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Fracture toughness trends of modulus-matched TiN/(Cr,Al)N thin film superlattices

材料科学 纳米压痕 超晶格 断裂韧性 复合材料 韧性 陶瓷 薄膜 双层 弹性模量 衍射 冶金 纳米技术 光学 光电子学 物理 生物 遗传学
作者
Julian Buchinger,Antonia Wagner,Zhuo Chen,Zaoli Zhang,David Holec,P.H. Mayrhofer,M. Bartosik
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:202: 376-386 被引量:52
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2020.10.068
摘要

Through superlattice (SL) architectures, the hardness as well as the fracture toughness of ceramic thin films can be enhanced. The hardness-related SL effect is reasonably well understood, however, the mechanisms driving the toughness-enhancing effect are still partially unexplored. To isolate the effect of the lattice mismatch from the elastic moduli mismatch on the toughness-related properties, we designed TiN/Cr0.37Al0.63N superlattices, in which the involved layers have effectively identical elastic moduli, but sizeably different lattice parameters. Micromechanical bending tests show an enhanced fracture toughness KIC of the SLs (2.5±0.1 MPa√m) compared with monolithic TiN (2.0±0.1 MPa√m) and Cr0.37Al0.63N (1.3±0.1 MPa√m) with only a weak bilayer period (Λ) dependence. Superimposing an analytical model based on continuum mechanics on the experimental data, we demonstrate that, at low Λ, the nanolayers within the SL exhibit strong coherency strains, as misfit dislocation formation is energetically unfavourable. With increasing layer thicknesses, misfit dislocations start to form in the two layer materials – first in Cr0.37Al0.63N and slightly Λ-shifted in TiN. The associated evolution of coherency strains in the TiN and Cr0.37Al0.63N layers causes the observed bilayer-period-dependent toughness enhancement beyond the constituent materials. Supporting structural, morphological, chemical, and mechanical analyses are provided by X-ray diffraction, electron microscopy techniques, and nanoindentation.

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