原位透射電鏡揭示體心立方鐵中變形孿晶調製塑性變形的強尺寸效應

隨着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性能研究，探究它們的微觀變形機制很有必要。

與位錯滑移相比，孿生是一種典型的具有位移特性的應變能弛豫方式，由此也產生了不少有趣的現象，比如：超塑性和僞彈性。

在密排六方金屬（HCP）、面心立方金屬（FCC）中變形孿生機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，但其起源和時空特徵一直不太清楚。理論上已經有人預測，位錯和孿晶的相互作用機制是受材料尺度影響的。

近日，武漢大學研究人員利用透射電鏡原位拉伸實驗，報道了體心立方金屬鐵納米線中，尺寸效應對孿生行爲和孿晶界-位錯相互作用機制的調節作用。他們發現，鐵納米線存在一個臨界直徑(d)--大約2.5 nm，在小於這個尺度時，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。

比如在拉伸直徑約爲9 nm的鐵納米線時，最初階段納米線會經歷彈性變形，隨後有孿晶形核長大逐步擴展到整個納米線。

此外，對直徑小於17 nm和直徑大於17 nm的鐵納米線的原位研究，他們還發現了兩種不同的孿晶相關變形機制，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果，後者是孿晶和孿晶相互作用的結果。進一步的分子動力學和靜力學模擬揭示了尺寸依賴塑性變形的基本機制，這在以前的實驗研究中很大程度上被忽視了。

該研究結果強調了晶粒尺寸在調節納米尺度鐵變形行爲中的重要性，爲探索具有最佳力學性能的單晶和多晶鐵基材料(如鋼)提供了可能的指導。

相關研究成果以“Strong size effect on deformation twin-mediated plasticity in body-centered-cubic iron”爲題發表在《Journal of Materials Science & Technology》上。武漢大學趙立功和陳國旭佳爲論文的共同第一作者，王建波教授、鄭赫教授爲論文的通訊作者。

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）全位錯調製的塑性變形機制研究

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

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

Twinning and detwinning processes of Fe NW

Fig. 3 孿生調製的晶格重新定向

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爲研究對象，系統研究了拉伸作用下不同尺寸對鐵納米線拉伸塑性變形機制的影響。他們發現存在一個臨界尺寸（d~2.5 nm），在特別小的尺寸下（d < 2.5 nm），位錯滑移占主導地位，而在這個臨界尺寸以上（2.5 nm-35 nm）,變形孿生機制在鐵納米線的塑性變形中占主導地位。此外尺寸從d < 17 nm增加到d > 17 nm時，拉伸作用下孿生納米線會經歷孿晶重新定向（re- orientation）--孿晶界斷裂（TB cracking）的變化。進一步的模擬和理論分析揭示了尺寸效應對變形機制影響的起源。該工作爲納米尺度體心立方（BCC）金屬的變形機制研究提供了原子尺度證據，爲鐵基材料的強度、延展性優化等提供了參考。

本項研究中利用澤攸科技（ZEPTOOLS）的PicoFemto®系列原位TEM-STM樣品杆搭建了原位測試環境。

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