Toughness enhancement in hard ceramic thin films by alloy design

材料科学 脆性 陶瓷 韧性 复合材料 延展性(地球科学) 合金 硬化(计算) 打滑(空气动力学) 断裂韧性 冶金 蠕动 热力学 物理 图层(电子)
作者
Hanna Kindlund,Davide G. Sangiovanni,L. Martínez-de-Olcoz,Jun Lu,Jens Jensen,Jens Birch,I. Petrov,J. E. Greene,V. Chirita,Lars Hultman
出处
期刊:APL Materials [American Institute of Physics]
卷期号:1 (4) 被引量:138
标识
DOI:10.1063/1.4822440
摘要

Hardness is an essential property for a wide range of applications. However, hardness alone, typically accompanied by brittleness, is not sufficient to prevent failure in ceramic films exposed to high stresses. Using VN as a model system, we demonstrate with experiment and density functional theory (DFT) that refractory VMoN alloys exhibit not only enhanced hardness, but dramatically increased ductility. V0.5Mo0.5N hardness is 25% higher than that of VN. In addition, while nanoindented VN, as well as TiN reference samples, suffer from severe cracking typical of brittle ceramics, V0.5Mo0.5N films do not crack. Instead, they exhibit material pile-up around nanoindents, characteristic of plastic flow in ductile materials. Moreover, the wear resistance of V0.5Mo0.5N is considerably higher than that of VN. DFT results show that tuning the occupancy of d–t2g metallic bonding states in VMoN facilitates dislocation glide, and hence enhances toughness, via the formation of stronger metal/metal bonds along the slip direction and weaker metal/N bonds across the slip plane.
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