1. 简介

镁（Mg）及其合金有限的滑移系统阻碍了其在关键领域的广泛应用。合理设计这类轻质合金需要对其微观塑性机制有基本认知，然而这些机制至今仍未完全明晰。

本研究通过对Mg合金在10⁻⁵ s⁻¹至2000 s⁻¹宽应变速率范围内的拉伸变形，首次揭示了位错机制随应变速率的依赖性转变。这种塑性机制的转变通过两个显著不同的激活体积得以识别。通过系统实验表征（如双束条件下的透射电子显微镜和同步辐射X射线衍射分析），我们定性和定量地分析了不同应变速率下位错的特征变化，发现随着应变速率增加，位错机制从易滑移的〈a〉位错转变为可滑移的〈c + a〉位错主导。具体而言，高温激活的位错核心从解离构型向紧凑构型的转变，使得〈c + a〉位错在高应变速率下暂时具备可滑移性，从而主导塑性变形。这与低应变速率下〈a〉位错的主导地位形成鲜明对比。此外，研究发现大量〈c + a〉位错并不必然提升延展性，这与传统认知相悖。这些结果有望为深入理解Mg合金的塑性机制提供新视角。

2. 文章亮点

1. 揭示应变速率依赖的位错机制转变
首次在镁合金中发现应变首次在镁合金中发现应变速率在约330 s⁻¹时，位错机制从易滑移的〈a〉位错主导转变为可滑移的〈c + a〉位错主导，并通过激活体积差异（149b³→10b³）和TEM³→10b³）和TEM/XRD实验验证了这一动态转变。

2. 发现〈c + a〉位错的可滑移性热激活机制
提出高应变速率下，位错核心从解离构型向紧凑构型的热激活转变，使〈c + a〉位错暂时具备滑移能力，挑战了传统认为其高CRSS导致不可滑移的CRSS导致不可滑移的认知。

3. 颠覆〈c + a〉位错与延展性的传统关联
实验证明高应变速率下〈c + a〉位错占比提升（50.3%）反而降低延展性，表明其塑性贡献取决于平均自由程而非单纯数量，为合金设计提供新视角。

3. 研究背景

镁（Mg）作为结构金属材料中密度最低的成员（约为钢的五分之一，铝的三分之二），其轻量化特性使其在能源、交通和航空航天等关键领域具有重要应用价值，对实现环境可持续性和提升人类生活质量具有重要意义。然而，镁合金有限的塑性易在成型和使用过程中引发失效，严重限制了其广泛应用。目前商用镁制品（如车辆和电子元件）通常采用简单几何构型以降低失效风险，但在冲击载荷下仍比铝合金更易开裂。在碰撞、凹陷等成型和服役过程中，镁合金的力学响应显著依赖于应变速率（这一参数始终处于动态变化中），因此理解不同应变速率下镁合金的塑性机制成为进一步改善其工程适用性能的理论基础。

尽管针对准静态应变速率（通常为10⁻³ s⁻¹）下镁合金塑性机制的研究已较为深入，但应变速率的影响机制至今尚未达成共识。在低应变速率下，具有六方密排（HCP）晶体结构的镁主要通过基面〈a〉位错滑移激活塑性变形，这是因为其临界分切应力（CRSS）远低于非基面变形模式。然而，仅靠基面〈a〉位错的单一激活模式无法满足von Mises准则所需的应变分量——该准则是晶体实现任意形状变化和连续塑性流动的必要条。棱柱面〈a〉滑移作为补充塑性机制可提供两个额外的独立滑移系，使总独立滑移系增至四个。但仅含〈a〉伯氏矢量的位错无论滑移面如何都无法提供满足von Mises准则的c轴应变。虽然镁中的孪生变形能沿c轴提供额外塑性应变（最大约7%），但c轴应变不足仍是准静态应变速率下镁合金低延展性的主因。

近年来，含c轴分量的〈c + a〉位错因其可能贡献广义塑性而成为研究焦点。例如，微柱实验发现，沿c轴压缩的镁单晶微柱在〈c + a〉位错大量出现时表现出增强的塑性。但在块体多晶样品中，由于极高的CRSS，低应变速率下难以激活〈c + a〉位错。添加稀土（RE）元素被证明是有效手段，但其机制复杂且不明确：Sandlöbes等认为钇（Y）元素通过降低I₁层错能促进〈c + a〉位错形成，而Agnew等将Mg-Y合金中〈c + a〉位错源归因于预存I₁层错。Wu等则发现特定RE元素可通过促进交滑移显著增加〈c + a〉位错增殖。尽管这些研究直接将延展性提升与〈c + a〉位错相关联，但其迁移率（控制位错平均自由程及最大剪切应变）仍不明确。分子动力学模拟显示，〈c + a〉位错在易滑移的锥II面上不稳定，会自发转变为基面解离的固着结构；而单晶实验却观察到这类位错发生弓出而非固着。

值得注意的是，现有研究主要集中于准静态应变速率下的塑性机制，对应变速率影响的认知仍存在空白：尚不清楚高应变速率下〈a〉位错是否仍占主导，或〈c + a〉位错能否持续提升塑性。理论上，有限温度下位错运动（无论类型）均依赖热激活过程，如弯结对形成、障碍物绕过或交滑移。因此，应变速率可能通过不同的热激活机制对〈a〉和〈c + a〉位错产生差异化影响。

4. 图文解析

5. 文章结论

本研究通过实验和理论分析，揭示了Mg合金在宽应变速率范围内的位错机制转变。具体表现为：在低应变速率下（ε˙ a〉位错主导，其激活体积较大（V* ≈ 149b³）；而在高应变速率下（ε˙ > 330 s⁻¹），〈c + a〉位错通过热激活机制暂时获得滑移能力，成为主导变形机制，其激活体积显著减小（V* ≈ 10b³）。这种转变源于位错核心从基面解离态向锥面紧凑态的热激活重组过程。值得注意的是，尽管高应变速率下〈c + a〉位错密度显著增加（占比达50.3%），但合金的均匀延伸率并未提升，反而降至约4%，表明位错平均自由程而非单纯数量对塑性贡献起决定性作用。

这些发现挑战了传统认为〈c + a〉位错必然改善Mg合金塑性的观点，强调了位错可动性对宏观力学性能的关键影响。研究结果为理解Mg合金的速率控制塑性机制提供了新见解，对其在冲击载荷等动态条件下的应用具有指导意义。未来研究可进一步探索位错核心转变的原子尺度机制，以及通过成分/工艺设计调控位错行为以优化力学性能的途径。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119474