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隨著器件尺度的小型化和高度集成化，對納米尺度鐵基金屬材料的力學(xué)性能研究，探究它們的微觀變形機(jī)制很有必要。與位錯滑移相比，孿生是一種典型的具有位移特性的應(yīng)變能弛豫方式，由此也產(chǎn)生了不少有趣的現(xiàn)象，比如：超塑性和偽彈性。在密排六方金屬（HCP）、面心立方金屬（FCC）中變形孿生機(jī)制被研究的很充分了，但是體心立方金屬的變形孿生研究就相對較少，其中的一些微觀變形機(jī)制尚且模棱兩可。

變形孿生是納米尺度體心立方(Body-Centered Cubic, BCC)金屬塑性耗散過程的一種重要模式，但其起源和時(shí)空特征一直不太清楚。理論上已經(jīng)有人預(yù)測，位錯和孿晶的相互作用機(jī)制是受材料尺度影響的。近日，武漢大學(xué)研究人員利用透射電鏡原位拉伸實(shí)驗(yàn)，報(bào)道了體心立方金屬鐵納米線中，尺寸效應(yīng)對孿生行為和孿晶界-位錯相互作用機(jī)制的調(diào)節(jié)作用。他們發(fā)現(xiàn)，鐵納米線存在一個臨界直徑(d)--大約2.5 nm，在小于這個尺度時(shí)，塑性變形的主要載體是位錯滑移，超過這個臨界直徑，塑性主要由變形孿晶而不是位錯滑移決定。比如在拉伸直徑約為9 nm的鐵納米線時(shí)，初始階段納米線會經(jīng)歷彈性變形，隨后有孿晶形核長大逐步擴(kuò)展到整個納米線。此外，對直徑小于17 nm和直徑大于17 nm的鐵納米線的原位研究，他們還發(fā)現(xiàn)了兩種不同的孿晶相關(guān)變形機(jī)制，包括孿晶變體重新定向（twin variant re-orientation）和孿晶界斷裂（TB cracking），前者是孿晶和位錯的交互作用結(jié)果，后者是孿晶和孿晶相互作用的結(jié)果。進(jìn)一步的分子動力學(xué)和靜力學(xué)模擬揭示了尺寸依賴塑性變形的基本機(jī)制，這在以前的實(shí)驗(yàn)研究中很大程度上被忽視了。該研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了晶粒尺寸在調(diào)節(jié)納米尺度鐵變形行為中的重要性，為探索具有力學(xué)性能的單晶和多晶鐵基材料(如鋼)提供了可能的指導(dǎo)。

相關(guān)研究成果以“Strong size effect on deformation twin-mediated plasticity in body-centered-cubic iron”為題發(fā)表在《Journal of Materials Science & Technology》上。武漢大學(xué)趙立功和陳國旭佳為論文的共同作者，王建波教授、鄭赫教授為論文的通訊作者。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S100503022200857X?via%3Dihub

Fig. 1超小尺度鐵納米線（d < 2.5 nm）全位錯調(diào)制的塑性變形機(jī)制研究

Full dislocation-mediated plastic deformation in ultrasmall-sized Fe NW

Fig. 2 1/12<111>部分位錯調(diào)制的孿生（Twinning）和去孿生（Detwinning）過程觀察

Twinning and detwinning processes of Fe NW

Fig. 3 孿生調(diào)制的晶格重新定向

Twinning-mediated lattice re-orientation in Fe NW (d ~9 nm)

Fig. 4 稍大尺寸鐵納米線（d~18 nm）孿晶界處的斷裂研究

TB cracking in Fe NW (d ~18 nm)

在該研究成果中：研究人員以小尺度的鐵納米線作為研究對象，系統(tǒng)研究了拉伸作用下不同尺寸對鐵納米線拉伸塑性變形機(jī)制的影響。他們發(fā)現(xiàn)存在一個臨界尺寸（d~2.5 nm），在特別小的尺寸下（d < 2.5 nm），位錯滑移占主要地位，而在這個臨界尺寸以上（2.5 nm-35 nm）,變形孿生機(jī)制在鐵納米線的塑性變形中占主要地位。此外尺寸從d < 17 nm增加到d > 17 nm時(shí)，拉伸作用下孿生納米線會經(jīng)歷孿晶重新定向（re- orientation）--孿晶界斷裂（TB cracking）的變化。進(jìn)一步的模擬和理論分析揭示了尺寸效應(yīng)對變形機(jī)制影響的起源。該工作為納米尺度體心立方（BCC）金屬的變形機(jī)制研究提供了原子尺度證據(jù)，為鐵基材料的強(qiáng)度、延展性優(yōu)化等提供了參考。

圖 本項(xiàng)研究中利用澤攸科技（ZEPTOOLS）的PicoFemto?系列原位TEM-STM樣品桿搭建了原位測試環(huán)境。

圖 實(shí)驗(yàn)方法