硬质合金作为陶瓷基复合材料，通常具有较低的断裂韧性，在不牺牲其硬度的前提下提高这类材料的断裂韧性是制备高性能硬质合金的关键挑战。为了克服陶瓷基复合材料断裂韧性较低的缺点，研究人员通过优化添加组元和调控微观组织的方法设计陶瓷-金属复合材料。虽然陶瓷-金属复合材料双相构型的概念很简单，但是断裂韧性和硬度之间的相互制约关系几乎是不可避免的。相界面区域的位错堆积导致局部应力集中和裂纹萌生，造成陶瓷-金属复合材料在远低于其理论强度时即过早失效。

  最近，北京工业大学在高断裂韧性硬质合金材料设计研制方面取得重要进展，提出了一种通过调节相界区域的应变分配和应力分布来增韧陶瓷基复合材料的新方法，相关研究工作以“Toughening Ceramic-Based Composites by Homogenizing the Lattice Strain at Phase Boundaries”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊。论文第一作者为研究生姜文涛，吕皓副教授和宋晓艳教授为共同通讯作者。

    全文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c00251

     基于马氏体相变的特殊原子点阵集体切变变形机制，本文提出了利用“相界区域晶格应变均匀化”的方法来提高陶瓷基复合材料断裂韧性的新概念。在传统的陶瓷-金属复合材料中，金属相主要通过位错滑移发生塑性变形，位错高度局域的点阵变形容易在金属/陶瓷相界面区域引发原子尺度上较大的应变失配。为了补偿两相之间的应变失配，必须激活陶瓷相中的位错以维持相界面结构的连续性。复合材料变形过程中不断发生的位错增殖会在相界面区域产生较大的非弹性应变，位错堆积产生应力集中，由此导致相界面区域或脆性陶瓷相的过早失效，从而阻止了陶瓷相继续发生变形来提高复合材料的塑性和断裂韧性。相反，马氏体相变对塑性变形的贡献与位错运动的机制不同，马氏体相变是一种具有均匀晶格应变的原子集体切变过程，这意味着应力沿相界面区域在原子水平上可以均匀地在相邻两相之间传递，而避免产生应力集中。在相界面区域，相比于位错的高度局域晶格应变，马氏体相变的均匀晶格应变更容易协调两相之间的变形，这有助于在陶瓷相晶粒中获得更大的应变，从而提高陶瓷-金属复合材料的断裂韧性。

  以含ZrO₂的WC-Co陶瓷-金属复合材料为原型，证明了“相界区域晶格应变均匀化”策略的可行性。在试样断裂失效后，WC/ZrO₂相界面处的WC晶格发生了5%-6%的均匀应变，WC中较少出现位错和应力集中现象（图1）；而WC/Co相界面附近的WC晶粒中出现了大量位错和应力集中区域，WC晶格的平均应变量大约0.5%，即，WC/ZrO₂相界面区域WC晶格应变量是WC/Co相界面附近的10倍以上（图2）。不同于传统的陶瓷/金属相界面具有位错堆积和高度集中的局部晶格应变特征，WC/ZrO₂相界面表现出显著增大且均匀分布的晶格应变（图3），马氏体组元的原子集体切变变形方式避免了原子尺度的高应力集中。有限元模拟证实了马氏体相变组元ZrO₂可以降低WC-Co陶瓷-金属复合材料中的整体应力水平，使相界面处应力分布更加均匀。应力诱导的马氏体相变使相界面区域的局部应变分布均匀化，有利于避免相界面处出现应力集中（图4）。相界面处均匀的应变和应力分布使复合材料同时具有高的断裂韧性和硬度（图5）。

  本工作提出的“相界区域晶格应变均匀化”策略，为获得具有优越综合力学性能的陶瓷基复合材料提供了创新途径和重要科学基础。基于以上策略，得益于马氏体相变对相界区域的应变和应力的调控，本研究团队制备出无金属粘结相的WC-ZrO₂复合材料，兼具高硬度和高断裂韧性（图6）。相关研究工作以“Enhancing hardness and toughness of WC simultaneously by dispersed ZrO₂”为题发表在Materials Science & Engineering A期刊（论文第一作者为研究生梁占涛，刘雪梅副教授、赵治副教授和宋晓艳教授为共同通讯作者），全文链接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.144905。

图1. WC/ZrO₂相界面处的WC相晶格应变分布：(a) 变形区域WC/ZrO₂相界面的HRTEM图像，(b-d) a中标记区域的滤波HRTEM图像，虚线矩形表示晶面间距和晶格应变的测量区域。

图2. WC/Co相界面处的WC相晶格应变分布：(a) 变形区域的微观结构，(b) WC/Co相界面的HRTEM图像，对应于a中矩形标记的区域，(c) WC/Co相界面的放大视图，(d-f) b中标记区域的滤波HRTEM图像，虚线矩形表示晶面间距和晶格应变的测量区域。

图3. 断裂试样变形区域的相界面处结构和晶格应变分析：(a) WC/ZrO₂相界面的HRTEM图像，(b) 几何相位分析计算的WC/ZrO₂相界面处的晶格应变，(c) WC/Co相界面的HRTEM图像，(d) 几何相位分析计算的WC/Co相界面处的晶格应变。

图4. 基于材料微观组织构建的有限元模型模拟得到的应力分布和应变响应：(a，b) WC-Co-ZrO₂和WC-Co中的von Mises应力分布，插图为应力分布的统计，(c) 局部应力分布，(d) WC-Co-ZrO₂中不同物相在外加应力下的应变响应，(e) WC-Co-ZrO₂中不同区域WC的应变响应。

图5. 制备的WC-Co-ZrO₂复合材料的力学性能：(a) 压缩试验下的应力-应变曲线，(b) 本研究与文献报道同类材料的硬度和断裂韧性比较。

图6. 断裂试样变形区域的应力分布和制备的WC-ZrO₂复合材料的力学性能：(a) 变形区域的微观结构，(b)(c) 远离相变区域的WC相HRTEM图像和滤波HRTEM图像，对应于a中黄色矩形标记区域，(c) WC/ZrO₂相界面的HRTEM图像，(e)(f) 相变区域附近的WC相HRTEM图像和滤波HRTEM图像，对应于a中橙色矩形标记区域，(g) 研究与文献报道同类材料的硬度和断裂韧性比较。

吕皓，北京工业大学材料与制造学部副教授，2017年于加拿大阿尔伯塔大学获得博士学位。先后入选北京市“青年海聚”高层次人才、北京市青年托举人才。主要从事基于多尺度高通量计算的新型金属材料设计、制备与性能分析方面的研究工作。主持国家自然科学基金和北京市自然科学基金等项目，并作为核心成员承担国家重点研发计划、国家自然科学基金重点、国家自然科学基金重大研究计划等项目。在Acta Mater.、J. Mater. Sci. Technol.、Mater. & Des.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文60余篇，授权/公开国家发明专利和软件著作权5项，公开美国专利1项。兼任中国体视学会理事、青年工作委员会委员，北京粉末冶金研究会委员等。

北京工业大学宋晓艳教授研究团队多年来致力于具有稳定高性能的合金纳米材料设计制备与组织结构调控，研究方向包括硬质合金、稀土合金和计算材料学，形成了“合金纳米材料稳定性基础研究”与“工程应用”紧密结合的发展主线和学术特色。团队主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点、北京市自然科学基金重点等重要项目和多项企业委托攻关项目，授权和公开国际、国内发明专利90余项，于Sci. Adv.、Adv. Mater.、Acta Mater.、等期刊发表SCI论文350余篇，在国际国内学术会议上作大会/主旨/邀请报告60余次。