上海交大曾小勤团队在Acta Materialia发表论文:调控基面/非基面位错交互,实现镁合金强塑性协同提升
2025-07-10 11:22:45 作者:曾小勤,王静雅,刘博宇,于铭迪 来源:上海交通大学材料科学与工程学院 分享至:

 近日,上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成型国家工程研究中心曾小勤教授团队在镁合金多系滑移提升强韧性研究方面取得重要进展,创新性地提出并验证了一种通过调控镁合金内部不同滑移系位错(基面位错与锥面位错)的相互作用,从而显著提升基面滑移应变硬化能力与镁合金塑性的新策略,为设计新一代兼具高强度与高塑性的镁合金提供了全新理论依据和可行路径。相关成果“Anomalous strain hardening via manipulating basal/pyramidal dislocation interactions in the Mg-Y-Ca alloy”发表于国际材科科学顶级期刊《Acta Materialia》(https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121309. )。

上海交通大学曾小勤教授、王静雅副教授、西安交通大学刘博宇教授为文章共同通讯作者,上海交通大学博士生于铭迪(2023年博士研究生国家奖学金、2024年度上海交通大学优秀博士毕业生发展奖学金获得者)为论文第一作者。研究工作获得了国家自然科学基金(项目号:52471012, 52425101, 52371121, 52471013, U2241245)、马德里Comunidad de Madrid, Recovery, Transformation and Resilience Plan及欧盟NextGeneration EU基金支持的MAD2D项目的资助。

主要研究内容

对兼具高强度与高塑性材料的追求是金属材料科学领域的核心目标。然而,在材料中同时实现高强度和高塑性是长期以来的关键挑战。通常,高强度通过晶界、溶质原子和析出相阻碍位错运动来实现;而塑性则与材料的应变硬化能力相关,该能力源于位错的持续形核、运动及其相互作用。因此,设计同时具备高强度与高塑性的金属合金极为困难,在最轻的结构金属镁中尤为艰难。传统镁的塑性变形高度依赖于基面滑移,导致位错相互作用少、流变应力低、变形易局域化,最终引发低塑性(纯镁拉伸断裂延伸率常<5%)和强度-塑性互斥难题。虽然通过合金化促进锥面滑移是提升塑性的常见策略,但基面滑移在塑性变形过程中的主导地位及其引发的局部“位错雪崩”效应仍难以有效抑制。因此,为克服镁的强度-塑性互斥,必须抑制基面位错滑移,同时促进锥面位错滑移以增加位错相互作用概率,从而阻碍基面滑移局域化并诱导应变硬化。

曾小勤教授团队长期致力于镁合金塑性变形微观机制及强韧化设计研究,前期通过固溶元素调节滑移系启动能力差异提出“多系滑移协同增塑”的学术思想(相关成果发表于IJP, 2023, https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103525 ; ACTA, 2021, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117151;金属学报, 2025, https://doi.org/10.11900%2F0412.1961.2024.00358 等)。在此基础上,团队以能协同激活多滑移系协调塑性变形的Mg-Y-Ca合金为模型,结合单晶原位微柱压缩试验、EBSD/TKD表征、TEM三维重构及分子动力学模拟等手段,首次解析并主动设计了基面/非基面位错交互行为,提出促进有效位错交互以增强应变硬化的设计准则,为新型高强塑性镁合金设计提供新策略。

研究发现:在特定单晶加载条件下,基面位错与锥面位错相互作用,可形成具有纯分量的“不动割阶(Sessile jogs)”结构。这种结构宛如位错滑移路径上的“强效路障”,有效阻碍了基面位错的快速滑移与持续运动。这一关键机制显著缓解了基面滑移带的局域应变集中,赋予材料强应变硬化能力,持续升高的流变应力进一步促进了更多非基面位错的激活,形成良性循环,从而显著提升单相固溶态Mg-Y-Ca合金的应变硬化能力(UTS−YS为96MPa)与塑性(延伸率约31%)。该研究不仅首次揭示了通过调控特定类型位错(基面与锥面位错)相互作用来实现镁合金“反常”强应变硬化的具体微观机制,更提出了一条克服镁合金强度-塑性互斥难题的全新设计准则:关键在于通过调控非基面/基面滑移启动能力差于,促进有效的位错交互(特别是基面与锥面位错)。这一深刻理解为未来通过精准调控合金成分和微观结构,设计具有新型变形机制、实现强度与塑性协同提升的高性能镁合金奠定了坚实的科学基础。

图1 (a) HCP Mg 中基面、一级锥面和二级锥面滑移的SF。(b) Mg-Y-Ca合金中包含微柱压缩目标晶粒的IPF图,以及微柱的不同观察方向。(c)微柱取向的右视图以及SEM视角与块状样品表面的夹角α。

图2 (a) 变形微柱的工程应力-应变曲线。(b-f)从原位压缩视频中提取的变形微柱在不同变形阶段的图像,如图(a)中A至D点所示。(d1-f1)为(d-f)中绿色方形区域的放大图。(g)变形区域截图:E点取自微柱的原位压缩视频。从(h)顶部和(i)正面观察压缩后微柱的SEM图像,以及从正面观察压缩微柱的相应晶体结构示意图。

图3 (a) 变形后微柱透射片的弱束暗场(WBDF)照,使用衍射矢量g =(-12-12)。(b-c) STEM明场(STEM-BF)照,分别使用衍射矢量g = (0002)和g = (-12-10),用于研究图(a)中的相同区域。(d) 该薄片沿[10-10]晶带轴方向获取的选区电子衍射(SAED)花样。(e) 展示了沿[10-10]方向观察时,基面位错和锥面位错的相互作用。选择了两根弯曲的位错进行三维重构分析。每根位错被划分为不同的区段(S1-1, S1-2, S2-1, S2-2和S2-3)。(f)-(h) 观察方向分别为[10-10], [2-1-10]和[1-100]。三维重构揭示了位错和位错的基面滑移面和锥面滑移面。

图4 (a, b) 基面位错与锥面位错的局部原子结构。(c) 基面位错与锥面位错相互作用中形成的割阶。(d) 相互作用产生的不动割阶对基面位错滑移的阻碍作用。(e) 基面位错与锥面位错反应机制示意图。

图5 (a) 不同固溶态镁合金型材的延伸率及UTS-YS数据对比。(b) Mg-Y-Ca合金和纯镁中激活和滑移系所需的应力与晶体c轴及微柱压缩方向之间角度Φ的关联。


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