單智偉&馬恩&李巨&張真Nat. Commun.：新變形機理，使鎂合金在軸方向上獲得超高塑性
【研究背景】
鎂是最輕的金屬結構材料之一，在航空航天、交通運輸，電子產品和醫療等領域具有廣闊的應用前景。然而，相比于傳統金屬材料，如鋼鐵和鋁合金，鎂的塑性較差，變形加工較困難，工藝成本高，制約了其廣泛應用。鎂合金具有密排六方結構板(HCP)，是能源保護型的綠色材料。但是鎂合金的致命缺點是當壓縮外力載荷與c軸平行的時候，表現出非常有限的塑性。這嚴重限制了其實際應用，例如鍛造。為此，鎂合金在c軸方向壓縮過程中的塑性變形特性及其機理備受關注。c軸方向壓縮塑性低主要歸因于激活錐體位錯需要非常高的臨界解析剪應力(CRSS)。本文則發現了一種新的變形機制——變形轉晶，成功解決了這一問題。
【研究內容】
本文對鎂合金單晶在TEM下進行原位壓縮實驗，其中<c>軸與壓縮軸平行。研究表明：鎂單晶首先通過錐面位錯滑移主導的滑移進行塑性變形，產生了明顯的加工硬化行為。隨著加工硬化的不斷加劇，當流變應力升高到1 GPa水平時，材料的塑性已消耗殆盡。但令人意外的是，鎂單晶不但沒有斷裂失效，反而被壓為扁平狀，且沒有裂紋產生。此時，合金的塑性變形機理發生了劇烈變化，被壓扁的樣品已不再是單晶，而是轉變成多個具有共<a>軸取向關系的小晶粒，小晶粒內部有大量的基面和非基面位錯，促進了材料的進一步變形。該論文將這種由變形誘導的在基體晶粒中形成新晶粒的過程稱為“deformation graining（形變轉晶）”。該過程與再結晶晶粒的形成完全不一樣，其不依賴于擴散，可在室溫下快速發生。形成的新晶粒與基體晶粒具有特定的晶體學取向關系，可繼續發生由位錯和孿生協調的塑性變形，使得樣品重新具有了塑性變形能力。該研究豐富了對塑性變形機制的認識，為鎂的變形加工提供了新的啟發：在高應力或高應變速率下加工，可由高應力引發新的變形機制，進而提高鎂的變形加工能力。相關研究以“Rejuvenation of plasticity via deformation graining in magnesium”為題發表在國際著名期刊Nature Communications上。西安交通大學劉博宇教授為論文第一作者，西安交通大學單智偉教授為第一通訊作者，合肥工業大學張真教授為共同第一作者和通訊作者，西安交通大學馬恩教授和美國麻省理工學院李巨教授為共同通訊作者。
【圖文導讀】
圖1 亞微米級鎂單晶沿著<c>軸壓縮的變形過程。(a)原始樣品；(b) 錐面<c+a>位錯的形成；(c)形成的新晶粒（白色箭頭）；(d) 新晶粒通過位錯變形（白色箭頭）；(e)樣品被壓扁；(f)扁樣品的電子衍射；(g)應力-應變曲線：彈性變形、塑性變形-加工硬化階段、塑性變形-應變突跳階段。
圖2新形成的晶粒含有高密度位錯；最初的單晶變轉變成13個晶粒。晶粒邊界用白色虛線標出，白色箭頭表示每個晶粒的c軸；(b) 晶粒10中高密度基面位錯，在[0-110]帶軸下，可見含有<a>分量的Burgers矢量的位錯。這些位錯通常沿著10晶粒的基面(用白線標記)出現;（c）?10晶粒中高密度的非基面位錯，在[0001]帶軸下，可見含有<c>成分的Burgers矢量的位錯,這些位錯屬于<c+a>錐面位錯。
圖3 新晶粒在加載時長大，卸載時縮小，二次加載時重新長大，反映了晶界的可動性
圖4 c軸壓縮形成新晶界的原子結構；(a) TEM暗場圖像顯示了新晶粒的形態, 插圖中所選的電子衍射圖樣顯示了取向關系; (b) Py/B界面和基面傾斜晶界，對應于a中標記為“b”和“c”的白色虛線；(c) Py/B界面的原子結構，對應于c圖中標記為“d”的白色虛線框；
圖5 在c軸壓縮過程中形成的納米新晶核的晶界結構；(a) 高分辨率透射電鏡圖像顯示，晶界由Py/B,{10-10}/{10-13}以及{10-13}/{10-13}邊界組成；(b) Py/B和{10-10}/{10-13}的高分辨圖，對應于a圖中標記為“b”的白色虛線框；(c) {10-10}/{10-13}的原子結構；(d) Py/B界面的原子結構。
圖6 Mg中{10-11}和{0002}晶面結構的比較；(a) 一個基體(藍色)和一個新的HCP晶胞(紅色)具有62°<2-1-10>的取向差。不同{01-10}面上的原子用固體和開圓表示；這兩個晶面在界面處接合；例如{10-10}/{0001}；(b) 綠色箭頭表示兩個HCP單位細胞共享的<2-1-10>；(c) {10-10}/{0001}的投影圖；(d) 一個新的HCP單元細胞(紅色部分)被投影在基體內；這兩個晶格滿足{10-10}/{0001}，{0001}/{10-10}，{10-10}/{10-13}，{10-13}/{10-10}。
圖7 在Py-B界面上的{10-12}孿晶；(a) 晶粒1、3和10之間的晶界的三聯結;分別為{10-10}/{10-13}，{10-10}/{0001}，{0001}/{10-10}；(b) 從晶粒1形成晶粒3和晶粒10的可能途徑; (c) 晶粒1和晶粒10之間的{10-10}/{10-11}界面；
文章評論(0)