材料應變硬化的盡頭通常伴隨繼續變形能力的消失和裂紋的產生。然而，對單晶鎂沿軸壓縮試驗卻發現，單晶鎂可以透過變形誘導的自我多晶化來獲得優異的繼續變形能力。

鎂是最輕的金屬結構材料，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，相比於傳統金屬材料，如鋼鐵和鋁合金，鎂的塑性變形加工較困難，工藝成本高，制約了其廣泛應用。微觀機制是決定宏觀效能的內在因素，因此研發高塑性鎂合金需要精準認知其微觀塑性變形機制，相關研究也一直是鎂合金領域關注的重點和熱點。

眾所周知，金屬材料在塑性變形時一般會發生加工硬化現象，即隨著變形量的增加，材料內部缺陷和損傷逐步累積，流變應力不斷增加。當硬化到一定程度時，材料將不具備繼續塑性變形的能力，最終發生斷裂。對於金屬鎂而言，其沿晶體學軸壓縮時加工硬化十分明顯，塑性變形量一般僅在5%-10%左右。

針對鎂的塑性變形行為和內在機制，西安交通大學單智偉教授團隊近年來開展了系統深入研究。研究發現，對於亞微米尺寸的鎂單晶，當沿軸壓縮時，首先發生由錐面位錯滑移主導的塑性變形（詳見Liu et al。 Science， 365 （6448）， 73-75， 2019）。令人意想不到的是，隨著加工硬化的不斷加劇，原本認為塑性已消耗殆盡的樣品並沒有斷裂失效。當流變應力升高到1 GPa水平時，樣品突然被壓為扁平狀，且沒有裂紋產生。此外，被壓扁的樣品已不再是單晶，而是由多個具有共軸取向關係的小晶粒組成，小晶粒內部有大量的基面和非基面位錯。

圖1 亞微米鎂單晶柱在軸壓縮下的變形過程 （a）初始樣品 （b）位錯的形成和運動 （c）在樣品右下角形成的新晶粒（白色箭頭） （d）新晶粒中產生位錯（白色箭頭） （e）樣品被壓為扁平狀 （f）在扁平樣品上採集的電子衍射 （g）應力-應變曲線顯示出變形的三個階段：彈性變形、塑性變形-加工硬化階段、塑性變形-應變突跳階段

透過系統的晶體學分析、顯微學分析、原子尺度表徵，並結合分子動力學模擬，該團隊提出新晶粒是透過錐面-基面轉變形成的。在新晶粒形成後，原本已消耗殆盡的塑性得到了再生，繼續載入時樣品仍可持續發生很大的塑性變形。該研究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）”。該過程不必依賴擴散，可在室溫下快速發生，所形成的新晶粒與基體晶粒具有特定的晶體學取向對應關係。在新形成的晶粒中，可以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（可比擬為“返老還童”）。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。

圖2 新晶粒在載入時長大，解除安裝時縮小，二次載入時再次長大，反映了晶界的高可動性

圖3 新晶粒及其晶界結構

該成果以《金屬鎂塑性變形能力再生新機制》（Rejuvenation of plasticity via deformation graining in magnesium）為題發表於《自然·通訊》（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。參與該工作的還包括西安交通大學博士研究生劉飛和楊楠、內華達大學李斌教授、吉林大學陳鵬教授、中國科學技術大學王宇教授和江蘇科技大學彭金華博士。西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室為第一通訊單位。該研究得到了國家自然科學基金委、西安交大青年拔尖人才計劃等專案的資助。

近年來，單智偉研究團隊依託西安交通大學材料學院、金屬材料強度國家重點實驗室、西安交通大學微納中心和陝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研究、技術攻關和成果轉化。2014年，發現了鎂中不同於位錯和孿晶的室溫變形新機制，成果發表於《自然·通訊》，並榮獲美國TMS學會鎂分會年度最佳基礎研究論文獎；系統研究了鎂合金中析出相形貌對孿晶行為的影響，並進而發展了一種判斷鎂合金強塑性的簡單判據，成果發表於《材料科學技術》（封面推薦，2018）；發現透過活化二氧化碳，可以在室溫下將鎂表面的氧化層或腐蝕產物轉變成一種緻密的保護膜層，不僅可顯著提升鎂及其合金的抗腐蝕性和強韌性，而且大幅提高鎂的抗氧化能力，從而發明了一種綠色、低成本鎂合金塗層新技術，成果發表於《自然·通訊》（2018），並獲得國家發明專利授權；應用基於原位電鏡的先進測試與表徵技術，結合原子尺度成像和三維影象重構技術，揭示了鎂中錐面位錯的結構特徵和滑移行為，首次實驗證明其是鎂中有效的塑性載體，指出透過促進錐面位錯滑移（可透過提高應力和減小晶粒尺寸來實現）可以有效提高鎂的塑性，成果發表於《科學》（2019）。針對原鎂冶煉工藝落後、自動化程度低和環境汙染嚴重的現狀，提出並驗證了原本需要在真空條件下進行的原鎂冶煉可以在常壓下進行，並與華西能源公司聯合攻關，開展了原鎂常壓生產的工業化裝置的開發。針對原鎂雜質元素種類多、含量高、波動大的痼疾，從原子機理出發，開發出全新的工藝流程，可在不顯著增加成本的情況下，從料球直接生產出99。99%以上純度的高純鎂，革新了此前領域內普遍認為皮江法（矽熱還原法）不能直接生產高純原鎂的認知。上述成果的推廣和應用，有望從整體上提升鎂基產品的質量和效能。

論文連結：https：//www。nature。com/articles/s41467-022-28688-9