Zr705合金中α/β相界迁移诱导的HCP→FCC相变机制及其原子尺度研究

本研究通过透射电镜（TEM）观察，揭示了Zr705合金中α/β相界迁移如何促进六方密堆（HCP）向面心立方（FCC）相变。研究发现相界迁移通过解离失配位错提供FCC相形核所需的部分位错源，并证实12R中间结构是实现相变的关键路径。该成果为IVB族金属及合金的相变机制提供了新见解。

　　

在金属材料领域，相变行为直接影响材料的力学性能和工业应用。以锆合金为代表的IVB族金属（如Zr、Ti、Hf）因其优异的耐腐蚀性和中子吸收能力，广泛应用于核反应堆和航空航天领域。这些合金通常具有六方密堆（Hexagonal Close-Packed, HCP）和体心立方（Body-Centered Cubic, BCC）双相结构，而α（HCP）/β（BCC）相界的动态行为长期以来被认为是调控相变的关键因素。然而，关于相界迁移如何诱发HCP向面心立方（Face-Centered Cubic, FCC）相变的原子尺度机制仍不明确，这限制了高性能锆合金的设计开发。

针对这一科学问题，来自中国的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表了突破性研究成果。通过先进的透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）技术，首次在Zr705合金中捕捉到α/β相界迁移诱导的HCP→FCC相变全过程。研究发现，相界迁移产生的机械拖曳力（mechanical drag force）能促进界面失配位错的解离，这些解离产生的Shockley部分位错（a/6<112>型）成为FCC相形核的核心载体。更引人注目的是，原子尺度分析揭示了12R堆垛层错（12-layer periodic arrangement）作为HCP→FCC转变的必经中间态，这一发现为理解结构相变的晶体学路径提供了直接证据。

研究采用三项关键技术：1）聚焦离子束（Focused Ion Beam, FIB）制备原子级平整的TEM样品；2）高分辨透射电镜（HRTEM）结合几何相位分析（GPA）定量表征应变场；3）分子动力学模拟验证位错反应路径。

主要研究结果

1. 相界迁移驱动位错重组：α/β相界在热力学驱动下迁移时，界面失配位错分解为可滑动的Shockley部分位错，这种分解显著降低了FCC相形核能垒。

2. 机械拖曳力的关键作用：相界迁移产生的应力场（约1.5 GPa）激活了基面位错向FCC结构特征位错的转变。

3. 12R中间态的证实：原子成像显示HCP（ABAB堆垛）通过局部引入堆垛层错逐步转变为ABCABC堆垛的FCC结构，其间存在12R（ABACABACABAC）过渡相。

这项研究不仅阐明了IVB族金属中非典型FCC相的形成机制，更重要的是提出了"相界工程"这一全新合金设计策略——通过调控相界迁移动力学可定向诱导特定相变。该发现对开发具有可控相组成的先进锆合金（如核燃料包壳材料）具有重要指导意义。研究团队特别指出，α/β相界作为"位错反应器"的功能可能普遍存在于双相合金体系，这为多相材料的界面设计开辟了新思路。