第一作者：劉博宇、劉飛
通訊作者：?jiǎn)沃莻ァ⒙櫧ǚ濉⒗畋?/span>
通訊單位：西安交通大學(xué)、澳大利亞莫納什大學(xué)、美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)
作為最輕質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂在航空航天、汽車、高鐵、電子產(chǎn)品和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，相比于傳統(tǒng)的金屬材料，鎂的塑性較差，型材和零件的變形加工困難，工藝成本高。這嚴(yán)重制約了鎂作為結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用。
當(dāng)前主流觀點(diǎn)認(rèn)為，塑性差是鎂的本征屬性，原因是鎂中的錐面位錯(cuò)（一種晶體缺陷）會(huì)自發(fā)地分解為不可滑移的結(jié)構(gòu)，無法協(xié)調(diào)塑性變形。因此，提高塑性需要通過添加某些特定的元素來調(diào)節(jié)錐面位錯(cuò)的行為。但也有一些學(xué)者持不同觀點(diǎn)，認(rèn)為錐面位錯(cuò)是有效的塑性變形載體，只要能促進(jìn)錐面位錯(cuò)的形核和滑移，鎂的塑性就可以提高。
上述爭(zhēng)議直接影響到下一代高塑性鎂合金的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)路線，因而成為一個(gè)急需解決的科學(xué)難題。然而，由于錐面位錯(cuò)的幾何形態(tài)和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，很難通過實(shí)驗(yàn)來全面地解析。此前的研究通常以計(jì)算機(jī)模擬為主，相關(guān)觀點(diǎn)和推論均缺乏有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
有鑒于此，西安交通大學(xué)單智偉教授團(tuán)隊(duì)最新發(fā)現(xiàn)：塑性差并不是鎂的固有屬性，通過提高流變應(yīng)力（如通過細(xì)化晶粒或提高應(yīng)變速率）來促進(jìn)位錯(cuò)形核和滑移，可能是行之有效的增塑方法。
經(jīng)過廣泛調(diào)研和深入討論，西安交通大學(xué)單智偉教授團(tuán)隊(duì)決定采用以下策略：
1）通過原位電鏡納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)來解決樣品幾何形變、微觀結(jié)構(gòu)演化以及力學(xué)曲線三者之間一一對(duì)應(yīng)的難題；
2）選取合適的加載方向來消除其它位錯(cuò)的干擾；
3）采用梯度樣品設(shè)計(jì)來解決捕捉和表征單根位錯(cuò)難的問題；
4）運(yùn)用三維圖像重構(gòu)技術(shù)來解決位錯(cuò)滑移面不易確定的難題；
5）通過對(duì)比力學(xué)曲線的方式澄清了電子束影響的問題。
圖1 亞微米尺寸鎂的大塑性變形；圖2 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的塑性變形是由錐面位錯(cuò)滑移主導(dǎo)的；
圖3 原位電鏡捕捉到單根錐面位錯(cuò)的滑移；圖4 三維圖像重構(gòu)幫助解析錐面位錯(cuò)的形態(tài)及其滑移面
得益于這些有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)以令人信服的結(jié)果，證明了最起碼對(duì)亞微米尺度的純鎂而言，各種類型的錐面位錯(cuò)（刃、螺、混合型）不僅可以滑移，而且可以導(dǎo)致非常大的塑性變形。與塊體材料相比，微納米樣品呈現(xiàn)出更高的屈服強(qiáng)度和流變應(yīng)力。因此，研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)高應(yīng)力促進(jìn)了錐面位錯(cuò)的形核和滑移，進(jìn)而提高了測(cè)試樣品的塑性。通過進(jìn)一步深入分析，不僅確定了位錯(cuò)的滑移面，而且還清晰地觀察到錐面位錯(cuò)的交滑移、位錯(cuò)偶極子的形成以及位錯(cuò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)等此前尚未報(bào)道過的重要現(xiàn)象。
該研究為完善鎂的塑性變形理論提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并為高塑性鎂合金的開發(fā)帶來新的啟發(fā)。
單智偉教授與團(tuán)隊(duì)成員一起討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果
西安交通大學(xué)青年教師劉博宇博士為本論文的第一作者，博士研究生劉飛為共同第一作者，西安交通大學(xué)單智偉教授、澳大利亞莫納什大學(xué)聶建峰教授和美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)李斌教授為共同通訊作者。參與該工作的科研工作者還包括西安交通大學(xué)張磊教授、博士研究生楊楠、西安科技大學(xué)翟嘯波博士、美國(guó)麻省理工學(xué)院李巨教授、約翰霍普金斯大學(xué)馬恩教授、內(nèi)華達(dá)大學(xué)博士研究生楊洋。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、111計(jì)劃2.0、中國(guó)博士后科學(xué)基金、陜西省重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈、西安交大青年拔尖人才計(jì)劃和基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。
作者簡(jiǎn)介：
近年來，單智偉研究團(tuán)隊(duì)依托西安交通大學(xué)材料學(xué)院、金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西安交通大學(xué)微納中心和陜西省鎂基新材料工程研究中心，開展了一系列富有成效的基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)和成果轉(zhuǎn)化。
2014年，發(fā)現(xiàn)了鎂中不同于位錯(cuò)和孿晶的室溫變形新機(jī)制，成果發(fā)表于《自然·通訊》，并榮獲美國(guó)TMS學(xué)會(huì)鎂分會(huì)年度最佳基礎(chǔ)研究論文獎(jiǎng)；
系統(tǒng)研究了鎂合金中析出相形貌對(duì)孿晶行為的影響，并進(jìn)而發(fā)展了一種判斷鎂合金強(qiáng)塑性的簡(jiǎn)單判據(jù)，成果發(fā)表于《材料科學(xué)技術(shù)》（封面推薦，2018）；
發(fā)現(xiàn)通過活化二氧化碳，可以在室溫下將鎂表面的氧化層或腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成一種致密的保護(hù)膜層，不僅可顯著提升鎂及其合金的抗腐蝕性和強(qiáng)韌性，而且大幅提高鎂的抗氧化能力，從而發(fā)明了一種綠色、低成本鎂合金涂層新技術(shù)，成果發(fā)表于《自然·通訊》（2018），并獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)；
針對(duì)原鎂冶煉工藝落后、自動(dòng)化程度低和環(huán)境污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀，提出并驗(yàn)證了原本需要在真空條件下進(jìn)行的原鎂冶煉可以在常壓進(jìn)行，并與華西能源公司聯(lián)合攻關(guān)，開展了原鎂常壓生產(chǎn)的工業(yè)化裝置的開發(fā)。針對(duì)原鎂雜質(zhì)元素種類多、含量高、波動(dòng)大的痼疾，從原子機(jī)理出發(fā)，開發(fā)出全新的工藝流程，可在不顯著增加成本的情況下，從料球直接生產(chǎn)出99.99%以上純度的高純鎂，革新了此前領(lǐng)域內(nèi)普遍認(rèn)為皮江法（硅熱還原法）不能直接生產(chǎn)高純?cè)V的認(rèn)知。上述成果的推廣和應(yīng)用，有望從整體上提升鎂基產(chǎn)品質(zhì)量和性能。
本文轉(zhuǎn)載西安交大新聞網(wǎng)，略有修改。
參考文獻(xiàn)：
Bo-YuLiu, Fei Liu, Bin Li, Jian-Feng Nie, Zhi-Wei Shan et al. Large plasticity inmagnesium mediated by pyramidal dislocations. Science 2019, 365, 6448, 73-75.
https://science.sciencemag.org/content/365/6448/73
https://science.sciencemag.org/content/365/6448/30
