{首页主词},&

上海交大曾小勤團隊在Acta Materialia發表論文：調控基面/非基面位錯交互，實現鎂合金強塑性協同提升

2025-07-10 11:22:45 作者：曾小勤,王靜雅,劉博宇,于銘迪來源：上海交通大學材料科學與工程學院分享至：

近日，上海交通大學材料科學與工程學院輕合金精密成型國家工程研究中心曾小勤教授團隊在鎂合金多系滑移提升強韌性研究方面取得重要進展，創新性地提出并驗證了一種通過調控鎂合金內部不同滑移系位錯（基面位錯與錐面位錯）的相互作用，從而顯著提升基面滑移應變硬化能力與鎂合金塑性的新策略，為設計新一代兼具高強度與高塑性的鎂合金提供了全新理論依據和可行路徑。相關成果“Anomalous strain hardening via manipulating basal/pyramidal dislocation interactions in the Mg-Y-Ca alloy”發表于國際材科科學頂級期刊《Acta Materialia》（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121309. ）。

上海交通大學曾小勤教授、王靜雅副教授、西安交通大學劉博宇教授為文章共同通訊作者，上海交通大學博士生于銘迪（2023年博士研究生國家獎學金、2024年度上海交通大學優秀博士畢業生發展獎學金獲得者）為論文第一作者。研究工作獲得了國家自然科學基金（項目號：52471012, 52425101, 52371121, 52471013, U2241245）、馬德里Comunidad de Madrid, Recovery, Transformation and Resilience Plan及歐盟NextGeneration EU基金支持的MAD2D項目的資助。

主要研究內容

對兼具高強度與高塑性材料的追求是金屬材料科學領域的核心目標。然而，在材料中同時實現高強度和高塑性是長期以來的關鍵挑戰。通常，高強度通過晶界、溶質原子和析出相阻礙位錯運動來實現；而塑性則與材料的應變硬化能力相關，該能力源于位錯的持續形核、運動及其相互作用。因此，設計同時具備高強度與高塑性的金屬合金極為困難，在最輕的結構金屬鎂中尤為艱難。傳統鎂的塑性變形高度依賴于基面滑移，導致位錯相互作用少、流變應力低、變形易局域化，最終引發低塑性（純鎂拉伸斷裂延伸率常<5%）和強度-塑性互斥難題。雖然通過合金化促進錐面滑移是提升塑性的常見策略，但基面滑移在塑性變形過程中的主導地位及其引發的局部“位錯雪崩”效應仍難以有效抑制。因此，為克服鎂的強度-塑性互斥，必須抑制基面位錯滑移，同時促進錐面位錯滑移以增加位錯相互作用概率，從而阻礙基面滑移局域化并誘導應變硬化。

曾小勤教授團隊長期致力于鎂合金塑性變形微觀機制及強韌化設計研究，前期通過固溶元素調節滑移系啟動能力差異提出“多系滑移協同增塑”的學術思想（相關成果發表于IJP, 2023, https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103525 ; ACTA, 2021, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117151;金屬學報, 2025, https://doi.org/10.11900%2F0412.1961.2024.00358 等）。在此基礎上，團隊以能協同激活多滑移系協調塑性變形的Mg-Y-Ca合金為模型，結合單晶原位微柱壓縮試驗、EBSD/TKD表征、TEM三維重構及分子動力學模擬等手段，首次解析并主動設計了基面/非基面位錯交互行為，提出促進有效位錯交互以增強應變硬化的設計準則，為新型高強塑性鎂合金設計提供新策略。

研究發現：在特定單晶加載條件下，基面位錯與錐面位錯相互作用，可形成具有純分量的“不動割階（Sessile jogs）”結構。這種結構宛如位錯滑移路徑上的“強效路障”，有效阻礙了基面位錯的快速滑移與持續運動。這一關鍵機制顯著緩解了基面滑移帶的局域應變集中，賦予材料強應變硬化能力，持續升高的流變應力進一步促進了更多非基面位錯的激活，形成良性循環，從而顯著提升單相固溶態Mg-Y-Ca合金的應變硬化能力（UTS−YS為96MPa）與塑性（延伸率約31%）。該研究不僅首次揭示了通過調控特定類型位錯（基面與錐面位錯）相互作用來實現鎂合金“反常”強應變硬化的具體微觀機制，更提出了一條克服鎂合金強度-塑性互斥難題的全新設計準則：關鍵在于通過調控非基面/基面滑移啟動能力差于，促進有效的位錯交互（特別是基面與錐面位錯）。這一深刻理解為未來通過精準調控合金成分和微觀結構，設計具有新型變形機制、實現強度與塑性協同提升的高性能鎂合金奠定了堅實的科學基礎。

圖1 (a) HCP Mg 中基面、一級錐面和二級錐面滑移的SF。(b) Mg-Y-Ca合金中包含微柱壓縮目標晶粒的IPF圖，以及微柱的不同觀察方向。(c)微柱取向的右視圖以及SEM視角與塊狀樣品表面的夾角α。

圖2 (a) 變形微柱的工程應力-應變曲線。(b-f)從原位壓縮視頻中提取的變形微柱在不同變形階段的圖像，如圖(a)中A至D點所示。(d1-f1)為(d-f)中綠色方形區域的放大圖。(g)變形區域截圖：E點取自微柱的原位壓縮視頻。從(h)頂部和(i)正面觀察壓縮后微柱的SEM圖像，以及從正面觀察壓縮微柱的相應晶體結構示意圖。

圖3 (a) 變形后微柱透射片的弱束暗場(WBDF)照，使用衍射矢量g =(-12-12)。(b-c) STEM明場(STEM-BF)照，分別使用衍射矢量g = (0002)和g = (-12-10)，用于研究圖(a)中的相同區域。(d) 該薄片沿[10-10]晶帶軸方向獲取的選區電子衍射(SAED)花樣。(e) 展示了沿[10-10]方向觀察時，基面位錯和錐面位錯的相互作用。選擇了兩根彎曲的位錯進行三維重構分析。每根位錯被劃分為不同的區段(S1-1, S1-2, S2-1, S2-2和S2-3)。(f)-(h) 觀察方向分別為[10-10], [2-1-10]和[1-100]。三維重構揭示了位錯和位錯的基面滑移面和錐面滑移面。