Intrinsic mechanical properties and strengthening methods in inorganic crystalline materials

(Received 11 June 1990, accepted 20 August 1990)

Abstract
The paper deals with strength and fracture in metals, ceramics and intermetallic compounds. The emphasis is on the interrelation between microstructure and macroscopic behavior and how the concepts for alloy design are mirroring this interrelationship. The three materials classes are distinguished by the physical nature of the atomic bonding forces. In metals metallic bonding predominates which causes high ductility but poor strength. Accordingly material development concentrates on production of microstructures which optimize the yield strength without unacceptable loss in ductility. In ceramics covalent bonding prevails which results in high hardness and high elastic stiffness but at the same time extreme brittleness. Contrary to the metal-ease material development aims at a kind of pseudo ductility in order to rise the fracture toughness to sufficiently high levels. In intermetallic phases the atomic bonds are a mixture of metallic and covalent bonding where depending on the alloying system the balance between the two contributions may be quite different. Accordingly the properties of intermetallics are in the range between metals and ceramics. By a variety of microstructural measures their properties can be changed in direction. either towards metallic or ceramic behavior. General rules for alloy design are not available, rather every system demands very specific experience since properties depend to a considerable part on intrinsic properties of lattice defects such as dislocations, antiphase boundaries, stacking faults and grain boundaries.

Résumé
Cet article traite de la résistance et de la fracture des métaux, des céramiques et des composés intermétalliques. L'accent est mis sur les correspondances entre la microstructure et le comportement macroscopique ainsi que sur la façon dont de tels concepts se reflètent dans la création de nouveaux alliages. C'est la nature des forces de liaisons qui distingue chaque type de matériaux. Dans les métaux, les liaisons métalliques dominent, ce qui entraîne une grande ductilité mais une médiocre résistance. En conséquence, dans le développement de nouveaux matériaux on cherche préférentiellement à produire des microstructures qui optimisent la résistance élastique sans perte inacceptable de ductilité. Dans les céramiques, les liaisons covalentes prédominent; ceci entraîne une dureté élevée, une grande rigidité, mais en même temps une extrême fragilité. Au contraire des métaux, le développement de ces matériaux vise à obtenir une pseudoductilité afin d'amener la tenacité à des niveaux suffisamment élevés. Dans les phases intermétalliques les liaisons atomiques correspondent à un mélange de liaisons métalliques et covalentes. La contribution de chacune d'entre elles varie en fonction du système allié. En conséquence, les propriétés des intermétalliques se situent entre celles des métaux et des céramiques. Par divers changements microstructuraux des propriétés peuvent être déplacées pour se rapprocher d'un comportement de type métallique ou de type céramique. Donner des règles générales pour la création de nouveaux alliages n'est pas possible car chaque système demande à être testé, les propriétés dépendent en effet, pour une part considérable, des propriétés intrinsèques des défauts de réseau comme les dislocations, les parois d'antiphase ou les joints de grains.