《CARBON》：Size-dependent deformation and interface-governed failure in TiC-Ni-Mo cermets revealed by in situ microcompression
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黄俊全|陈玉军|金天野|张翔|赵松|林子豪|孙伟|童可|刘少春|聂安民|田永军中国燕山大学亚稳态材料科学与技术国家重点实验室高压科学中心（CHiPS），秦皇岛066004摘要：基于TiC的陶瓷复合材料因其出色的强度和延展性而备受关注。然而，对其微观尺度变形机制的研究仍然有限。在这
黄俊全|陈玉军|金天野|张翔|赵松|林子豪|孙伟|童可|刘少春|聂安民|田永军
中国燕山大学亚稳态材料科学与技术国家重点实验室高压科学中心（CHiPS），秦皇岛066004
摘要：
基于TiC的陶瓷复合材料因其出色的强度和延展性而备受关注。然而，对其微观尺度变形机制的研究仍然有限。在这项工作中，我们通过原位扫描/透射电子显微镜微压缩测试（针对直径为0.4-5μm的柱状样本）和有限元分析，研究了TiC-Ni-Mo陶瓷复合材料的微观尺度变形行为。随着柱状样本直径的减小，其强度和延展性均有所提高，变形模式也从脆性断裂转变为塑性变形。当直径降至2μm时，材料发生从脆性到延展性的转变；其中最细的样本（直径0.4μm）表现出约9.5 GPa的断裂强度和约13%的应变，而直径5μm的样本则分别为约4 GPa和约2.5%的应变。TiC/TiC晶界被确认为主要的裂纹萌生位点，而TiC/Ni界面在未发生即时解粘的情况下能够承受较高的局部应力。Ni粘结相通过密集的位错活动来吸收塑性变形。数值模拟再现了实际观察到的应力热点和失效过程。尺寸的减小减少了TiC/TiC晶界的数量，从而提高了材料的强度和延展性。通过将原位SEM/TEM微压缩实验与能解析微观结构的有限元建模相结合，本研究直接关联了柱状样本的尺寸、界面特性、裂纹萌生路径以及TiC-Ni-Mo陶瓷复合材料的局部塑性，为提升其性能提供了设计指导。
引言
基于TiC的陶瓷复合材料具有高硬度、低密度和优异的化学稳定性[1], [2], [3], [4], [5]，是工业应用中的理想候选材料，可应用于切割工具[6], [7]和结构部件[8], [9], [10]。为了克服脆性问题，添加过渡金属（如Fe、Ni、Mo、Cr、Co）已被证明是有效的，因为这些金属与TiC基体具有良好的润湿性[6]。因此，TiC-Ni陶瓷复合材料能够表现出更高的断裂韧性（超过8.5 MPa·m0.5[11], [12], [13]。这种性能提升源于陶瓷与金属之间的异质结构，其效果超出了简单的混合规则预期[14]。然而，多相体系使力学机制的研究变得复杂。我们仍缺乏对TiC晶粒、TiC/TiC晶界以及TiC/Ni界面如何分担载荷并发生失效的微观到纳米尺度的理解。
原位显微镜技术，包括扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM），已成为研究材料性能的重要工具。这些技术能够在常规单轴压缩过程中实现实时观察，直接提供几何失效[15]、工程应变[16]和缺陷移动[17]的直观证据。这有助于研究变形机制[18]、尺寸效应[19]以及微观结构转变[20]。利用这些技术，原位显微镜在分析陶瓷复合材料的微观结构增强机制方面具有巨大潜力。例如，Llanes等人研究了WC-15wt.%Co陶瓷复合材料在微尺度下的单轴压缩行为[21]，发现不可逆变形和失效主要发生在相界处，而碳化物与粘结相之间的界面则是塑性集中的区域。Sandoval等人也研究了WC-11wt.%Co陶瓷复合材料的尺寸效应，发现压缩微柱的几何形状显著影响材料性能：大直径样本接近WC-Co块体材料的行为，而小直径样本则类似于WC基体的行为[22]。进一步的研究表明，WC的平均晶粒尺寸会影响Co粘结相的受力情况，随着尺寸的减小，材料的强度和断裂应变都会提高[23]。对于基于TiC的陶瓷复合材料，Ida等人利用原位SEM中的微柱压缩实验研究了Mo-46.8%Ti-5.0%C和Ti-50%C的滑移系统[24]。然而，关于含有过渡金属的TiC陶瓷复合材料的研究仍然较少，这表明该领域需要更多的探索。
在本文中，我们结合了原位SEM和TEM微压缩实验与有限元（FE）分析，研究了直径从5 μm到0.4 μm的TiC-Ni-Mo柱状样本的变形和失效过程。我们发现了2 μm的屈服阈值以及脆性到延展性的转变。TiC/TiC晶界是主要的裂纹源，TiC/Ni界面承受较高的局部应力，而Ni粘结相通过密集的位错来吸收塑性应变。数值模拟再现了应力热点和失效顺序。我们建立了结构与性能之间的关联：减小柱状样本的尺寸可以减少脆性TiC/TiC晶界的数量，从而提高材料的强度和延展性。与以往主要描述尺寸依赖性强度趋势的微柱研究不同，本文通过将原位变形观察与能解析微观结构的有限元分析相结合，建立了微观柱状样本尺寸、界面微观结构、裂纹萌生行为以及TiC基陶瓷复合材料中Ni相塑性之间的直接联系。
章节摘录
材料与表征
TiC粉末（粒径约0.2–1 μm，纯度99.8%）与金属Ni（含量约4%，纯度99.8%）和金属Mo（含量约3%，纯度99.9%）共同球磨，制备出均匀的复合粉末（见图S1）。然后将复合粉末装入石墨模具中，在30 MPa的轴向压力下进行火花等离子烧结（SPS）处理。烧结过程的最大温度为1300 °C，保持时间为10分钟，加热速率为50 °C/min。
微观结构表征
图1(a)显示了经过抛光处理的TiC-Ni-Mo样品表面的SEM背散射电子（BSE）图像，其中TiC晶粒和Ni粘结相清晰可见。然而未观察到明显的Mo相，这与Mo的主要作用（提高Ni和TiC相之间的润湿性）是一致的[12], [25]。通过SEM分析测得TiC晶粒的平均直径为0.53±0.21 μm（见图1(b)）。样品的XRD图谱如图1所示
结论
我们对直径范围从0.4到5 μm的TiC-Ni-Mo陶瓷复合材料柱状样本进行了单轴压缩实验，并结合有限元分析来研究其变形机制。Ni相在提高韧性方面起着关键作用，它能在TiC/Ni界面上缓解局部应力并吸收塑性变形。观察到一个明显的尺寸效应：随着柱状样本直径的减小，塑性增加，材料从脆性断裂转变为
CRediT作者贡献声明
田永军：可视化处理、项目监督、数据分析与分析。 黄俊全：撰写初稿、方法设计、实验研究、数据分析与分析。 陈玉军：方法设计、实验研究、数据分析与分析。 金天野：撰写与编辑、实验研究、数据分析与分析。 孙伟：软件开发、数据分析与分析。 童可：软件开发、数据分析与分析。 刘少春：可视化处理、项目监督、方法设计、数据分析与分析。 聂安民：
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国河北省自然科学基金（项目编号E2024203054）、国家自然科学基金（项目编号52525207、52288102、52090022）以及福建省自然科学基金（项目编号2022J01130910）的支持。
