3Co-0.5wt.%Cr3C2硬質(zhì)合金中WC晶體的HRTEM圖像；（b）圖（a）的GPA圖像；（c）圖（a）的SAED；（d）圖（b）中εxx、εyy和εxy的晶格應(yīng)變分布；（e）WC-3Co-0.5wt.%Cr2(C,N)硬質(zhì)合金中WC的HRTEM圖像；（f）圖（e）的GPA圖像；（g）圖（e）的SAED；（h）圖（f）中εxx、εyy和εxy的晶格應(yīng)變分布

利用Cr2(C,N)分解促使氮間隙固溶于WC引起晶格膨脹；另一方面，Cr2(C,N)分解提升W在Co相中的溶解濃度，進(jìn)而增強(qiáng)FCC-Co相的穩(wěn)定性。晶格膨脹的WC與FCC-Co可形成更多的共格相界面，最大程度地減小了WC與Co相之間的界面失配，由此有效增強(qiáng)了界面結(jié)合強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖6. 添加Cr3C2和Cr2(C,N)后硬質(zhì)合金的WC/Co相界面結(jié)構(gòu)分析：（a, b）WC-3Co-0.5Cr3C2硬質(zhì)合金的STEM-HAADF圖像；（a1, b1）WC-3Co-0.5Cr3C2硬質(zhì)合金中不同WC/Co相界面的HRTEM圖像；（c, d）WC-3Co-0.5Cr2(C,N)硬質(zhì)合金的STEM-HAADF圖像；（c1, d1）WC-3Co-0.5Cr2(C,N)硬質(zhì)合金中不同WC/Co相界面的HRTEM圖像

添加Cr2(C,N)使Co相的平均KAM值提升至0.18°，提高了位錯(cuò)密度并形成密集的堆垛層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，從而增強(qiáng)了Co相的塑性變形能力。然而，高密度層錯(cuò)在持續(xù)加載下會(huì)引發(fā)局部應(yīng)變集中，進(jìn)而成為微裂紋形核點(diǎn)，可能導(dǎo)致Co相內(nèi)部穿晶斷裂傾向的增加。

圖 7. 添加了Cr3C2和Cr2(C,N)的硬質(zhì)合金中鈷相的塑性變形程度及層錯(cuò)分析：（a）未添加GGI的硬質(zhì)合金中鈷相的KAM分析；（b）添加了Cr3C2的硬質(zhì)合金中鈷相的KAM分析；（c）添加了Cr2(C,N)的硬質(zhì)合金中鈷相的KAM分析；（d）不同硬質(zhì)合金樣品中鈷相KAM的統(tǒng)計(jì)分析；（e）WC-3Co-0.5 Cr3C2樣品中的鈷層錯(cuò)；（f）WC-3Co-0.5 Cr2(C,N)樣品中的鈷層錯(cuò)；（g）對(duì)WC-3Co-0.5 Cr2(C,N)樣品中鈷層錯(cuò)的HRTEM分析；（h）WC-3Co-0.5 Cr2(C,N)樣品中FCC-Co相高密度層錯(cuò)的GPA分析（白色箭頭指示應(yīng)變集中區(qū)域）；（i）與（f）對(duì)應(yīng)的元素分布分析。

氮在WC相中的高溶解度有效提升了WC抗穿晶斷裂能力，而Cr2(C,N)分解促進(jìn)了Cr、W在Co相中的溶解，不僅穩(wěn)定了FCC結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)了WC/Co界面結(jié)合，還通過(guò)降低層錯(cuò)能誘導(dǎo)形成高密度層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。這些微觀結(jié)構(gòu)的交互協(xié)同作用，使得超低鈷硬質(zhì)合金在具有高硬度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度與高斷裂韌性的同步提升。

圖 8. 氮對(duì)超低鈷WC-Co硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)影響的機(jī)制示意圖。

第一作者：周繽，北京工業(yè)大學(xué)2021級(jí)博士研究生，導(dǎo)師宋曉艷教授。主要研究高性能硬質(zhì)合金設(shè)計(jì)制備與組織結(jié)構(gòu)調(diào)控。在Acta Mater.（以第一作者身份發(fā)表2篇）、Int. J. Refract. Met. Hard Mater.、Mater. Corros.等期刊發(fā)表論文8篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)，作為學(xué)術(shù)骨干參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、企業(yè)委托橫向課題等項(xiàng)目研究。

呂皓，北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，北京工業(yè)大學(xué)“新銳人才”。先后入選北京市“青年海聚”高層次人才、北京市青年托舉人才。主要從事基于多尺度高通量計(jì)算的多相合金新材料設(shè)計(jì)、制備與性能分析方面的研究工作。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題等，同時(shí)作為骨干成員參與了多項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等。在Mater. Horiz.、Acta Mater.、ACS AMI、J. Mater. Sci. Technol.等期刊發(fā)表SCI論文90余篇，授權(quán)/公開國(guó)家發(fā)明專利和軟件著作權(quán)19項(xiàng)，授權(quán)美國(guó)發(fā)明專利1項(xiàng)。獲得中國(guó)體視學(xué)學(xué)會(huì)青年科技獎(jiǎng)、中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)新材料優(yōu)秀青年。兼任中國(guó)體視學(xué)會(huì)理事、青年工作委員會(huì)委員，北京粉末冶金研究會(huì)委員，《Beilstein Journal of Nanotechnology》、《粉末冶金材料科學(xué)與工程》青年編委等。

北京工業(yè)大學(xué)宋曉艷教授研究團(tuán)隊(duì)多年來(lái)致力于具有穩(wěn)定高性能的合金設(shè)計(jì)制備與組織結(jié)構(gòu)調(diào)控，主要研究方向?yàn)橛操|(zhì)合金與難熔金屬基復(fù)合材料、稀土功能材料和計(jì)算材料學(xué)，形成了“合金性能穩(wěn)定性基礎(chǔ)研究”與“工程應(yīng)用”緊密結(jié)合的學(xué)術(shù)特色。團(tuán)隊(duì)主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和重大計(jì)劃課題、德國(guó)研究聯(lián)合會(huì)基金(DFG)、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)等項(xiàng)目以及多項(xiàng)企業(yè)委托攻關(guān)項(xiàng)目，研究成果獲得省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)等5項(xiàng)，授權(quán)國(guó)際、國(guó)內(nèi)發(fā)明專利90余項(xiàng)和軟件著作權(quán)5項(xiàng)，于Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Acta Mater.等發(fā)表SCI論文400余篇，擔(dān)任硬質(zhì)材料領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊IJRMHM主編。

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。

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