西交大单智伟研究团队发现破解镁金属塑性差之法

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/365/6448/73

作为最轻质的金属结构材料，镁在航空航天、汽车、高铁、电子产品和医疗等领域具有广阔的应用前景。然而，相比于传统的金属材料，镁的塑性较差，型材和零件的变形加工困难，工艺成本高。这严重制约了镁作为结构材料的广泛应用。

当前主流观点认为，塑性差是镁的本征属性，原因是镁中的锥面位错（一种晶体缺陷）会自发地分解为不可滑移的结构，无法协调塑性变形。因此，提高塑性需要通过添加某些特定的元素来调节锥面位错的行为。但也有一些学者持不同观点，认为锥面位错是有效的塑性变形载体，只要能促进锥面位错的形核和滑移，镁的塑性就可以提高。上述争议直接影响到下一代高塑性镁合金的设计思路和技术路线，因而成为一个急需解决的科学难题。然而，由于锥面位错的几何形态和结构非常复杂，很难通过实验来全面地解析。此前的研究通常以计算机模拟为主，相关观点和推论均缺乏有力的实验证据。

图1：亚微米尺寸镁的大塑性变形；图2 实验观测到的塑性变形是由锥面位错滑移主导的；图3：原位电镜捕捉到单根锥面位错的滑移；图4 三维图像重构帮助解析锥面位错的形态及其滑移面。

针对上述难题，西安交通大学单智伟教授团队经过广泛调研和深入讨论，决定采用原位电镜纳米力学测试技术来解决样品几何形变、微观结构演化以及力学曲线三者之间一一对应的难题；选取合适的加载方向来消除其它位错的干扰；采用梯度样品设计来解决捕捉和表征单根位错难的问题；运用三维图像重构技术来解决位错滑移面不易确定的难题；并通过对比力学曲线的方式澄清了电子束影响的问题。

得益于这些有针对性的实验设计，研究团队以令人信服的结果，证明了最起码对亚微米尺度的纯镁而言，各种类型的锥面位错（刃、螺、混合型）不仅可以滑移，而且可以导致非常大的塑性变形。与块体材料相比，微纳米样品呈现出更高的屈服强度和流变应力。因此，研究团队推测高应力促进了锥面位错的形核和滑移，进而提高了测试样品的塑性。通过进一步深入分析，不仅确定了位错的滑移面，而且还清晰地观察到锥面位错的交滑移、位错偶极子的形成以及位错往复运动等此前尚未报道过的重要现象。

该研究为完善镁的塑性变形理论提供了重要的实验数据，并为高塑性镁合金的开发带来新的启发。

单智伟教授与团队成员一起讨论实验结果 

参与该工作的科研工作者还包括西安交通大学张磊教授、博士研究生杨楠、西安科技大学翟啸波博士、美国麻省理工学院李巨教授、约翰霍普金斯大学马恩教授、内华达大学博士研究生杨洋。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、111计划2.0、中国博士后科学基金、陕西省重点产业创新链、西安交大青年拔尖人才计划和基本科研业务费等项目的资助。

近年来，单智伟研究团队依托西安交通大学材料学院、金属材料强度国家重点实验室、西安交通大学微纳中心和陕西省镁基新材料工程研究中心，开展了一系列富有成效的基础研究、技术攻关和成果转化。2014年，发现了镁中不同于位错和孪晶的室温变形新机制，成果发表于《自然·通讯》，并荣获美国TMS学会镁分会年度最佳基础研究论文奖；系统研究了镁合金中析出相形貌对孪晶行为的影响，并进而发展了一种判断镁合金强塑性的简单判据，成果发表于《材料科学技术》（封面推荐，2018）；发现通过活化二氧化碳，可以在室温下将镁表面的氧化层或腐蚀产物转变成一种致密的保护膜层，不仅可显著提升镁及其合金的抗腐蚀性和强韧性，而且大幅提高镁的抗氧化能力，从而发明了一种绿色、低成本镁合金涂层新技术，成果发表于《自然·通讯》（2018），并获得国家发明专利授权；针对原镁冶炼工艺落后、自动化程度低和环境污染严重的现状，提出并验证了原本需要在真空条件下进行的原镁冶炼可以在常压进行，并与华西能源公司联合攻关，开展了原镁常压生产的工业化装置的开发。针对原镁杂质元素种类多、含量高、波动大的痼疾，从原子机理出发，开发出全新的工艺流程，可在不显著增加成本的情况下，从料球直接生产出99.99%以上纯度的高纯镁，革新了此前领域内普遍认为皮江法（硅热还原法）不能直接生产高纯原镁的认知。上述成果的推广和应用，有望从整体上提升镁基产品质量和性能。