西安交大重磅《Nature 》子刊：
金属镁变形塑性恢复及内在机制取得重大进展！

来源: 材料学网     发布时间：2022/02/26

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< c >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 < a > 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。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28688-9#Sec14

柱轴向为c轴。柱体首先均匀变形至36.7%，应变硬化明显。这一阶段的塑性变形主要由位错滑移介导，位错密度不断增加。这一阶段未发现变形孪晶。应力-应变曲线中的载荷下降与位错的形成和快速扩展相对应。应力达到~1.0 GPa后，在柱的右下角形成了新晶粒的特征(图1c)。这个特征比它周围的区域表现出更轻的对比，表明内部的缺陷密度更低。在该特征附近的右表面稍微凸出，如黑色箭头所示，表明伴随的应变被自由表面所松弛。然后，暗对比出现并在该区域蔓延(图1d)，表明内部存在位错或孪生活动。不久，矿柱突然塌陷，承受着巨大的应变，爆破~19.7%。压平后试样高度最大降低约56.4%，未见裂纹或断裂。在这种剧烈应变爆发之后，继续压缩可以进一步降低高度。这种沿c轴的大塑性和两阶段变形行为(均匀变形后突然平压)是可重现的。如图1、表2所示。这些亚微米镁柱的塑性应变是显著的，与一般c轴压缩应变 < 7%的大块镁单晶形成了鲜明的对比

图 1：亚微米镁单晶柱在c轴压缩下均匀变形，然后在应变爆发中变平。压缩前的初始支柱。插图六边形晶胞显示加载方向。观察方向，。b位错的形成和运动。c在柱子的右下角形成了一个新的颗粒（白色箭头）。d新晶粒中出现暗对比，表明内部有错位或孪晶活动。e柱子突然变平。f从展平样品中获得的选定区域衍射图案。g显示两阶段塑性变形的相应应力-应变曲线

图 2：新形成的晶粒包含高密度位错。

图 3：新晶粒的生长和收缩。

图 4：c轴压缩过程中形成的新晶粒的晶界原子结构。

图 5：c轴压缩过程中形成的纳米级新晶粒核的边界结构。

总之，目前的工作揭示了一种现象，即“变形晶粒”，它有可能在适当的活化条件下提高 Mg 的塑性。这在散装材料中是否可行仍有待探索，但文献中暗示 DG 可能在一些不寻常的观察中发挥了作用。一种情况是在变形镁合金中发现的一些不寻常的错误取向关系，不能根据已知的孪晶系统明确分类，这表明其他潜在的 DG 模式。另一个是当 Mg 合金进行“快速轧制” 39时，轧制能力显着提高。，其中施加的应力预计远高于正常轧制速度下的应力。在这种情况下，DG 可能在高于正常的滚动应变下启用。我们的结果可能还有另一个含义：如果 Mg（以及可能的其他 HCP 金属）在高应力条件下（例如在小尺寸样品或由纳米晶粒制成的样品中，或在高应变率（如快速轧制或冲击条件）下加工） ，通常较差的c轴塑性可以通过激活额外的塑性变形模式来克服，这可以恢复否则会耗尽的位错活动，即使在施加的载荷从最硬的方向开始时也是如此。一般来说，DG机制在块状材料中的激活程度，以及它对机械性能、微观结构演变和加工性能的可能影响值得进一步探索。

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