不同BCC金屬和合金中的幾種不常見的孿晶動(dòng)力學(xué)

體心立方（BCC）金屬具有不穩(wěn)定的本征堆垛層錯(cuò)和對形變孿晶的高抵抗力，常引發(fā)復(fù)雜的孿晶動(dòng)力學(xué)，這在經(jīng)典孿晶理論中是無法完全理解的。在此項(xiàng)工作中，浙江大學(xué)等單位的研究人員揭示了極端變形純鈮（Nb）中相變和變形孿晶之間的內(nèi)在耦合。BCC（β）、ω、正交馬氏體（α"）相之間混洗介導(dǎo)的多晶型轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)三種不同的孿晶路徑，不涉及經(jīng)典孿晶剪切。TB上的殘余界面相（主要是ω相）有助于降低轉(zhuǎn)化勢壘并作為離散孿晶增厚的重要前體，很好地結(jié)合了文獻(xiàn)中在BCC金屬和合金中通過實(shí)驗(yàn)觀察到的幾種不常見的孿晶動(dòng)力學(xué)。這些發(fā)現(xiàn)不僅促進(jìn)了對一大類BCC金屬和合金中罕見孿晶行為起源的理解，而且有利于高性能BCC材料的開發(fā)。

形變孿晶是結(jié)晶固態(tài)金屬中重要的塑性載體，與位錯(cuò)滑移和相變等其他形變模式競爭，控制金屬和合金在不同長度尺度上的力學(xué)性能和塑性，大量研究揭示了孿生機(jī)制及其與不同材料中其他變形模式的競爭和轉(zhuǎn)變。在常見變形條件，例如低應(yīng)變率和室溫下，面心立方（FCC）金屬具有相對較高的孿晶傾向，且與孿晶部分的連續(xù)滑移密切相關(guān)。而在體心立方（BCC）金屬中，缺乏穩(wěn)定的本征堆垛層錯(cuò)導(dǎo)致孿晶成核的超高勢壘，使得變形孿晶主要發(fā)生在低溫和高應(yīng)變率的極端條件下，并顯示出一些與FCC變形孿晶明顯不同的行為。實(shí)驗(yàn)表明，不同BCC金屬中的形變孿晶通常表現(xiàn)出3n層厚度（n為整數(shù)）和階梯孿晶邊界(TBs)的行為，階梯高度遠(yuǎn)大于單個(gè)孿晶錯(cuò)位。有些理論研究還報(bào)道了由BCC金屬中不常見的1/12<111>、1/3<111>和1/4<111>部分滑移引起的變形孿晶?？紤]到這些復(fù)雜性，BCC金屬中的變形孿晶是否通過完全背離經(jīng)典孿晶理論的某些機(jī)制形成是值得探究的。

孿晶成核的難度會(huì)增加孿晶與其他塑性模式之間的強(qiáng)烈競爭，從而引發(fā)復(fù)雜的孿晶動(dòng)力學(xué)。BCC金屬和合金傾向于通過相變發(fā)生變形，其中ω和α"馬氏體相變已被廣泛報(bào)道，尤其是在β-Ti合金中。這些相變與{112}<11>β和{332}<11>β變形孿晶密切相關(guān)，其中亞穩(wěn)相既可以存在于孿晶內(nèi)部，也可以存在于孿晶表面。在純BCC金屬中，如Ta、Mo和Nb，極端條件下增強(qiáng)的流動(dòng)應(yīng)力也可以通過1/12<111>類型的位移刺激亞穩(wěn)態(tài)ω相變。從晶體學(xué)的角度來看，馬氏體相變路徑與形變孿晶基本相似，兩者都涉及形變晶格內(nèi)的原子剪切/混洗。但變形孿晶與BCC金屬和合金中相變之間的關(guān)系仍存在很大爭議。

此項(xiàng)工作揭示了經(jīng)受低溫（LT）壓縮和室溫（RT）沖擊極端變形作用下，BCC鈮（Nb）中相變（PT）介導(dǎo)的變形孿晶的原子機(jī)制?；趯?shí)驗(yàn)觀察和理論計(jì)算，通過BCC（β）、ω（ω）、正交馬氏體（α"）結(jié)構(gòu)之間的多晶型PT，確定了三種不同的孿生路徑，與BCC金屬的經(jīng)典孿晶剪切形成鮮明對比。這種PT誘導(dǎo)變形孿晶的一個(gè)重要特征是中間相的不完全轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致在高應(yīng)力集中的TB處殘留界面相，多為ω相。這些發(fā)現(xiàn)在原子水平上為PT介導(dǎo)的變形孿晶提供了見解，并推進(jìn)了對BCC變形孿晶的理解。

圖1 ω介導(dǎo)變形孿晶。（a）高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像顯示沿（110）處的過渡ω相區(qū)域，由插圖相應(yīng)的FFT模式確認(rèn)。（b）對應(yīng)于（a）中的盒裝區(qū)域（b）的雙尖端的放大HRTEM圖像，顯示過渡ω相區(qū)域作為非孿晶βM和孿晶βT之間的中間結(jié)構(gòu)。（c）βM、ω和βT相的晶胞，以及相應(yīng)的FFT模式。（d）顯示過渡三角ωTran和六角ω相的原子尺度HRTEM圖像。下圖給為原子柱沿水平方向的相應(yīng)強(qiáng)度分布，揭示了β→ ω相變過程中的連續(xù)躍遷過程。

圖2 ω介導(dǎo)的形變孿生的早期成核階段（1—13）β區(qū)軸。（a）與βT耦合的ω相，由（b）相應(yīng)的SAED模式確認(rèn)。（c）放大的HRTEM圖像顯示ω相內(nèi)的βT相。比例尺：（a）50nm和（c）5nm。

圖3 α"和ω共同介導(dǎo)變形孿晶。（a）HRTEM圖像，顯示中間α"和ω相沿（110）排列在孿生尖端前，由插圖FFT模式確認(rèn)。（b）對應(yīng)于（a）中的方框區(qū)域（b）的雙尖端的局部原子結(jié)構(gòu)。（c）βM、α"和ω相之間的晶格對應(yīng)。（d）ω和α"共同介導(dǎo)的變形孿晶成核前的證據(jù)。α"相存在于ω相尖端，βT相沒有出現(xiàn)在ω相末端。

圖4 α"孿晶（α"T）介導(dǎo)的形變孿晶。（a）主要由α"T和少量βT相組成的形變帶，由α"T衍射點(diǎn)選擇的暗場TEM圖像。（b）HRTEM圖像，顯示α"T變形帶內(nèi)的βT，形成{112}<111>變形帶外與βM的孿生關(guān)系。（c）對應(yīng)于（b）中方框區(qū)域（c）的原子級(jí)過濾HRTEM圖像，顯示βT和α"T之間的晶格對應(yīng)關(guān)系。黃線表示βT/α"T界面。（d）βM、α"T和βT相之間的晶格對應(yīng)，及其相應(yīng)的FFT模式。

圖5 α"M和α"T共存。（a）α"M內(nèi)的α"T，由[111]β//[110]α"區(qū)域軸下的SAED圖像確認(rèn)。（b，c）α"M和α"T的HRTEM圖像與相應(yīng)的SAED圖案。

圖6三種PT介導(dǎo)的變形孿晶途徑的示意圖。涉及（a）βM→ω→βT和（b）βM→α"→ω→βT的純原子重組。（c）βM→α"M→α"T→βT孿生路徑均涉及原子剪切和重組，投影視圖是沿[110]β區(qū)軸。β、ω和α"相的基序分別用黑色、紅色和藍(lán)色線表示，β、ω和α"相的原子分別用灰色、紅色和藍(lán)或白色表示。黃色和藍(lán)色箭頭分別表示轉(zhuǎn)換所需的原子洗牌和剪切位移。（d）β、ω和α"相之間的三維晶格對應(yīng)關(guān)系。

圖7（a）經(jīng)典孿晶和（b-d）三種PT介導(dǎo)的變形孿晶的平均原子能量。

圖8 TB的典型原子配置。（a）HRTEM圖像，顯示TB處的界面ω結(jié)構(gòu)，由ω Tran和ω相組成。觀測方向沿[110]β區(qū)軸。ω Tran/β T界面上出現(xiàn)一個(gè)3層臺(tái)階。（b）TB的厚度分布呈現(xiàn)3n層的特征（n為正整數(shù)）。LT-C：低溫壓縮；RT-S：室溫沖擊。（c）ω Tran/β T界面以ω→β轉(zhuǎn)換的方式通過3層臺(tái)階的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙增厚。

圖9 TB處的界面ω相。（a）孿晶結(jié)構(gòu)的TEM明場像。（b）是（a）中圓圈區(qū)域?qū)?yīng)的SAED圖像。（c）是（b）中黃色圓圈選擇的衍射點(diǎn)的TEM暗場像。（d）是（b）中紅色圓圈選擇的衍射點(diǎn)的TEM暗場像，表明TB處存在ω相。

這項(xiàng)研究揭示了經(jīng)受極端變形的純BCC鈮中相變介導(dǎo)的變形孿晶的原子機(jī)制。基于BCC（β）、ω、正交馬氏體（α"）相介導(dǎo)的多晶型轉(zhuǎn)變，提出了三種不同的孿生路徑，沒有經(jīng)典孿晶剪切的參與。不完全轉(zhuǎn)變通常會(huì)導(dǎo)致界面上的殘留界面相TBs，它是離散孿晶增厚的重要前體，背離了經(jīng)典的孿晶行為。大塊BCC樣品的這些孿晶動(dòng)力學(xué)不僅很好地融合了文獻(xiàn)中報(bào)道的不同BCC金屬和合金中的幾種不常見的孿晶動(dòng)力學(xué)，而且有利于開發(fā)高性能BCC材料。(文：早早)