體心立方（bcc）結(jié)構(gòu)的金屬和合金被人類廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)和生活當(dāng)中。它們最主要的優(yōu)點(diǎn)是在很寬的溫度范圍內(nèi)和很大的應(yīng)變狀態(tài)下都表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，因此體心立方金屬的變形行為一直以來都是物理學(xué)家和材料學(xué)家所關(guān)注的問題。但是體心立方金屬的微觀變形機(jī)制比較復(fù)雜，到目前為止人們對它的了解還很不透徹。金屬的塑性變形通常是由位錯(cuò)主導(dǎo)的，此外也有孿晶的變形方式。在某些合金（例如相變致塑(TRIP)鋼和形狀記憶合金）中，應(yīng)力誘發(fā)相變也是一種有效的變形方式，但是到目前為止還沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜿U明體心立方金屬在外力作用下通過相變進(jìn)行塑性變形的機(jī)制。特別是純鉬(Mo)，它在熔點(diǎn)以下只具有體心立方結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)上還沒有發(fā)現(xiàn)它存在其它的晶體結(jié)構(gòu)形式。因此，類似Mo這樣的單質(zhì)金屬是否會(huì)在塑性變形時(shí)發(fā)生結(jié)構(gòu)相變也是科研人員所關(guān)注的一個(gè)問題。
最近，金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室固體原子像研究部杜奎研究小組與鈦合金研究部王皞副研究員等科研人員合作，通過原位透射電鏡觀察和定量應(yīng)變分析，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，揭示了金屬Mo在應(yīng)力加載下由<001>取向的bcc晶粒通過面心立方結(jié)構(gòu)（fcc）的中間相轉(zhuǎn)變到<111>取向的bcc晶粒，實(shí)現(xiàn)了15.4%的拉伸應(yīng)變。這一研究揭示了單質(zhì)金屬在高應(yīng)力條件下的應(yīng)力誘發(fā)相變變形機(jī)制。
研究表明，原位拉伸加載時(shí)，在純Mo中裂紋尖端處發(fā)生了bcc1 fcc bcc2的相變，部分<001>bcc取向的晶粒(bcc1)通過fcc中間相轉(zhuǎn)變到<111>bcc取向(bcc2)，相當(dāng)于晶格轉(zhuǎn)動(dòng)了54.7 。在拉伸應(yīng)力卸載后，部分bcc2晶粒和fcc相逆轉(zhuǎn)變回原始的bcc1晶粒。通過定量電子顯微學(xué)分析，探測到拉伸應(yīng)力加載時(shí)裂紋尖端的局部剪切應(yīng)力達(dá)到約 8GPa，正是由于如此大的局部應(yīng)力才驅(qū)動(dòng)了bcc1 fcc的結(jié)構(gòu)相變。這說明了即使是bcc結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定的難熔金屬Mo，當(dāng)內(nèi)部產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，而其它變形方式又受到抑制時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相變。在塑性變形時(shí)，應(yīng)力誘發(fā)相變可以部分地釋放材料內(nèi)部的應(yīng)力集中，從而協(xié)調(diào)材料的變形，阻止微裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終為改善體心立方金屬的塑性做出貢獻(xiàn)。此外，bcc1 fcc bcc2相變所對應(yīng)的54.7 晶格轉(zhuǎn)動(dòng)也為金屬變形時(shí)的晶粒扭轉(zhuǎn)提供了一條新途徑。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部973計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
相關(guān)論文已于3月7日在線發(fā)表于《自然-通訊》上（Nature Communications 5:3433 (2014), DOI: 10.1038/ncomms4433）。
圖1 純Mo裂紋尖端的三種不同的晶體結(jié)構(gòu)或取向。高分辨掃描透射電子顯微像中，藍(lán)色、紅色和綠色的圓點(diǎn)分別標(biāo)示出<001>-bcc1、<110>-fcc和<111>-bcc2取向的原子
圖2 純Mo裂紋尖端晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果
圖3 應(yīng)力卸載后裂紋尖端的晶體結(jié)構(gòu)變化和定量應(yīng)變分析。藍(lán)色、紅色和綠色圓點(diǎn)標(biāo)記了bcc1 、fcc和bcc2相的原子。LADIA應(yīng)變分析顯示了伴隨逆相變的應(yīng)力釋放
