導讀：鎂是最輕的結構金屬，當沿其結晶c軸（鎂的“硬”取向）壓縮時，通常表現出有限的可塑性。本文報道了亞微米鎂單晶在c軸壓縮中通過雙階段變形獲得的大塑性。當塑性流動逐漸將鎂晶體應變硬化到千兆帕斯卡水平時，此時位錯介導的塑性幾乎耗盡，樣品立即變成餅而沒有斷裂，伴隨著初始單晶轉化為大致共享一個共同的旋轉軸。新晶粒可以通過錐體向基面的轉變而形成。我們將這種晶粒形成歸類為“變形晶粒”。新晶粒的形成使大量位錯滑移和變形孿晶恢復活力，從而產生大的塑性應變。

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。對于金屬鎂而言，其沿晶體學<c>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。

近年來，輕質鎂及其合金因其在節能減排方面的潛在應用而備受關注。就機械性能而言，Mg 的一個主要缺點是沿其c軸（六方密排 (HCP) 結構的 [0001] 方向）壓縮時的有限塑性。不幸的是，在 Mg 的鍛造加工過程中經常會遇到沿這種“硬” c軸的壓縮，因為在加工過程中會形成基底織構，將大多數晶粒定向到c軸壓縮. 因此，Mg 在c軸壓縮中的塑性變形能力和潛在機制是非常令人感興趣的。低c軸塑性可歸因于激活錐體位錯所需的高臨界分辨剪切應力 (CRSS)以及收縮孿晶，促進應變局部化和裂紋成核。

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和合肥工業大學、美國麻省理工大學等國內外頂尖高校發現了高應力下c軸壓縮中 Mg 晶體的塑性變形機制，即變形晶粒 (DG) 。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并沒有斷裂失效。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<a>軸取向關系的小晶粒組成，小晶粒內部有大量的基面和非基面位錯。相關研究成果以題“Rejuvenation of plasticity via deformation graining in magnesium”發表在國際著名期刊Nature communications上。西安交通大學劉博宇教授為本論文的第一作者，西安交通大學單智偉教授為第一通訊作者，西安交通大學馬恩教授、美國麻省理工學院李巨教授、合肥工業大學張真教授（共同一作）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、111計劃2.0、西安交大青年拔尖人才計劃等項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28688-9#Sec14

柱軸向為c軸。柱體首先均勻變形至36.7%，應變硬化明顯。這一階段的塑性變形主要由位錯滑移介導，位錯密度不斷增加。這一階段未發現變形孿晶。應力-應變曲線中的載荷下降與位錯的形成和快速擴展相對應。應力達到~1.0 GPa后，在柱的右下角形成了新晶粒的特征(圖1c)。這個特征比它周圍的區域表現出更輕的對比，表明內部的缺陷密度更低。在該特征附近的右表面稍微凸出，如黑色箭頭所示，表明伴隨的應變被自由表面所松弛。然后，暗對比出現并在該區域蔓延(圖1d)，表明內部存在位錯或孿生活動。不久，礦柱突然塌陷，承受著巨大的應變，爆破~19.7%。壓平后試樣高度最大降低約56.4%，未見裂紋或斷裂。在這種劇烈應變爆發之后，繼續壓縮可以進一步降低高度。這種沿c軸的大塑性和兩階段變形行為(均勻變形后突然平壓)是可重現的。如圖1、表2所示。這些亞微米鎂柱的塑性應變是顯著的，與一般c軸壓縮應變<7%的大塊鎂單晶形成了鮮明的對比

圖 1：亞微米鎂單晶柱在c軸壓縮下均勻變形，然后在應變爆發中變平。壓縮前的初始支柱。插圖六邊形晶胞顯示加載方向。觀察方向，。b位錯的形成和運動。c在柱子的右下角形成了一個新的顆粒（白色箭頭）。d新晶粒中出現暗對比，表明內部有錯位或孿晶活動。e柱子突然變平。f從展平樣品中獲得的選定區域衍射圖案。g顯示兩階段塑性變形的相應應力-應變曲線

圖 2：新形成的晶粒包含高密度位錯。

圖 3：新晶粒的生長和收縮。

圖 4：c軸壓縮過程中形成的新晶粒的晶界原子結構。

圖 5：c軸壓縮過程中形成的納米級新晶粒核的邊界結構。

總之，目前的工作揭示了一種現象，即“變形晶粒”，它有可能在適當的活化條件下提高 Mg 的塑性。這在散裝材料中是否可行仍有待探索，但文獻中暗示 DG 可能在一些不尋常的觀察中發揮了作用。一種情況是在變形鎂合金中發現的一些不尋常的錯誤取向關系，不能根據已知的孿晶系統明確分類，這表明其他潛在的 DG 模式。另一個是當 Mg 合金進行“快速軋制” 39時，軋制能力顯著提高。，其中施加的應力預計遠高于正常軋制速度下的應力。在這種情況下，DG 可能在高于正常的滾動應變下啟用。我們的結果可能還有另一個含義：如果 Mg（以及可能的其他 HCP 金屬）在高應力條件下（例如在小尺寸樣品或由納米晶粒制成的樣品中，或在高應變率（如快速軋制或沖擊條件）下加工） ，通常較差的c軸塑性可以通過激活額外的塑性變形模式來克服，這可以恢復否則會耗盡的位錯活動，即使在施加的載荷從最硬的方向開始時也是如此。一般來說，DG機制在塊狀材料中的激活程度，以及它對機械性能、微觀結構演變和加工性能的可能影響值得進一步探索。