金屬陶瓷兼具陶瓷相的高硬度和粘結相的高韌性，被作為鉆頭、刀具材料廣泛應用于海底勘探、盾構機、金屬加工等關鍵工程領域。近年來，我國海洋開發(fā)、高端制造等重大工程逐步實施，苛刻環(huán)境（如高溫、磨損、侵蝕等）下的表面損傷與防護成為機械部件與材料在設計、制造和使用過程中的研究重點。金屬陶瓷在苛刻環(huán)境下服役時，由溫升、磨損等引起的熱-力耦合損傷是其失效的重要原因，亟需從原子、分子層次和熱力學與動力學基礎理論上認識多因素耦合表面損傷機制，這同時是開發(fā)新一代環(huán)境適應型金屬陶瓷材料的理論基礎。目前，對金屬陶瓷在寬溫域、變載荷條件下的耐磨性能已有相關研究報道，但對其在熱-力耦合苛刻服役條件下的化學成分及微結構演變尚缺乏系統(tǒng)性研究。

近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋新材料與應用技術重點實驗室通過關鍵實驗與理論計算相結合的方式系統(tǒng)地研究了金屬陶瓷在熱-力耦合條件下的宏觀磨損機制與微觀損傷機理。該項研究工作采用粉末冶金真空負壓燒結的方法成功制備了包含碳化鈦陶瓷相和高錳鋼粘結相的新型輕質金屬陶瓷雙相材料。研究人員發(fā)現(xiàn)，不同于傳統(tǒng)陶瓷材料，該金屬陶瓷存在一個表面損傷機制轉變的臨界溫度（～125℃）：低于此溫度，硬度主導材料的耐磨性能；高于此溫度，韌性成為影響材料磨損行為的關鍵因素。顯微光譜分析結合相圖計算CALPHAD結果表明，大氣條件下碳化物陶瓷相表面發(fā)生脫碳反應造成硬度降低，磨損率升高；原位透射電鏡分析結合第一性原理計算結果進一步表明，高溫條件下陶瓷相表面發(fā)生相變生成連續(xù)納米晶氧化膜，材料表面塑性提升，磨損率降低。綜上，該研究首次確定了金屬陶瓷材料宏觀磨損機制的轉變溫度，并通過理論計算闡明了微觀相變機理。

該研究工作以題為“Temperature-induced wear transition in ceramic-metal composites”的論文發(fā)表在Acta Materialia 205 (2021) 116545上，第一作者為婁明博士，通訊作者為?？煽裳芯繂T、王立平研究員。本研究得到了國家自然科學基金（51971235），寧波市3315創(chuàng)新團隊（2019A-18-C）和中科院人才計劃等項目的資助。

圖1 金屬陶瓷熱-力耦合損傷的實驗表征：（a）碳化鈦-高錳鋼在不同溫度、氣氛條件下的耐磨性能；（b）碳化鈦-高錳鋼的原位TEM磨損截面形貌。實驗結果表明碳化鈦-高錳鋼存在～125℃的損傷機制轉變臨界溫度，材料在臨界溫度上下呈現(xiàn)出不同的表界面損傷形貌

圖2 理論計算闡明金屬陶瓷的微觀損傷機理：（a）相圖計算CALPHAD解釋碳化鈦相的脫碳機理；（b）基于Hamilton模型的剪切應力場計算解釋碳化鈦-高錳鋼的協(xié)調變形性；（c）第一性原理計算預測碳化鈦相表面脫碳、氧化對力學性能的影響。計算結果表明低于臨界溫度，碳化鈦相表面氧化、脫碳，硬度下降；高于臨界溫度，碳化鈦相表面生成納米晶氧化膜，韌性增強

圖3 基于關鍵實驗和理論計算提出的金屬陶瓷熱-力耦合損傷機理：不同于傳統(tǒng)陶瓷材料，金屬陶瓷的服役性能具有溫度敏感性，其損傷機制轉變的臨界溫度由材料表面硬度、韌性及兩相協(xié)調變形性等因素共同決定