西安交大重磅：金属镁变形塑性恢复及内在机制取得重大进展

导读：镁是最轻的结构金属，当沿其结晶c轴(镁的“硬”取向)压缩时，通常表现出有限的可塑性。本文报道了亚微米镁单晶在c轴压缩中通过双阶段变形获得的大塑性。当塑性流动逐渐将镁晶体应变硬化到千兆帕斯卡水平时，此时位错介导的塑性几乎耗尽，样品立即变成饼而没有断裂，伴随着初始单晶转化为大致共享一个共同的旋转轴。新晶粒可以通过锥体向基面的转变而形成。我们将这种晶粒形成归类为“变形晶粒”。新晶粒的形成使大量位错滑移和变形孪晶恢复活力，从而产生大的塑性应变。

众所周知，金属材料在塑性变形时一般会发生加工硬化现象，即随着变形量的增加，材料内部缺陷和损伤逐步累积，流变应力不断增加。当硬化到一定程度时，材料将不具备继续塑性变形的能力，最终发生断裂。对于金属镁而言，其沿晶体学

轴压缩时加工硬化十分明显，塑性变形量一般仅在5%-10%左右。

近年来，轻质镁及其合金因其在节能减排方面的潜在应用而备受关注。就机械性能而言，Mg 的一个主要缺点是沿其c轴(六方密排 (HCP) 结构的 [0001] 方向)压缩时的有限塑性。不幸的是，在 Mg 的锻造加工过程中经常会遇到沿这种“硬” c轴的压缩，因为在加工过程中会形成基底织构，将大多数晶粒定向到c轴压缩. 因此，Mg 在c轴压缩中的塑性变形能力和潜在机制是非常令人感兴趣的。低c轴塑性可归因于激活锥体位错所需的高临界分辨剪切应力 (CRSS)以及收缩孪晶，促进应变局部化和裂纹成核。

针对镁的塑性变形行为和内在机制，西安交通大学单智伟教授和合肥工业大学、美国麻省理工大学等国内外顶尖高校发现了高应力下c轴压缩中 Mg 晶体的塑性变形机制，即变形晶粒 (DG) 。令人意想不到的是，随着加工硬化的不断加剧，原本认为塑性已消耗殆尽的样品并没有断裂失效。当流变应力升高到1 GPa水平时，样品突然被压为扁平状，且没有裂纹产生。此外，被压扁的样品已不再是单晶，而是由多个具有共轴取向关系的小晶粒组成，小晶粒内部有大量的基面和非基面位错。相关研究成果以题“Rejuvenation of plasticity via deformation graining in magnesium”发表在国际著名期刊Nature communications上。西安交通大学刘博宇教授为本论文的第一作者，西安交通大学单智伟教授为第一通讯作者，西安交通大学马恩教授、美国麻省理工学院李巨教授、合肥工业大学张真教授(共同一作)为共同通讯作者。参与该工作的还包括西安交通大学博士研究生刘飞和杨楠、内华达大学李斌教授、吉林大学陈鹏教授、中国科学技术大学王宇教授和江苏科技大学彭金华博士。西安交通大学金属强度国家重点实验室为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金委、111计划2.0、西安交大青年拔尖人才计划等项目的资助。