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在不同的晶體結構中，例如六方密排（HCP）、體心立方（BCC）和面心立方（FCC）結構，孿生變形都曾被廣泛觀察和報道過。孿晶的形成通常被認為是晶體結構形成過程中原子的錯排或材料在應變過程中不全位錯發生滑動引起。研究表明，孿晶可以賦予納米多晶材料或者納米單晶材料（包括納米顆粒和納米線）有益的機械、物理和化學性質。

在納米晶體材料中引入孿晶的一種重要方法是通過施加各種形式的外力使得材料發生塑性變形。為了理解納米材料的變形機制，高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）內的原位兼/或實時納米力學測試法得到快速發展，並已廣泛應用於觀察原子尺度的孿生變形過程。雖然相關實驗結果為理解孿晶生長機制提供了微觀直接證據，但是該方法仍然具有一定的局限性，這是因為材料內部應變很容易通過小尺寸樣品的表面釋放，而且孿生時位錯向前移動一個或部分原子間間距（在純金屬中一般為幾個埃）相當快速，這些都使得在加載時原位兼/或實時觀察原子尺度的孿生漸進過程變得困難。

想要理解納米材料中孿生機制，需要捕捉其孿生過渡形態的特徵，這就要求選取一種比普通純金屬大得多的晶胞的納米結構作為研究對象，藉助其更大晶面間距可增加孿生變形行程的優勢，達到同等應力條件下延長孿生變形時間的目的，從而便於觀察晶體的整個孿生過程。現有文獻結果表明， Mn23Th6 型 FCC 結構晶體是開展上述研究的不二選擇，這是因為它們具有大的晶胞，晶格常數和晶胞體積分別約為普通純FCC金屬（比如Pt, Cu和Al等）的~3倍和~27倍。此類晶體的特徵是每個晶胞有 116 個原子，其中較大原子連接形成一個八面體Motif，再由中等大小原子互連，共同形成一個FCC 結構。然而由於此類晶體材料的合成十分困難，目前為止一直未見相關的研究報道。

中國科學院金屬研究所和羅格斯新澤西州立大學的研究人員發現，在Zr-Nb-Fe 合金中，HCP 結構的 α-Zr 微米尺寸晶粒中會析出一種具有 Mn23Th6 型 FCC 結構的單晶 (Fe, Nb)23Zr6納米顆粒。在此類FCC結構晶體中，由Fe或Nb原子連接Zr八面體占據FCC立方體的一個角或面心，其晶格常數可達1.24 nm。由於這些(Fe,Nb)23Zr6 納米顆粒嵌於α-Zr 微米晶粒內，且被α-Zr 原子「海」限制，因此可以預見在外加載荷作用下，上述納米顆粒內部會產較大的應力，並且誘發的應變也不會輕易地通過納米顆粒表面釋放。

該科研團隊人員首先通過對Zr-Nb-Fe 合金板材進行反覆多次的軋制和退火處理，成功獲得了大量孿生變形的(Fe,Nb)23Zr6納米顆粒，然後藉助HRTEM在原子尺度下對孿晶/基體界面處孿生過渡形態進行了觀察，發現了該類晶體孿生是由一種新型的零淨應變孿晶生長機制主導。通常在 FCC 結構晶體中，<112>{111} 孿生變形被認為是通過在連續的 {111} 平面上逐層發射 1/6 <112> Shockley 不全位錯來完成成核和生長的。然而本文研究結果表明，在......ABCABC.........周期性排列的（111）面序列中，兩個緊鄰的A和B位置的（111）面受局部剪應力偶作用沿着晶向發生剪切變形，就像多米諾效應一樣，而另一個C位置的（111）面則保持不動，以此產生孿晶。在剪切變形過程中，局部區域會形成納米級塑性區，並儲存部分剪切應變能量，這也是變形孿晶進一步生長需要克服的能量勢壘。理想狀態下，上述塑性區的應變能在晶向移動，足以滿足該方向上的持續孿生變形，並且孿生變形後，無淨應變殘留。

本研究觀察到的孿生機制是否可以擴展到常見的純 FCC 金屬，需要在未來通過實驗和模擬計算來驗證。此外，基於現有觀察結果，本文還給出了單軸壓縮條件下FCC 納米顆粒發生孿生變形所需的理想應力加載條件，即孿生的施密德因子應接近最大值0.5。換句話說，只有當單軸壓縮下最大剪切應力沿方向直接施加在晶體的 (111) 平面上，才能提供最大的剪應力偶，進而增加驅動孿生變形的可能性。該文的研究結果不僅拓展了人們對於FCC結構孿生變形機制的認知，而且提供了Mn23Th6型FCC晶體結構變形行為研究的一個新思路，這對未來探索Mn23Th6一族材料的物理和化學性質都奠定了一定的實驗基礎。

該研究第一作者為顧恆飛博士生，通訊作者為李閣平研究員，相關研究結果以題為「Deformation twinning in octahedron-based face-centered cubic metallic structures: localized shear-force dipoles driveatomic displacements」發表於Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.02.043

圖1. 以鋯八面體為Motif的Mn23Th6型大晶格FCC結構(Fe, Nb)23Zr6納米顆粒及其變形孿晶

圖2. Mn23Th6型大晶格FCC結構的孿生變形過渡態

圖3. Mn23Th6型大晶格FCC結構中的零淨應變孿生應變過程及過渡態中的塑性應變區

圖4. 一種新型局域剪切力偶驅動的零淨應變孿晶生長機制示意圖

圖5. 單軸壓縮條件下FCC 納米顆粒發生孿生變形所需的理想應力加載條件

本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。

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