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体心立方金属中的形变诱发相变


体心立方(bcc)结构的金属和合金被人类广泛地应用在生产和生活当中。它们最主要的优点是在很宽的温度范围内和很大的应变状态下都表现 出很高的强度,因此体心立方金属的变形行为一直以来都是物理学家和材料学家所关注的问题。但是体心立方金属的微观变形机制比较复杂,到 目前为止人们对它的了解还很不透彻。金属的塑性变形通常是由位错主导的,此外也有孪晶的变形方式。在某些合金(例如TRIP钢和形状记忆合金 )中,应力诱发相变也是一种有效的变形方式,但是到目前为止还没有实验能够阐明体心立方金属在外力作用下通过相变进行塑性变形的机制。

通过原位透射电镜观察和定量应变分析,结合分子动力学计算,我们揭示了金属Mo在应力加载下由<001>取向的bcc晶粒通过面心立方结构 (fcc)的中间相转变到<111>取向的bcc晶粒,实现了15.4%的拉伸应变。这一研究揭示了单质金属在高应力条件下的应力诱发相变变形机制。通过定量电子显微学分析,探测到拉伸应力加载时裂纹尖端的局部剪切应力达到约8GPa,正是由于如此大的局部应力才驱动了bcc1→fcc的结构相变。 这说明了即使是bcc结构非常稳定的难熔金属Mo,当内部产生局部应力集中,也会产生结构相变。在塑性变形时,应力诱发相变可以部分地释放材料内部的应力集中,从而协调材料的变形,阻止微裂纹的萌生和扩展,最终为改善体心立方金属的塑性做出贡献。此外,bcc1→fcc→bcc2相变所对应的54.7o晶格转动也为金属变形时的晶粒扭转提供了一条新途径。(Nature Communications 5 (2014) 3433)。

Three structural variations in Mo and snapshots showing the structural transition during the molecular dynamics simulation. Atomic-resolution high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy image showing regions I, II and III with different crystal structures or orientations. Atoms are represented using different colours: blue for the original <001>-bcc1 region, red for the <110>-fcc region and green for the <111>-bcc2 region.

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