鎂合金是密度最低的金屬結(jié)構(gòu)材料，它具有比強(qiáng)度高、比剛度大、電磁屏蔽性能優(yōu)異等突出特點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸、電子信息等減重需求迫切領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，鎂合金具有密排六方（HCP）晶體結(jié)構(gòu)，在室溫變形條件下獨(dú)立的滑移系少，其室溫塑性變形主要由臨界分切應(yīng)力最低的{0001}<11-20>基面滑移和{10-12}<10-11>拉伸孿晶承擔(dān)，導(dǎo)致其絕對(duì)強(qiáng)度和室溫塑性都較低，這嚴(yán)重阻礙了鎂合金作為高性能結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用。根據(jù)經(jīng)典的Hall-Petch關(guān)系，通過(guò)晶粒細(xì)化可大幅提高金屬材料的力學(xué)性能，但是鎂合金由于其熔點(diǎn)低、變形能力差，其晶粒細(xì)化存在困難。因此，目前關(guān)于晶粒尺寸（尤其是當(dāng)晶粒尺寸小于1μm時(shí)，即超細(xì)晶）對(duì)Mg及Mg合金力學(xué)性能的影響規(guī)律尚不清楚。

近日，北京航空航天大學(xué)與日本京都大學(xué)、大阪大學(xué)以及日本國(guó)立材料研究所的研究人員采用劇烈塑性變形技術(shù)，成功的在大范圍內(nèi)調(diào)控了商業(yè)純Mg的晶粒尺寸（從亞微米到數(shù)十微米范疇）。系統(tǒng)的力學(xué)性能測(cè)試和詳細(xì)的微觀組織觀察表明，晶粒尺寸對(duì)純Mg的變形機(jī)制和宏觀力學(xué)性能具有重要影響。特別地，晶粒尺寸為0.65μm的超細(xì)晶純Mg在室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸速率下的延伸率高達(dá)60%以上，這是因?yàn)榫Ы缁迫〈诲e(cuò)滑移和變形孿晶，成為其主導(dǎo)的塑性變形機(jī)制。

相關(guān)論文以“Transition of dominant deformation mode in bulk polycrystalline pure Mg by ultra-grain refinement down to sub-micrometer”為題，于今天（7月28日）在線發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Acta Materialia上。北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的鄭瑞曉副教授是論文的第一作者。北航的鄭瑞曉副教授，大阪大學(xué)的S.Ogata教授以及京都大學(xué)的N.Tsuji教授是該論文的共同通訊作者。

論文鏈接（開放獲取）：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.07.055

圖1為通過(guò)高壓扭轉(zhuǎn)和后續(xù)熱處理技術(shù)制備的純Mg樣品的微觀組織。通過(guò)改變熱處理溫度和保溫時(shí)間，可以在較大范圍內(nèi)對(duì)晶粒尺寸進(jìn)行精確調(diào)控。EBSD反極圖和晶界圖表明，這些樣品均是由高度再結(jié)晶的等軸晶粒構(gòu)成的，并且具有變形鎂合金的典型基面織構(gòu)。

圖1. 采用劇烈塑性變形技術(shù)制備的不同晶粒尺寸商業(yè)純Mg的EBSD反極圖和晶界圖。

圖2是不同晶粒尺寸純Mg樣品在室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸條件下獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。如圖所示，隨著晶粒尺寸的降低，材料的強(qiáng)度和塑性同步提高。平均晶粒尺寸為1.57μm的樣品具有最高的屈服強(qiáng)度和較好的延伸率（25%以上）。進(jìn)一步細(xì)化晶粒，反而會(huì)導(dǎo)致材料的軟化。特別地，超細(xì)晶樣品（d=0.65μm）的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度僅為87MPa和135MPa，但是其斷裂延伸率高達(dá)60%以上，這是常規(guī)粗晶純Mg樣品的6倍！

圖2. 不同晶粒尺寸商業(yè)純Mg的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3（a）是純Mg樣品的屈服強(qiáng)度隨晶粒尺寸的變化規(guī)律。如圖所示，當(dāng)d＞5μm時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的負(fù)二分之一次方具有線性關(guān)系，即滿足經(jīng)典的Hall-Petch關(guān)系；然而，當(dāng)1.5μm＜d＜5μm時(shí)，屈服強(qiáng)度隨晶粒細(xì)化的增速減緩，即逐漸偏離了Hall-Petch線性關(guān)系；當(dāng)d＜1.5μm時(shí)，晶粒的細(xì)化反而會(huì)導(dǎo)致材料的軟化，即產(chǎn)生了所謂的反Hall-Petch效應(yīng)。材料的延伸率隨晶粒細(xì)化的變化規(guī)律同樣可以分為三個(gè)階段，即先上升，然后保持不變，最后大幅提高（圖3（b））。

圖3. 屈服強(qiáng)度和延伸率與晶粒尺寸的關(guān)系。

為了揭示晶粒尺寸對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)理，該論文分別從粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和超細(xì)晶區(qū)各選取了一個(gè)典型樣品，重點(diǎn)考察了變形孿晶、位錯(cuò)滑移和晶界滑移等變形機(jī)制與晶粒尺寸的依存關(guān)系。綜合圖4-6可以發(fā)現(xiàn)，變形孿晶和基面滑移是粗晶樣品的主要變形機(jī)制，而由晶界主導(dǎo)的塑性變形（即晶界滑移）是超細(xì)晶樣品的主要變形機(jī)制。細(xì)晶區(qū)相當(dāng)于一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，即多種機(jī)制均對(duì)其塑性變形提供貢獻(xiàn)。

圖4. 典型粗晶、細(xì)晶及超細(xì)晶樣品的變形孿晶行為對(duì)比。

圖5. 細(xì)晶（d=2.46μm）樣品的拉伸變形組織。

圖6. 超細(xì)晶（d=0.65μm）樣品的拉伸變形組織。

基于理論計(jì)算，該論文還給出了各類變形機(jī)制的臨界激活應(yīng)力隨晶粒尺寸的變化規(guī)律。如圖7所示，變形孿晶和位錯(cuò)滑移的臨界激活應(yīng)力均隨晶粒細(xì)化而提高，而晶界滑移的臨界激活應(yīng)力的變化趨勢(shì)則與之相反。幾種變形機(jī)制的交點(diǎn)即為變形行為發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界晶粒尺寸。可以看出，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得了良好的吻合。

圖7. 變形孿晶、位錯(cuò)滑移和晶界滑移的臨界激活應(yīng)力與晶粒尺寸之間的依存關(guān)系。

綜上所述，通過(guò)改變晶粒尺寸，可以大幅調(diào)控純Mg的強(qiáng)度和塑性。尤其當(dāng)晶粒尺寸細(xì)化到1μm以下時(shí)，晶界滑移取代常規(guī)的基面滑移和孿晶變形，成為其主導(dǎo)的變形機(jī)制，并帶來(lái)材料室溫塑性的巨大提高！未來(lái)，通過(guò)進(jìn)一步調(diào)控超細(xì)晶純Mg的晶界穩(wěn)定性，有望設(shè)計(jì)和制備性能超常的新型鎂合金！