Заводинский Виктор Григорьевич—доктор физико‑математических наук, профессор, директор Института материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН ул. Тихоокеанская 153, (г. Хабаровск). E‑mail: vzavod@mail.ru

Victor G. Zavodinsky—Doctor in Physics and Mathematics, Professor, Director of the Material Technology Institute at the Khabarovsk Research Centre of the Far‑Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, 153 Tikhookeanskaya str., Khabarovsk, Russia vzavod@mail.ru.


Аннотация: Методами теории функционала электрон‑ной плотности и псевдопотенциала изучены структура, энергия и механические свойства наночастиц WC. Обнаружено, что малые частицы (содержащие менее 15 атомных пар WC) обладают кубоподобной структурой типа NaCl. В области 10‑20 пар WC частицы скубической итригональной структурой имеют примерно равные энергии, однако их внутренняя атомная структура сохраняет свойственный для NaCl характер чередования атомов W иC.Тригональная частица The W15C15была использована для изучения твердости и прочности на разрыв. Оказалось, прочность наночастицы намного превышает прочность массивного материала. Вакансии W и C снижают прочность частиц, однако атомы кобальта, внедряясь в    вакансионные позиции, могут восстанавливать прочность и твердость наночастиц почти до величин, характерных для бездефектного случая. Плотность электронных состояний наночастиц WC имеет вид, близкий к плотности состояний массивной кубической фазы карбида вольфрама, с высокой плотностью вблизи уровня Ферми.

Summary: By the methods of the electron charge/pseudo charge functional theory the structure, energy and mechanics of WC nanoparticles were studied. It was revealed that smaller particles (containing less that 15 atomic pairs of WC) have a cube‑like structure of the NaCl type. In the range of between 10 to 20 pairs of WC, particles with cubic or trigonal structure have more or less equal energy, although their inner atomic structure retains its NaCl‑like pattern of W and C sequence. A trigonal particle The W15C15 was used for studying hardness and breaking strength. It turned out that strenght of a nanoparticles was much in excess of that of bulk material. W and C vacancies reduce particle strenght, on the other hand cobalt atoms when taking these vacant positions may recover strength and hardness of nanoparticles up to the values characteristic of defect‑free example. Density of electron states for WC nanoparticles looks similar to the density of the cubic phase in bulk of tungsten carbide, with a high density closer to the Fermi level.


Ключевые слова: карбид вольфрама, кобальт, нано‑частицы, псевдопотенциал, твердость, прочность

Keywords: tungsten carbide, cobalt, nanoparticles, pseudo charge, strength, hardness


«Ученые записки КнАГТУ». № I - 1(1) 2010 «Науки о природе и технике», с. 86 - 91

«Scholarly Notes of Komsomolsk-na-Amure State Technical University». Issue I - 1(1) 2010 "Engineering and Natural Sciences"


DOI 10.17084/2010.I-1(1).20



1. Schubert WD, Bock A, Lux B. General aspects and limits of conventional ultrafine WC powder manufacture and hard metal production. Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials 1995; 13; 281-6.



2. Jia K, Fischer TE, Gallois B. Microstructure, hardness and toughness of nanostructure and conventional WC-Co composites. Nanostruct. Mater. 1998; 10; 875-91.


 3. Kim BK, Ha GH, Lee DW, Lee GG, Ahn IS. Chemical processing of nanostructured cemented carbide. Advanced Performance Materials 1998; 5; 341-52.


 4. Ferreira JAM; Pina Amaral MA, Antunes FV, Costa JDM. A study on the mechanical behavior of WC/Co hard metals. Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials 2009; 27; 1–8.


 5. Christensen M, Wahnstrőm G, Alibert C, Lay S. Quantitative analysis of WC grain shape in sintered WC-Co cemented carbides. Phys. Rev. Lett. 2005; 94; 066105(4).

 6. Delanoe A, Lay S. Evolution of the WC grain shape in WC–Co alloys during sintering: Effect of C content. Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials 2009; 27; 140–8.


 7. Yamamoto T, Ikuhara Y, Watanabe T, Sakuma T, Taniuchi Y, Okada K, Tanase T. High resolution electron microscopy study in Cr3C2-doped WC-Co. Journ. of Materials Science 2001; 36; 3885-90.


 8. Beckstedte M, Kley A, Neugebauer J, Scheffler M. Density functional theory calculations for poly-atomic systems: electronic structure, static and elastic properties and ab initio molecular dynamics. Comp. Phys. Commun. 1997; 107; 187-205.


 9. Dabrowski J, Mussig H-J, Zavodinsky VG, Baierle R, Caldas MJ. Mechanism of dopant segregation to SiO2/Si(001) intertfaces. Phys. Rev. B 2002; 65; 245 305.

 10. Zavodinsky VG. The mechanism of ionic conductivity in stabilized cubic zirconia. Phys. Solid State 2004; 46(3); 453-7.


 11. Zavodinsky VG, Chibisov AN. Zirconia nanoparticles and nanostructured systems. J. Phys.: Conf. Ser. 2006; 29; 173-6.


 12. Zavodinsky VG, Chibisov AN. Influence of impurities on the stability and electronic states of titanium dioxide in the form of anatase. Phys. Solid State 2009; 51(3); 507-13.


 13. Fuchs M, Scheffler M. Ab initio pseudopotentials for electronic structure calculations of poly-atomic systems using density functional theory. Comp. Phys. Commun. 1999; 119; 67-165.


 14. Troullier N, Martins JL. Efficient pseudopotentials for plane-wave calculations. Phys. Rev. B 1991; 43; 1993-006.


 15. Hamann DR. General norm-conserving pseudopotentials. Phys. Rev. B 1989; 40; 2980-1.


 16. Perdew JP, Wang Y, Accurate and simple density functional for the electronic exchange energy. Phys. Rev. B 1986; 33; 8800-2.


 17. Murnagham FD. The compressibility of media under extreme pressures. Proc. Nattl. Acad. Sci USA 1944; 30; 244-7.


 18. Monkhorst H J, Pack JD. Special points for Brillouin-zone integrations. Phys, Rev. B 1976; 13; 5188-2.


 19. Russian site "Chemical encyclopedia/ tungsten carbide" http://www.xumuk.ru/encyklopedia/813.html

 20. Price DL, Cooper BP. Total energies and bonding for crystallographic structures in titanium-carbon and tungsten-carbon systems. Phys. Rev. B 1989; 39; 4945-77.


 21. Christensen M, Wahnstrőm G. Co-phase penetration of WC(10)/WC(10) grain boundaries from first principles, Phys. Rev. B 2003; 67; 115415(11).

 22. Mattheiss LF, Hamman DR. Bulk and surface electronic structure of hexagonal WC. Phys. Rev. B 1984; 30; 4, 1731-8.


 23. Liu AY, Wentzcovitch RM, Cohen ML. Structural and electronic properties of WC. Phys. Rev. B 1989; 38, 9483-9.


 24. Nabarro FRN, Bartolucci Luyckx S, Waghmare UV. Slip in tungsten monocarbide: I. Some experimental observations. Materials Science and Engineering: A. 2008; 483-484; 139-2.


 25. Nabarro FRN, Bartolucci Luyckx S, Waghmare UV. Slip in tungsten monocarbide: II. A first-principles study. Materials Science and Engineering: A. 2008; 483-484; 9-12.


 26.. Kim C-S, Rohrer GS. Geometric and crystallographic characterization of WC surfaces and grain boundaries in WC–Co composites, Interface Sci. 2004; 12(1); 19–7.


 27. Shatov AV, Firstov SA, Shatova IV. The shape of WC crystals in cemented carbides. Mater. Sci. Eng. A, 1998; 242; 7–4.


28. Kim S, Han S-H, Park J-K, Kim H-E. Variation of WC grain shape with carbon content in the WC–Co alloys during liquid-phase sintering, Scripta Mater. 2003; 48(5); 635–9.



Ссылка на текст статьи

Текст статьи в журнале

Text of article in journal


© 2010  Zavodinsky V.G. This is an Open Access article distributed under the terms of the Russian Index of Science Citation License http://www.uzknastu.ru/files/forautors/en/License%20Agreement.doc, allowing third parties to copy and redistribute the material in any medium or format and to remix, transform, and build upon the material for any purpose, even commercially, provided the original work is properly cited and states its license.

© 2010 Заводинский В.Г. Данная статья находится в Открытом Доступе и распространяется на условиях лицензии Российского Индекса Научного цитирования http://www.uzknastu.ru/files/forautors/en/License%20Agreement.doc, в соответствии с которыми третьи лица имеют право копировать и повторно распространять этот материал на любых носителях и в любом формате, а также микшировать, изменять и использовать в качестве основы для любых целей, в том числе коммерческих, при условии, что на оригинальное произведение сделаны должным образом оформленные ссылки и что приведена информация о действующей в отношении него лицензии.





Лицензия Creative Commons
Произведение «КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА QUANTUM MECHANICAL STUDY OF TUNGSTEN CARBIDE NANOPARTICLES» созданное автором по имени Заводинский В.Г.Zavodinsky V.G., публикуется на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Основано на произведении с http://www.uzknastu.ru/files/translit/2010/I_1(1)/I.1(1).20.htm.