微纳尺寸的体心立方结构金属因其优异的力学性能而被广泛应用于结构材料中。然而,对其变形机制的理解,以及其还非常依赖于理论研究,且其裂纹尖端的塑性变形缺乏系统性的论述与归类,因此需要更多科研工作来补充相关理论。原位透射电子显微镜手段可以实现在外场条件下(如外加载荷、温度)对材料微观结构的实时表征。相比于需要控制多次变量的离位实验,原位透射电镜实验更加的高效,可以在一次实验中控制变量;并能揭示原子尺度的微结构演变信息,提供更直观的实验依据,因此原位透射电镜实验被广泛应用于研究材料塑性变形的微观机制中。本文的工作主要基于原位纳米力学实验平台技术,依托透射电镜,对单晶体心立方金属铌进行了原位拉伸实验。研究了裂纹扩展过程的微观缺陷运动规律以及晶体结构变化规律。揭示了体心立方金属的塑性变形机制。为更好的理解和利用体心立方金属的塑性性能提供了基础实验数据。论文主要创新点如下:(1)利用聚焦离子束切割加工技术制备了铌的透射电镜样品,结合双金属片拉伸装置和透射电子显微镜,实现了透射电镜下的原位拉伸实验;发现了单晶体心立方金属铌的裂纹尖端位错环增殖现象以及弧形位错运动现象,提出了相应的位错模型进行解释,为前人的MD模拟提供了基础实验数据并加以补充;(2)结合高分辨透射电镜技术和原位拉伸技术对单晶体心立方金属铌的裂纹尖端处的变形过程进行原子尺度的原位表征;发现了裂纹尖端处应力诱发的几种塑性变形方式,即位错、相变、材料多晶化,揭示了在接近室温下裂纹尖端的塑性变形是多种塑性变形机制共同作用的过程;(3)通过原子尺度下的原位研究,发现了体心立方金属铌裂纹尖端可以出现2种结构变化路径:1)应力诱发体心立方结构向面心立方结构相变;2)相变诱发晶格取向变化。对于应力诱发的相变,本文揭示了在温度、残余应力、材料厚度等因素下亚稳态面心立方铌能稳定存在;对于相变诱发晶格取向变化现象,本文提出了一种新的相变路径导致使晶格取向变化,发现了单晶体心立方材料中晶格取向变化可以提高材料断裂韧性至2倍以上。