通常认为，粗晶TiNi合金中热诱发马氏体中亚结构以孪晶为主，包括〈011HI型孪晶、{011}I型孪晶、{11了}I型孪晶、{111}I型孪晶、(001)复合孪晶等[36]。根据晶体学表象理论，马氏体相变过程中前三种孪晶可以作为点阵不变切变，其中〈011〉II型孪晶与{11了丨I型孪晶是常见的孪晶模式[37，38]。其余的孪晶作为点阵不变切变则不存在晶体学表象理论上的解。大量透射电子显微观察表明[37，39，4Q]，(Oil)II型孪晶与{11了丨I型孪晶片层的厚度约为30~100nm。当晶粒尺寸减小到纳米量级后，上述两种孪晶的尺寸与晶粒尺寸相当。此时，晶界不可避免地限制自协作马氏体的形成，从而改变纳米晶粒内部马氏体的亚结构。
如果纳米晶TiNi合金的晶粒尺寸小于50nm，则晶粒中观察不到马氏体的典型特征。图4-12所示为纳米晶Ti5Q.3Ni49.7合金中马氏体的典型形貌[41]。其中图4-12⑷中晶粒尺寸约为50nm，马氏体呈现单变体的特征;图4-12(b)中晶粒尺寸约为 lOOnm,交替排列的马氏体变体呈人字形特征。在粗晶合金中，仅 在 Ti5QNi25Cu25 薄带中观察到B 1 9 马氏体呈单变体的特征[42，43]。选区电子衍射结果表明，纳米晶 Ti50.3Ni49.7合金中马氏体变体内部与变体之间的晶体学关系均为(001)复合孪晶，如 图 4-13所示[11】。图 4-13中拉长的衍射斑表明孪晶宽度非常小。孪晶的宽度可以通过高分辨透射电子显微像来估计，如 图 4-14所示[11]。(001)复合孪晶的最小宽度为四个(002)B19,晶面间距约为 .9nm。更多的数据表明，纳 米 晶 TiNi合金中孪晶宽度在数个纳米之间。
早期研宄表明，热诱发的(001)复合孪晶存在于时效态Ti49Ni51合金[44]、富Ti的TiNi合金薄膜[45]或部分三元TiNi基合金，如?8%，原子分数)合金Ti50Ni4oAu10合金[47]、Ti36,5NU8.5Hf15合金[48]以及丁丨52_种4必,(=1%~20%，原子分数)合金[49]。(001)复合孪晶被认为是马氏体相变过程中弹性交互作用的产物[36]。(001)复合孪晶仅是上述合金马氏体中内部缺陷的一种，其他孪晶可以作为点阵不变切变。然而，迄今为止，纳米晶TiNi合金在热诱发马氏体相变过程中仅形成了(001)复合孪晶。
这意味着在相变过程中(001)复合孪晶的形成补偿了从高对称性的B2母相转变到低对称性的B19'马氏体相的相变应变。根据马氏体相变经典理论，相变过程中母相与马氏体相之间的不变惯习面是必不可少的。在粗晶TiNi合金中，〈011〉II型孪晶与丨11了丨I型孪晶在此惯习面处能量最小[5<)]。
对于纳米晶TiNi合金而言，(001)复合孪晶并不能提供此惯习面，这意味着在纳米晶TiNi合金中，不变惯习面并不是不可或缺的。从马氏体相变热力学角度分析，晶粒尺寸减小会增加单位相变体积的表面应变能，导致马氏体内部孪晶尺寸减小。然而这会增大孪晶的界面能，反过来阻碍孪晶变细小[51]。Waitz等利用基于密度泛函理论的第一性原理计算了纳米晶中(001)复合孪晶与粗晶中{111}I型孪晶的界面能，发现前者约为14mJ/m2,远远小于后者(187mJ/m2)[52]。图4-15为计算所用的(001)复合孪晶模型[52]。如此低的界面能有利于在纳米晶合金中形成原子尺度上的率生。进一步考虑纳米晶合金中的界面能与应变能也可以获得类似的结论。..图4-16(a)与(b)所示为纳米晶Ti5Q.3Ni49.7合金中层片状孪晶的透射电子显微像[531。合金中的晶粒尺寸约为150nm。两种不同的孪晶变体形成层片状的显微组织，层片的平均厚度约为20nm。在图4-16(a)中，变体间界面平直，并且彼此平行;在图4-16(b)中，变体间界面曲折，如图中虚线所示。
变体间界面共格，并且纳米孪晶具有相同的宽度，意味着马氏体中变体是以相互协作的方式长大的。图4-16(C)所示为图4-16(a)中变体界面的高分辨透射电子显微像，如图中箭头所示[53]。孪晶面(001)mU与(001)之间的夹角为125°±1°。变体界面对应于B2母相的(110)。面，由平行于01l)ml||(11l)m3,与(11l)ml,||(Tll)m3并且交替排列的段组成。图4-16(d)所示为变体(1：1')与(3：3')之间的界面[53],由分别近似平行于(001)ml,(OOIUy并且交替排列的段组成。孪晶面(OOlkApOlkr之间的夹角为115°±1°。上述观察中，仅在图4-16(d)中观察到非常小的晶格应变，并未观察到位错。
利用相变的几何非线性理论进一步分析(001)复合孪晶变体的不变界面、不变平面以及变体的协作程度，结合图4-16的显微组织观察[53]，发现尽管单独的(001)复合孪晶作为点阵不变切变不存在晶体学表象理论上的解，但是如果马氏体由两个复合孪晶组成，则存在可能解，表明(001)复合孪晶如果组成人字形形貌，则惯习面可作为不变平面来补偿相变应变。对于呈现单变体形貌的马氏体来说，上述解释不成立。在这方面，可以考虑从原子尺度开展更深层次的研宄工作。
晶粒尺寸显著影响纳米晶TiNi合金中马氏体的形貌特征。Waitz等利用有限元模拟分析了不同形貌特征马氏体的相变势垒[41]。他们将三维的纳米晶粒简化为二维圆盘状进行有限元建模，如图4-17所示。其中BCV表示贝氏对应变体，模型共使用了6对BCV,不同的阴影表示不同的变体。BCV1与BCV1'形成变体VI,BCV3与BCV3'形成变体V2。孪晶界与结合面均垂直于[llT]B2。当前模型由三组马氏体变体组成，中间一组变体与相邻变体相交于一界面，它们之间的角度为125°。Waitz等利用上述模型计算了相变势垒与晶粒尺寸、中央变体的含量以及孪晶的相对宽度之间的关系，如图4-18所示[41]。当中央变体宽度(5)为0时，马氏体表现为单变体形貌。可见，当晶粒尺寸为50nm时，形成马氏体单变体所需要的能量最小;当晶粒尺寸为lOOnm时，马氏体形成中央变体含量为0.3(所<5=0.3)的人字形形貌所需要的能量最小。当晶粒尺寸小于70nm时,形成单变体的相变势垒要小于形成人字形变体的数值。应变能密度的计算也表明，当晶粒尺寸为lOOnm时，人字形变体可以通过不同变体的自协作有效降低界面处的应变能集中。