受控多形竞争——致力于制备坚硬耐磨陶瓷材料的路径

从纳米尺度的器件（包括传感器、电子器件或生物相容性涂层）到宏观结构、汽车或航空组件， fundamental understanding of plasticity and fracture can guide the realization of materials that ensure safe and durable performance. 通过原子尺度塑性变形的认识至关重要，尤其是针对依赖脆性陶瓷材料的应用。本文通过应力强度控制的原子尺度模拟，展示了在 cubic Ti$_{1-x}$Al$_{x}$N 模型体系中的断裂如何影响脆性陶瓷材料的宏观断裂韧性 (K$_{Ic}$) 和断裂强度 (${\sigma}$$_{f}$)。在 Ti$_{1-x}$Al$_{x}$N 中，$\overset{\lower.5em\circ}{\mathrm{A}}$-scale 塑性变形随着 Al 含量 (x) 的增加而单调增加，这是由于 cubic $\rightarrow$ 六角形多形结构相变能和不稳定堆叠错能的相应减小所致。总体而言，塑性变形对机械性能产生积极影响，使得 x~0.6 时获得最佳的强度和韧性组合。然而，当 x 超过 ~0.7 时，塑性变形的优势便会下降。对 K$_{Ic}$(x) 和 ${\sigma}$$_{f}$(x) 初始上升后下降的现象，基于相变、剪切引起的错伤和在最容易断裂平面上的拉伸断裂之间的相互作用进行解释。本结果凸显了原子尺度塑性变形对可观测性质的影响，并指出了通过控制多形竞争来提升陶瓷材料韧性的策略。