中科院金屬所發(fā)現(xiàn)一種新型的孿晶生長機制

孿晶可以賦予納米晶體材料有益的機械、物理和化學性質?，F(xiàn)有文獻表明，Mn23Th6型面心立方（FCC）結構晶體適合開展納米材料中孿生機制的研究，但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(fā)現(xiàn)，在Zr-Nb-Fe合金中，六方密排（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(jù)FCC立方體的一個角或面心，其晶格常數(shù)可達1.24 nm。

該科研團隊首先通過對Zr-Nb-Fe合金板材進行反復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，然后借助HRTEM在原子尺度下對孿晶/基體界面處孿生過渡形態(tài)進行觀察，發(fā)現(xiàn)了該類晶體孿生是由一種新型的零凈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(xù)的{111}平面上逐層發(fā)射1/6 <112> Shockley不全位錯來完成成核和生長的。然而該研究結果表明，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著晶向發(fā)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(chǎn)生孿晶。在剪切變形過程中，局部區(qū)域會形成納米級塑性區(qū)，并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(tài)下，上述塑性區(qū)的應變能在晶向移動，足以滿足該方向上的持續(xù)孿生變形，并且孿生變形后，無凈應變殘留。

該研究觀察到的孿生機制是否可以擴展到常見的純FCC金屬，需要在未來通過試驗和模擬計算來驗證。此外還發(fā)現(xiàn)，只有當單軸壓縮下最大剪切應力直接施加在晶體的(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。該研究結果不僅拓展了人們對于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，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試驗基礎。