體心立方（BCC）金屬具有不穩定的本征堆垛層錯和對形變孿晶的高抵抗力，常引發復雜的孿晶動力學，這在經典孿晶理論中是無法完全理解的。在此項工作中，浙江大學等單位的研究人員揭示了極端變形純鈮（Nb）中相變和變形孿晶之間的內在耦合。BCC（β）、ω、正交馬氏體（α"）相之間混洗介導的多晶型轉變誘導三種不同的孿晶路徑，不涉及經典孿晶剪切。TB上的殘余界面相（主要是ω相）有助于降低轉化勢壘并作為離散孿晶增厚的重要前體，很好地結合了文獻中在BCC金屬和合金中通過實驗觀察到的幾種不常見的孿晶動力學。這些發現不僅促進了對一大類BCC金屬和合金中罕見孿晶行為起源的理解，而且有利于高性能BCC材料的開發。

形變孿晶是結晶固態金屬中重要的塑性載體，與位錯滑移和相變等其他形變模式競爭，控制金屬和合金在不同長度尺度上的力學性能和塑性，大量研究揭示了孿生機制及其與不同材料中其他變形模式的競爭和轉變。在常見變形條件，例如低應變率和室溫下，面心立方（FCC）金屬具有相對較高的孿晶傾向，且與孿晶部分的連續滑移密切相關。而在體心立方（BCC）金屬中，缺乏穩定的本征堆垛層錯導致孿晶成核的超高勢壘，使得變形孿晶主要發生在低溫和高應變率的極端條件下，并顯示出一些與FCC變形孿晶明顯不同的行為。實驗表明，不同BCC金屬中的形變孿晶通常表現出3n層厚度（n為整數）和階梯孿晶邊界(TBs)的行為，階梯高度遠大于單個孿晶錯位。有些理論研究還報道了由BCC金屬中不常見的1/12<111>、1/3<111>和1/4<111>部分滑移引起的變形孿晶。考慮到這些復雜性，BCC金屬中的變形孿晶是否通過完全背離經典孿晶理論的某些機制形成是值得探究的。

孿晶成核的難度會增加孿晶與其他塑性模式之間的強烈競爭，從而引發復雜的孿晶動力學。BCC金屬和合金傾向于通過相變發生變形，其中ω和α"馬氏體相變已被廣泛報道，尤其是在β-Ti合金中。這些相變與{112}<11>β和{332}<11>β變形孿晶密切相關，其中亞穩相既可以存在于孿晶內部，也可以存在于孿晶表面。在純BCC金屬中，如Ta、Mo和Nb，極端條件下增強的流動應力也可以通過1/12<111>類型的位移刺激亞穩態ω相變。從晶體學的角度來看，馬氏體相變路徑與形變孿晶基本相似，兩者都涉及形變晶格內的原子剪切/混洗。但變形孿晶與BCC金屬和合金中相變之間的關系仍存在很大爭議。

此項工作揭示了經受低溫（LT）壓縮和室溫（RT）沖擊極端變形作用下，BCC鈮（Nb）中相變（PT）介導的變形孿晶的原子機制。基于實驗觀察和理論計算，通過BCC（β）、ω（ω）、正交馬氏體（α"）結構之間的多晶型PT，確定了三種不同的孿生路徑，與BCC金屬的經典孿晶剪切形成鮮明對比。這種PT誘導變形孿晶的一個重要特征是中間相的不完全轉變，導致在高應力集中的TB處殘留界面相，多為ω相。這些發現在原子水平上為PT介導的變形孿晶提供了見解，并推進了對BCC變形孿晶的理解。

圖1 ω介導變形孿晶。（a）高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像顯示沿（110）處的過渡ω相區域，由插圖相應的FFT模式確認。（b）對應于（a）中的盒裝區域（b）的雙尖端的放大HRTEM圖像，顯示過渡ω相區域作為非孿晶βM和孿晶βT之間的中間結構。（c）βM、ω和βT相的晶胞，以及相應的FFT模式。（d）顯示過渡三角ωTran和六角ω相的原子尺度HRTEM圖像。下圖給為原子柱沿水平方向的相應強度分布，揭示了β→ ω相變過程中的連續躍遷過程。

圖2 ω介導的形變孿生的早期成核階段（1—13）β區軸。（a）與βT耦合的ω相，由（b）相應的SAED模式確認。（c）放大的HRTEM圖像顯示ω相內的βT相。比例尺：（a）50nm和（c）5nm。

圖3 α"和ω共同介導變形孿晶。（a）HRTEM圖像，顯示中間α"和ω相沿（110）排列在孿生尖端前，由插圖FFT模式確認。（b）對應于（a）中的方框區域（b）的雙尖端的局部原子結構。（c）βM、α"和ω相之間的晶格對應。（d）ω和α"共同介導的變形孿晶成核前的證據。α"相存在于ω相尖端，βT相沒有出現在ω相末端。

圖4 α"孿晶（α"T）介導的形變孿晶。（a）主要由α"T和少量βT相組成的形變帶，由α"T衍射點選擇的暗場TEM圖像。（b）HRTEM圖像，顯示α"T變形帶內的βT，形成{112}<111>變形帶外與βM的孿生關系。（c）對應于（b）中方框區域（c）的原子級過濾HRTEM圖像，顯示βT和α"T之間的晶格對應關系。黃線表示βT/α"T界面。（d）βM、α"T和βT相之間的晶格對應，及其相應的FFT模式。

圖5 α"M和α"T共存。（a）α"M內的α"T，由[111]β//[110]α"區域軸下的SAED圖像確認。（b，c）α"M和α"T的HRTEM圖像與相應的SAED圖案。

圖6三種PT介導的變形孿晶途徑的示意圖。涉及（a）βM→ω→βT和（b）βM→α"→ω→βT的純原子重組。（c）βM→α"M→α"T→βT孿生路徑均涉及原子剪切和重組，投影視圖是沿[110]β區軸。β、ω和α"相的基序分別用黑色、紅色和藍色線表示，β、ω和α"相的原子分別用灰色、紅色和藍或白色表示。黃色和藍色箭頭分別表示轉換所需的原子洗牌和剪切位移。（d）β、ω和α"相之間的三維晶格對應關系。

圖7（a）經典孿晶和（b-d）三種PT介導的變形孿晶的平均原子能量。

圖8 TB的典型原子配置。（a）HRTEM圖像，顯示TB處的界面ω結構，由ω Tran和ω相組成。觀測方向沿[110]β區軸。ω Tran/β T界面上出現一個3層臺階。（b）TB的厚度分布呈現3n層的特征（n為正整數）。LT-C：低溫壓縮；RT-S：室溫沖擊。（c）ω Tran/β T界面以ω→β轉換的方式通過3層臺階的運動實現雙增厚。

圖9 TB處的界面ω相。（a）孿晶結構的TEM明場像。（b）是（a）中圓圈區域對應的SAED圖像。（c）是（b）中黃色圓圈選擇的衍射點的TEM暗場像。（d）是（b）中紅色圓圈選擇的衍射點的TEM暗場像，表明TB處存在ω相。

這項研究揭示了經受極端變形的純BCC鈮中相變介導的變形孿晶的原子機制。基于BCC（β）、ω、正交馬氏體（α"）相介導的多晶型轉變，提出了三種不同的孿生路徑，沒有經典孿晶剪切的參與。不完全轉變通常會導致界面上的殘留界面相TBs，它是離散孿晶增厚的重要前體，背離了經典的孿晶行為。大塊BCC樣品的這些孿晶動力學不僅很好地融合了文獻中報道的不同BCC金屬和合金中的幾種不常見的孿晶動力學，而且有利于開發高性能BCC材料。(文：早早)