单智伟&马恩&李巨&张真Nat. Commun.：新变形机理，使镁合金在轴方向上获得超高塑性
【研究背景】
镁是最轻的金属结构材料之一，在航空航天、交通运输，电子产品和医疗等领域具有广阔的应用前景。然而，相比于传统金属材料，如钢铁和铝合金，镁的塑性较差，变形加工较困难，工艺成本高，制约了其广泛应用。镁合金具有密排六方结构板(HCP)，是能源保护型的绿色材料。但是镁合金的致命缺点是当压缩外力载荷与c轴平行的时候，表现出非常有限的塑性。这严重限制了其实际应用，例如锻造。为此，镁合金在c轴方向压缩过程中的塑性变形特性及其机理备受关注。c轴方向压缩塑性低主要归因于激活锥体位错需要非常高的临界解析剪应力(CRSS)。本文则发现了一种新的变形机制——变形转晶，成功解决了这一问题。
【研究内容】
本文对镁合金单晶在TEM下进行原位压缩实验，其中<c>轴与压缩轴平行。研究表明：镁单晶首先通过锥面位错滑移主导的滑移进行塑性变形，产生了明显的加工硬化行为。随着加工硬化的不断加剧，当流变应力升高到1 GPa水平时，材料的塑性已消耗殆尽。但令人意外的是，镁单晶不但没有断裂失效，反而被压为扁平状，且没有裂纹产生。此时，合金的塑性变形机理发生了剧烈变化，被压扁的样品已不再是单晶，而是转变成多个具有共<a>轴取向关系的小晶粒，小晶粒内部有大量的基面和非基面位错，促进了材料的进一步变形。该论文将这种由变形诱导的在基体晶粒中形成新晶粒的过程称为“deformation graining（形变转晶）”。该过程与再结晶晶粒的形成完全不一样，其不依赖于扩散，可在室温下快速发生。形成的新晶粒与基体晶粒具有特定的晶体学取向关系，可继续发生由位错和孪生协调的塑性变形，使得样品重新具有了塑性变形能力。该研究丰富了对塑性变形机制的认识，为镁的变形加工提供了新的启发：在高应力或高应变速率下加工，可由高应力引发新的变形机制，进而提高镁的变形加工能力。相关研究以“Rejuvenation of plasticity via deformation graining in magnesium”为题发表在国际著名期刊Nature Communications上。西安交通大学刘博宇教授为论文第一作者，西安交通大学单智伟教授为第一通讯作者，合肥工业大学张真教授为共同第一作者和通讯作者，西安交通大学马恩教授和美国麻省理工学院李巨教授为共同通讯作者。
【图文导读】
图1 亚微米级镁单晶沿着<c>轴压缩的变形过程。(a)原始样品；(b) 锥面<c+a>位错的形成；(c)形成的新晶粒（白色箭头）；(d) 新晶粒通过位错变形（白色箭头）；(e)样品被压扁；(f)扁样品的电子衍射；(g)应力-应变曲线：弹性变形、塑性变形-加工硬化阶段、塑性变形-应变突跳阶段。
图2新形成的晶粒含有高密度位错；最初的单晶变转变成13个晶粒。晶粒边界用白色虚线标出，白色箭头表示每个晶粒的c轴；(b) 晶粒10中高密度基面位错，在[0-110]带轴下，可见含有<a>分量的Burgers矢量的位错。这些位错通常沿着10晶粒的基面(用白线标记)出现;（c） 10晶粒中高密度的非基面位错，在[0001]带轴下，可见含有<c>成分的Burgers矢量的位错,这些位错属于<c+a>锥面位错。
图3 新晶粒在加载时长大，卸载时缩小，二次加载时重新长大，反映了晶界的可动性
图4 c轴压缩形成新晶界的原子结构；(a) TEM暗场图像显示了新晶粒的形态, 插图中所选的电子衍射图样显示了取向关系; (b) Py/B界面和基面倾斜晶界，对应于a中标记为“b”和“c”的白色虚线；(c) Py/B界面的原子结构，对应于c图中标记为“d”的白色虚线框；
图5 在c轴压缩过程中形成的纳米新晶核的晶界结构；(a) 高分辨率透射电镜图像显示，晶界由Py/B,{10-10}/{10-13}以及{10-13}/{10-13}边界组成；(b) Py/B和{10-10}/{10-13}的高分辨图，对应于a图中标记为“b”的白色虚线框；(c) {10-10}/{10-13}的原子结构；(d) Py/B界面的原子结构。
图6 Mg中{10-11}和{0002}晶面结构的比较；(a) 一个基体(蓝色)和一个新的HCP晶胞(红色)具有62°<2-1-10>的取向差。不同{01-10}面上的原子用固体和开圆表示；这两个晶面在界面处接合；例如{10-10}/{0001}；(b) 绿色箭头表示两个HCP单位细胞共享的<2-1-10>；(c) {10-10}/{0001}的投影图；(d) 一个新的HCP单元细胞(红色部分)被投影在基体内；这两个晶格满足{10-10}/{0001}，{0001}/{10-10}，{10-10}/{10-13}，{10-13}/{10-10}。
图7 在Py-B界面上的{10-12}孪晶；(a) 晶粒1、3和10之间的晶界的三联结;分别为{10-10}/{10-13}，{10-10}/{0001}，{0001}/{10-10}；(b) 从晶粒1形成晶粒3和晶粒10的可能途径; (c) 晶粒1和晶粒10之间的{10-10}/{10-11}界面；
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