在國家自然科學(xué)基金項目（批準(zhǔn)號：51601141，51621063，11504290，11834018）等資助下，西安交通大學(xué)單智偉教授團隊和澳大利亞莫納什大學(xué)聶建峰教授、美國內(nèi)華達大學(xué)李斌教授等開展合作研究，在金屬鎂的塑性變形理論研究領(lǐng)域取得重要進展，發(fā)現(xiàn)錐面位錯可導(dǎo)致亞微米金屬鎂的大塑性變形。研究成果以“Large Plasticity in Magnesium Mediated by Pyramidal Dislocations”（錐面位錯導(dǎo)致金屬鎂大塑性變形）為題，于2019年7月5日在Science（《科學(xué)》）上發(fā)表。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/365/6448/73。

作為最輕質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂在航空航天、汽車、高鐵、電子產(chǎn)品和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，相比于傳統(tǒng)的金屬材料，鎂的塑性較差，型材和零件的變形加工困難，這嚴重制約了鎂作為結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用。研究表明，對于鎂及其合金而言,要實現(xiàn)變形加工所必需的穩(wěn)態(tài)塑性流變，需要材料中的基面位錯和錐面位錯協(xié)調(diào)作用。目前有觀點認為，錐面位錯因其本質(zhì)上的不穩(wěn)定，會自發(fā)地分解為不可滑移的結(jié)構(gòu)，因而不是有效的塑性載體，因此，塑性差是鎂的本征屬性，提高塑性需要通過添加某些特定的元素來調(diào)節(jié)錐面位錯的行為。但也有一些學(xué)者持截然不同的觀點，他們認為錐面位錯可以成為有效的塑性變形載體，因而只要能促進錐面位錯的形成和滑移，鎂的塑性就可以提高。上述爭議直接影響到下一代高塑性鎂合金的設(shè)計思路和技術(shù)路線，是一個亟待澄清的科學(xué)問題。

最近單智偉教授及其合作者采用定量原位透射電鏡納米力學(xué)測試，選取合適的加載方向消除其它位錯干擾，設(shè)計梯度樣品捕捉和表征單根位錯，通過三維圖像重構(gòu)和對比力學(xué)曲線的方式，證明對亞微米尺度純鎂而言，各種類型錐面位錯（刃、螺、混合型）不僅可以滑移，而且可以導(dǎo)致非常大的塑性變形，其原因應(yīng)該是高應(yīng)力促進了錐面位錯的形核和滑移，進而提高塑性。進一步的分析還確定了位錯的滑移面，清晰地觀察到了交滑移、位錯偶極子的形成以及位錯往復(fù)運動等此前尚未報道過的重要現(xiàn)象。上述結(jié)果表明，塑性差并不是鎂的固有屬性，提高鎂及其合金的塑性，可以通過細化晶粒（將晶粒尺寸縮小至微納米級別）或提高應(yīng)變速率，也是行之有效的方法。該研究為完善鎂的塑性變形理論提供了重要的實驗依據(jù)，并為高塑性鎂合金的研發(fā)帶來新的思路。
 

圖. 鎂中錐面位錯的典型運動行為及其三維空間模擬形態(tài)