體心立方（bcc）結構的金屬和合金被人類廣泛地應用在生產和生活當中。它們最主要的優點是在很寬的溫度范圍內和很大的應變狀態下都表現出很高的強度，因此體心立方金屬的變形行為一直以來都是物理學家和材料學家所關注的問題。但是體心立方金屬的微觀變形機制比較復雜，到目前為止人們對它的了解還很不透徹。金屬的塑性變形通常是由位錯主導的，此外也有孿晶的變形方式。在某些合金（例如相變致塑(TRIP)鋼和形狀記憶合金）中，應力誘發相變也是一種有效的變形方式，但是到目前為止還沒有實驗能夠闡明體心立方金屬在外力作用下通過相變進行塑性變形的機制。特別是純鉬(Mo)，它在熔點以下只具有體心立方結構，實驗上還沒有發現它存在其它的晶體結構形式。因此，類似Mo這樣的單質金屬是否會在塑性變形時發生結構相變也是科研人員所關注的一個問題。
最近，金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室固體原子像研究部杜奎研究小組與鈦合金研究部王皞副研究員等科研人員合作，通過原位透射電鏡觀察和定量應變分析，結合分子動力學計算，揭示了金屬Mo在應力加載下由<001>取向的bcc晶粒通過面心立方結構（fcc）的中間相轉變到<111>取向的bcc晶粒，實現了15.4%的拉伸應變。這一研究揭示了單質金屬在高應力條件下的應力誘發相變變形機制。
研究表明，原位拉伸加載時，在純Mo中裂紋尖端處發生了bcc1 fcc bcc2的相變，部分<001>bcc取向的晶粒(bcc1)通過fcc中間相轉變到<111>bcc取向(bcc2)，相當于晶格轉動了54.7 。在拉伸應力卸載后，部分bcc2晶粒和fcc相逆轉變回原始的bcc1晶粒。通過定量電子顯微學分析，探測到拉伸應力加載時裂紋尖端的局部剪切應力達到約 8GPa，正是由于如此大的局部應力才驅動了bcc1 fcc的結構相變。這說明了即使是bcc結構非常穩定的難熔金屬Mo，當內部產生局部應力集中，而其它變形方式又受到抑制時，也會產生結構相變。在塑性變形時，應力誘發相變可以部分地釋放材料內部的應力集中，從而協調材料的變形，阻止微裂紋的萌生和擴展，最終為改善體心立方金屬的塑性做出貢獻。此外，bcc1 fcc bcc2相變所對應的54.7 晶格轉動也為金屬變形時的晶粒扭轉提供了一條新途徑。
該研究得到了國家自然科學基金、科技部973計劃項目的資助。
相關論文已于3月7日在線發表于《自然-通訊》上（Nature Communications 5:3433 (2014), DOI: 10.1038/ncomms4433）。
圖1 純Mo裂紋尖端的三種不同的晶體結構或取向。高分辨掃描透射電子顯微像中，藍色、紅色和綠色的圓點分別標示出<001>-bcc1、<110>-fcc和<111>-bcc2取向的原子
圖2 純Mo裂紋尖端晶體結構轉變過程的分子動力學模擬結果
圖3 應力卸載后裂紋尖端的晶體結構變化和定量應變分析。藍色、紅色和綠色圓點標記了bcc1 、fcc和bcc2相的原子。LADIA應變分析顯示了伴隨逆相變的應力釋放
