北京工業大學最新《Acta Materialia》：超低金屬含量硬質合金的同步高強韌化！

WC-Co硬質合金作為金屬-陶瓷復合材料的典型代表，在現代制造加工業中占據不可替代的戰略地位。隨著工業應用場景的不斷細分，傳統中高鈷含量的硬質合金難以滿足如木工刀具、精密模具、難加工材料等對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，開發同時具有高硬度、高耐磨性、優異抗彎強度、優良斷裂韌性的超低鈷含量硬質合金，是突破現有材料體系瓶頸、滿足上述服役場景應用的硬質合金重要研發方向。面向這一背景需求，北京工業大學硬質合金研發團隊聚焦WC-3Co類超低鈷硬質合金開展強韌化攻關。超低鈷硬質合金因更低的Co含量而具有更高的本征硬度。然而，Co粘結相減少，材料對裂紋擴展的抑制能力相應減弱，同時，由于相界數量顯著下降，晶界所占比例相對提高，導致材料整體界面結合能力降低。因此，硬度-韌性、強度-韌性、硬度-強度之間的突出“互斥效應”，是制約超低鈷硬質合金性能提高、尤其是達到高的綜合力學性能的主要瓶頸，也是超低鈷硬質合金實現高端應用的根本性障礙。

為解決上述難題，北工大硬質合金團隊從硬質合金的微觀組織結構多尺度協同設計入手，在超低Co硬質合金中引入含氮晶粒長大抑制劑Cr2(C,N)，利用燒結過程中Cr2(C,N)的分解轉化，發揮氮元素的固溶強化作用；同時，氮元素優化WC/WC晶界與WC/Co相界的化學結合狀態，促進界面處形成更穩定的化學鍵合，增強晶界與相界結合強度。此外，氮元素可能影響其他元素在Co相中的溶解行為，從而對粘結相性能產生影響，提升粘結相的承載能力。這種多尺度、多相及界面調控可在超低Co含量下實現“晶粒強化-晶界強化-粘結相增韌”的耦合協同效應，為超低Co硬質合金獲得高的綜合性能提供新的途徑。

該項研究工作以“How nitrogen evolution affects mechanical properties of cemented carbides”為題，發表在最新一期的材料領域知名期刊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。

文章鏈接：

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

這項工作是北京工業大學宋曉艷教授團隊在高性能硬質合金原創技術和科學理論研究中又一新的突破：依靠非金屬元素多尺度協同耦合作用實現超低鈷硬質合金同步高強韌化。此文是該研究團隊在硬質合金領域自2013年關于納米晶硬質合金界面共格性對提升材料韌性的關鍵作用（Acta Mater. 2013, 61, 2154-2162）、2018年關于硬質合金中界面相穩定性調控（Acta Mater. 2018, 149, 164-178）、2019年關于硬質合金中特征晶界分布增強新方法及原理（Acta Mater. 2019, 175, 171-181）、2021年關于硬質合金中殘余熱應力精確分析及其對材料力學行為影響機理（Acta Mater. 2021, 221, 117428）、2024年關于硬質合金硬質相晶粒形態對應力應變分布和力學性能的影響機制（Acta Mater. 2024, 266, 119649）、2025年關于WC晶內韌性納米顆粒調控微觀應力分布實現硬質合金同步強韌化（Acta Mater. 2025, 287, 120785）之后，該團隊關于硬質合金高性能化研究發表在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)的樣品表現出優異的綜合力學性能，硬度達2143 kgf/mm2，斷裂韌性為9.7 MPa·m1/2，TRS顯著提高至3031 MPa。與同類低鈷硬質合金相比，在具有高硬度的同時，其強韌性指標超越現有文獻報道的同成分硬質合金的性能。

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

裂紋擴展路徑研究表明，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，進一步優化了斷裂模式：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)增強了WC/WC晶界、WC/Co相界結合強度及WC晶粒內部強度。裂紋路徑的轉變尤其是更多裂紋在Co相擴展并引發韌帶橋聯與裂紋鈍化效應，協同更均勻的微觀組織結構促成三軸應力狀態，共同顯著提升了硬質合金的斷裂韌性與橫向斷裂強度。

圖2. 力學試驗后WC-3Co基硬質合金樣品的晶粒尺寸和裂紋分布的統計分析：（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相內的裂紋的比例。

通過第一性原理計算發現，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，表明其具有很強的共價鍵特性。同時，氮的固溶使態密度曲線向低能方向移動，費米能級更接近成鍵態與反鍵態的分界最小值，這表明氮有效增強了WC晶體內部的化學鍵合強度。

圖3. 氮溶入對WC晶格影響的計算：（a）氮占據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的總態密度；（d）圖（c）中標記區域的局部放大圖。垂直虛線表示費米能級（EF?=0 eV）。

第一性原理計算表明，氮原子固溶于WC晶格會引起顯著的三維晶格膨脹，其晶格常數a、b由2.91 ?增至3.14 ?，c由2.83 ?增至2.98 ?，相應導致(0001)WC和(10-10)WC等晶面間距增大。高分辨透射電鏡觀測結果與計算結果高度吻合：在添加Cr2(C,N)的硬質合金中，(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)硬質合金中WC典型晶面的面間距分析：（a）樣品微觀結構的STEM-HAADF圖像；（b）與（a）對應的元素分布的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晶內產生顯著的非均勻應變場，其各應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變作為有效的位錯運動障礙，通過迫使位錯切割或繞行畸變區增加位錯運動阻力，從而有效強化WC相。

圖 5. WC-3Co-0.5wt.%Cr3C2和WC-3Co-0.5wt.%Cr2(C,N)硬質合金中WC晶體[1-210] 取向的晶格應變εxx、εyy和εxy分布的GPA圖像：（a）WC-3Co-0.5wt.%Cr3C2硬質合金中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的晶格應變分布；（e）WC-3Co-0.5wt.%Cr2(C,N)硬質合金中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，進而增強FCC-Co相的穩定性。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，由此有效增強了界面結合強度和穩定性。

圖6. 添加Cr3C2和Cr2(C,N)后硬質合金的WC/Co相界面結構分析：（a, b）WC-3Co-0.5Cr3C2硬質合金的STEM-HAADF圖像；（a1, b1）WC-3Co-0.5Cr3C2硬質合金中不同WC/Co相界面的HRTEM圖像；（c, d）WC-3Co-0.5Cr2(C,N)硬質合金的STEM-HAADF圖像；（c1, d1）WC-3Co-0.5Cr2(C,N)硬質合金中不同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°，提高了位錯密度并形成密集的堆垛層錯網絡，從而增強了Co相的塑性變形能力。然而，高密度層錯在持續加載下會引發局部應變集中，進而成為微裂紋形核點，可能導致Co相內部穿晶斷裂傾向的增加。

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

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)分解促進了Cr、W在Co相中的溶解，不僅穩定了FCC結構、增強了WC/Co界面結合，還通過降低層錯能誘導形成高密度層錯網絡。這些微觀結構的交互協同作用，使得超低鈷硬質合金在具有高硬度的同時，實現了高強度與高斷裂韌性的同步提升。

圖 8. 氮對超低鈷WC-Co硬質合金微觀結構影響的機制示意圖。

第一作者：周繽，北京工業大學2021級博士研究生，導師宋曉艷教授。主要研究高性能硬質合金設計制備與組織結構調控。在Acta Mater.（以第一作者身份發表2篇）、Int. J. Refract. Met. Hard Mater.、Mater. Corros.等期刊發表論文8篇，授權國家發明專利1項，作為學術骨干參與國家重點研發計劃、國家自然科學基金、企業委托橫向課題等項目研究。

呂皓，北京工業大學材料科學與工程學院副教授，北京工業大學“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算的多相合金新材料設計、制備與性能分析方面的研究工作。作為項目負責人承擔了國家自然科學基金、北京市自然科學基金、國家重點研發計劃項目子課題等，同時作為骨干成員參與了多項國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目等。在Mater. Horiz.、Acta Mater.、ACS AMI、J. Mater. Sci. Technol.等期刊發表SCI論文90余篇，授權/公開國家發明專利和軟件著作權19項，授權美國發明專利1項。獲得中國體視學學會青年科技獎、中國有色金屬學會新材料優秀青年。兼任中國體視學會理事、青年工作委員會委員，北京粉末冶金研究會委員，《Beilstein Journal of Nanotechnology》、《粉末冶金材料科學與工程》青年編委等。

北京工業大學宋曉艷教授研究團隊多年來致力于具有穩定高性能的合金設計制備與組織結構調控，主要研究方向為硬質合金與難熔金屬基復合材料、稀土功能材料和計算材料學，形成了“合金性能穩定性基礎研究”與“工程應用”緊密結合的學術特色。團隊主持國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點和重大計劃課題、德國研究聯合會基金(DFG)、北京市自然科學基金重點等項目以及多項企業委托攻關項目，研究成果獲得省部級科技進步一等獎、自然科學二等獎、技術發明二等獎等5項，授權國際、國內發明專利90余項和軟件著作權5項，于Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Acta Mater.等發表SCI論文400余篇，擔任硬質材料領域國際權威期刊IJRMHM主編。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。

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