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（例如相变致塑(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。特别是纯钼(Mo)，它在熔点以下只具有体心立方结构，实验上还没有发现它存在其它的晶体结构形式。因此，类似Mo这样的单质金属是否会在塑性变形时发生结构相变也是科研人员所关注的一个问题。
　　最近，沈阳材料科学国家（联合）实验室固体原子像研究部杜奎研究小组与钛合金研究部王皞副研究员等科研人员合作，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，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。
　　研究表明，原位拉伸加载时，在纯Mo中裂纹尖端处发生了bcc1→fcc→bcc2的相变，部分<001>_bcc取向的晶粒(bcc1)通过fcc中间相转变到<111>_bcc取向(bcc2)，相当于晶格转动了54.7°。在拉伸应力卸载后，部分bcc2晶粒和fcc相逆转变回原始的bcc1晶粒。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，而其它变形方式又受到抑制时，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54.7°晶格转动也为金属变形时的晶粒扭转提供了一条新途径。
　　该研究得到了国家自然科学基金、科技部973计划项目的资助。
　　相关论文已于3月7日在线发表于《自然-通讯》上（Nature Communications 5:3433 (2014), DOI: 10.1038/ncomms4433）。
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图1　纯Mo裂纹尖端的三种不同的晶体结构或取向。高分辨扫描透射电子显微像中，蓝色、红色和绿色的圆点分别标示出<001>-bcc1、<110>-fcc和<111>-bcc2取向的原子

图2　纯Mo裂纹尖端晶体结构转变过程的分子动力学模拟结果

图3　应力卸载后裂纹尖端的晶体结构变化和定量应变分析。蓝色、红色和绿色圆点标记了bcc1 、fcc和bcc2相的原子。LADIA应变分析显示了伴随逆相变的应力释放