不同BCC金属和合金中的几种不常见的孪晶动力学

体心立方（BCC）金属具有不稳定的本征堆垛层错和对形变孪晶的高抵抗力，常引发复杂的孪晶动力学，这在经典孪晶理论中是无法完全理解的。在此项工作中，浙江大学等单位的研究人员揭示了极端变形纯铌（Nb）中相变和变形孪晶之间的内在耦合。BCC（β）、ω、正交马氏体（α"）相之间混洗介导的多晶型转变诱导三种不同的孪晶路径，不涉及经典孪晶剪切。TB上的残余界面相（主要是ω相）有助于降低转化势垒并作为离散孪晶增厚的重要前体，很好地结合了文献中在BCC金属和合金中通过实验观察到的几种不常见的孪晶动力学。这些发现不仅促进了对一大类BCC金属和合金中罕见孪晶行为起源的理解，而且有利于高性能BCC材料的开发。

形变孪晶是结晶固态金属中重要的塑性载体，与位错滑移和相变等其他形变模式竞争，控制金属和合金在不同长度尺度上的力学性能和塑性，大量研究揭示了孪生机制及其与不同材料中其他变形模式的竞争和转变。在常见变形条件，例如低应变率和室温下，面心立方（FCC）金属具有相对较高的孪晶倾向，且与孪晶部分的连续滑移密切相关。而在体心立方（BCC）金属中，缺乏稳定的本征堆垛层错导致孪晶成核的超高势垒，使得变形孪晶主要发生在低温和高应变率的极端条件下，并显示出一些与FCC变形孪晶明显不同的行为。实验表明，不同BCC金属中的形变孪晶通常表现出3n层厚度（n为整数）和阶梯孪晶边界(TBs)的行为，阶梯高度远大于单个孪晶错位。有些理论研究还报道了由BCC金属中不常见的1/12<111>、1/3<111>和1/4<111>部分滑移引起的变形孪晶。考虑到这些复杂性，BCC金属中的变形孪晶是否通过完全背离经典孪晶理论的某些机制形成是值得探究的。

孪晶成核的难度会增加孪晶与其他塑性模式之间的强烈竞争，从而引发复杂的孪晶动力学。BCC金属和合金倾向于通过相变发生变形，其中ω和α"马氏体相变已被广泛报道，尤其是在β-Ti合金中。这些相变与{112}<11>β和{332}<11>β变形孪晶密切相关，其中亚稳相既可以存在于孪晶内部，也可以存在于孪晶表面。在纯BCC金属中，如Ta、Mo和Nb ，极端条件下增强的流动应力也可以通过1/12<111>类型的位移刺激亚稳态ω相变。从晶体学的角度来看，马氏体相变路径与形变孪晶基本相似，两者都涉及形变晶格内的原子剪切/混洗。但变形孪晶与BCC金属和合金中相变之间的关系仍存在很大争议。

此项工作揭示了经受低温（LT）压缩和室温（RT）冲击极端变形作用下，BCC铌（Nb）中相变（PT）介导的变形孪晶的原子机制。基于实验观察和理论计算，通过BCC（β）、ω（ω）、正交马氏体（α"）结构之间的多晶型PT，确定了三种不同的孪生路径，与BCC金属的经典孪晶剪切形成鲜明对比。这种PT诱导变形孪晶的一个重要特征是中间相的不完全转变，导致在高应力集中的TB处残留界面相，多为ω相。这些发现在原子水平上为PT介导的变形孪晶提供了见解，并推进了对BCC变形孪晶的理解。

图1 ω介导变形孪晶。（a）高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像显示沿（110）处的过渡ω相区域，由插图相应的FFT模式确认。（b）对应于（a）中的盒装区域（b）的双尖端的放大HRTEM图像，显示过渡ω相区域作为非孪晶βM和孪晶βT之间的中间结构。（c）βM、ω和βT相的晶胞，以及相应的FFT模式。（d）显示过渡三角ωTran和六角ω相的原子尺度HRTEM图像。下图给为原子柱沿水平方向的相应强度分布，揭示了β→ ω相变过程中的连续跃迁过程。

图2 ω介导的形变孪生的早期成核阶段（1—13）β区轴。（a）与βT耦合的ω相，由（b）相应的SAED模式确认。（c）放大的HRTEM图像显示ω相内的βT相。比例尺：（a）50nm和（c）5nm。

图3 α"和ω共同介导变形孪晶。（a）HRTEM图像，显示中间α"和ω相沿（110）排列在孪生尖端前，由插图FFT模式确认。（b）对应于（a）中的方框区域（b）的双尖端的局部原子结构。（c）βM、α"和ω相之间的晶格对应。（d）ω和α"共同介导的变形孪晶成核前的证据。α"相存在于ω相尖端，βT相没有出现在ω相末端。

图4 α"孪晶（α"T）介导的形变孪晶。（a）主要由α"T和少量βT相组成的形变带，由α"T衍射点选择的暗场TEM图像。（b）HRTEM图像，显示α"T变形带内的βT，形成{112}<111>变形带外与βM的孪生关系。（c）对应于（b）中方框区域（c）的原子级过滤HRTEM图像，显示βT和α"T之间的晶格对应关系。黄线表示βT/α"T界面。（d）βM、α"T和βT相之间的晶格对应，及其相应的FFT模式。

图5 α"M和α"T共存。（a）α"M内的α"T，由[111]β//[110]α"区域轴下的SAED图像确认。（b，c）α"M和α"T的HRTEM图像与相应的SAED图案。

图6 三种PT介导的变形孪晶途径的示意图。涉及（a）βM→ω→βT和（b）βM→α"→ω→βT的纯原子重组。（c）βM→α"M→α"T→βT孪生路径均涉及原子剪切和重组，投影视图是沿[110]β区轴。β、ω和α"相的基序分别用黑色、红色和蓝色线表示，β、ω和α"相的原子分别用灰色、红色和蓝或白色表示。黄色和蓝色箭头分别表示转换所需的原子洗牌和剪切位移。（d）β、ω和α"相之间的三维晶格对应关系。

图7 （a）经典孪晶和（b-d）三种PT介导的变形孪晶的平均原子能量。

图8 TB的典型原子配置。（a）HRTEM图像，显示TB处的界面ω结构，由ω Tran和ω相组成。观测方向沿[110]β区轴。ω Tran/β T界面上出现一个3层台阶。（b）TB的厚度分布呈现3n层的特征（n为正整数）。LT-C：低温压缩；RT-S：室温冲击。（c）ω Tran/β T界面以ω→β转换的方式通过3层台阶的运动实现双增厚。

图9 TB处的界面ω相。（a）孪晶结构的TEM明场像。（b）是（a）中圆圈区域对应的SAED图像。（c）是（b）中黄色圆圈选择的衍射点的TEM暗场像。（d）是（b）中红色圆圈选择的衍射点的TEM暗场像，表明TB处存在ω相。

这项研究揭示了经受极端变形的纯BCC铌中相变介导的变形孪晶的原子机制。基于BCC（β）、ω、正交马氏体（α"）相介导的多晶型转变，提出了三种不同的孪生路径，没有经典孪晶剪切的参与。不完全转变通常会导致界面上的残留界面相TBs，它是离散孪晶增厚的重要前体，背离了经典的孪晶行为。大块BCC样品的这些孪晶动力学不仅很好地融合了文献中报道的不同BCC金属和合金中的几种不常见的孪晶动力学，而且有利于开发高性能BCC材料。(文：早早)