Lösung des Festigkeits-Zähigkeits-Dilemmas in superharten Keramiken mit einem chemisch abgestimmten Ansatz einer festen Lösung

Materialien mit überlegener mechanischer Festigkeit sind für viele Bereiche moderner Industrien und wissenschaftlicher Unternehmen von entscheidender Bedeutung, da sie Schneid- und Bohrwerkzeuge, Strukturkomponenten, Schutzbeschichtungen und Schleifmittel bereitstellen, die vielfältige Anwendungsmöglichkeiten finden. Die Festlösungsverfestigung ist eine bewährte Methode zur Erhöhung der Härte von Metallen durch die Einführung gelöster Atome, um lokale Verzerrungen im Kristallgitter zu erzeugen, die Versetzungsbewegungen und plastische Verformungen behindern, was zu erhöhter Festigkeit, aber verringerter Duktilität und Zähigkeit führt.

Im scharfen Gegensatz dazu weisen superharte Materialien mit einer Vickers-Härte HV > 40 GPa eine hohe Festigkeit, aber eine geringe Zähigkeit aufgrund eines bestimmten Mechanismus auf, der durch die Verformung der spröden Bindung bestimmt wird, was ein weiteres prominentes Szenario des klassischen Kompromissdilemmas zwischen Festigkeit und Zähigkeit darstellt. Die Lösung dieses weniger erforschten und kaum verstandenen Problems stellt eine gewaltige Herausforderung dar, die eine praktikable Strategie zur Abstimmung der wichtigsten tragenden Bindungen in diesen starken, aber spröden Materialien erfordert, um gleichzeitig eine Erhöhung der Spitzenspannung und des damit verbundenen Dehnungsbereichs zu erreichen.

Durch die Nutzung einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden demonstrierte das Team von Professor Kan Zhang von der Universität Jilin einen chemisch abgestimmten Ansatz in fester Lösung, der gleichzeitig eine verbesserte Härte und Zähigkeit im ternären Ta1-xZrxB2 auf Basis des superharten Übergangsmetalldiborids TaB2 erreicht. Dieses bemerkenswerte Phänomen wird durch die Einführung des gelösten Atoms Zr erreicht, das eine geringere Elektronegativität als das Lösungsmittelatom Ta aufweist, um den Ladungsabbau an den wichtigsten tragenden BB-Bindungen während der Eindrückung zu reduzieren, was zu einer längeren Verformung führt, die zu einem deutlich höheren Dehnungsbereich und dem entsprechenden Peak führt betonen.

„Dieser Befund unterstreicht die entscheidende Rolle der richtig abgestimmten kontrastierenden relativen Elektronegativität von gelösten Stoff- und Lösungsmittelatomen bei der gleichzeitigen Verstärkung und Zähigkeit und eröffnet einen vielversprechenden Weg für die rationale Gestaltung verbesserter mechanischer Eigenschaften in einer großen Klasse von Übergangsmetallboriden“, sagte Zhang . „Diese Strategie der gleichzeitigen Festigkeits-Zähigkeits-Optimierung durch durch gelöste Atome induzierte chemische Abstimmung der tragenden Hauptbindungsladung dürfte bei breiteren Materialklassen wie Nitriden und Karbiden funktionieren.“

Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Forschung.