中科院金属所发现一种新型的孪晶生长机制

孪晶可以赋予纳米晶体材料有益的机械、物理和化学性质。现有文献表明，Mn23Th6型面心立方（FCC）结构晶体适合开展纳米材料中孪生机制的研究，但此类晶体材料的合成十分困难，目前为止一直未见相关的研究报道。

中国科学院金属研究所和罗格斯新泽西州立大学的研究人员发现，在Zr-Nb-Fe合金中，六方密排（HCP）结构的α-Zr微米尺寸晶粒中会析出一种具有Mn23Th6型FCC结构的单晶(Fe, Nb)23Zr6纳米颗粒。在此类FCC结构晶体中，由Fe或Nb原子连接Zr八面体占据FCC立方体的一个角或面心，其晶格常数可达1.24 nm。

该科研团队首先通过对Zr-Nb-Fe合金板材进行反复多次的轧制和退火处理，成功获得了大量孪生变形的(Fe,Nb)23Zr6纳米颗粒，然后借助HRTEM在原子尺度下对孪晶/基体界面处孪生过渡形态进行观察，发现了该类晶体孪生是由一种新型的零净应变孪晶生长机制主导。通常在FCC结构晶体中，<112>{111}孪生变形被认为是通过在连续的{111}平面上逐层发射1/6 <112> Shockley不全位错来完成成核和生长的。然而该研究结果表明，在……ABCABC……周期性排列的（111）面序列中，两个紧邻的A和B位置的（111）面受局部剪应力偶作用沿着晶向发生剪切变形，就像多米诺效应一样，而另一个C位置的（111）面则保持不动，以此产生孪晶。在剪切变形过程中，局部区域会形成纳米级塑性区，并储存部分剪切应变能量，这也是变形孪晶进一步生长需要克服的能量势垒。理想状态下，上述塑性区的应变能在晶向移动，足以满足该方向上的持续孪生变形，并且孪生变形后，无净应变残留。

该研究观察到的孪生机制是否可以扩展到常见的纯FCC金属，需要在未来通过试验和模拟计算来验证。此外还发现，只有当单轴压缩下最大剪切应力直接施加在晶体的(111)平面上，才能提供最大的剪应力偶，进而增加驱动孪生变形的可能性。该研究结果不仅拓展了人们对于FCC结构孪生变形机制的认知，而且提供了Mn23Th6型FCC晶体结构变形行为研究的一个新思路，对未来探索Mn23Th6一族材料的物理和化学性质都奠定了一定的试验基础。