通过动态压缩实现大块镁单晶的高度塑性

《Journal of Materials Science & Technology》：Achieving Large Plasticity in Bulk Magnesium Single Crystal via Dynamic Compression

　　镁单晶c轴压缩实验表明，准静态压缩以孪生主导，应力集中引发裂纹和孔洞导致早期失效；动态压缩通过变形晶粒化抑制孪生，形成多晶结构并激活基面滑移，显著提升塑性。

　　
镁合金单晶在准静态与动态压缩下的变形行为差异及其机理研究

镁合金因其优异的轻量化特性在高性能结构件中具有广阔应用前景。然而，镁合金独特的晶体结构（六方密排结构）导致其变形机制复杂，在准静态和动态压缩条件下表现出显著不同的力学行为。本研究通过对比分析纯镁单晶在准静态（10?3 s?1）和动态（103 s?1）压缩下的变形行为，揭示了变形晶粒（deformation graining）这一新机制在动态条件下的主导作用，为镁合金塑性调控提供了新思路。

一、实验背景与方法
研究采用 Bridgman 法制备的纯镁单晶（99.99%纯度），通过电火花加工（EDM）切割成1mm直径、1mm长度的圆柱试样。准静态压缩在万能试验机（AG-100KNXplus）进行，应变速率为10?3 s?1。动态压缩采用分切式霍普金森压杆（SHPB）系统，应变速率达103 s?1。变形后试样经化学侵蚀处理，结合光学显微镜（OM）、X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）进行表征。分子动力学模拟（MD）采用LAMMPS软件，基于Sun等人发展的镁原子间作用势模型，构建单晶模型进行原子尺度模拟。

二、主要实验结果
1. 宏观形貌对比
准静态压缩试样在塑性变形阶段（应变>5%）出现贯穿性裂纹，最终断裂发生在10%应变以内。动态压缩试样则形成典型的片状（pancake-like）结构，最大压缩应变达40%，且裂纹仅出现在试样边缘（图1）。这种显著差异源于动态条件下高温变形机制（300-500℃）的激活。

2. 显微结构演变
准静态压缩区域形成高密度层状孪晶（图2a），典型特征为{10< overline >21} CTWs与{10< overline >12} TTWs交替出现。孪晶界处应力集中导致微裂纹萌生并扩展，形成平行于压缩轴的裂纹网络。动态压缩区域则呈现多边形新晶粒（图2c），晶界呈低角度（<15°）分布，晶粒尺寸在5-20μm之间。EBSD分析显示，新晶粒具有共同<0002>取向，形成"单轴取向"结构（图4）。

3. XRD纹理分析
初始单晶呈现典型的基面织构（图3a）。准静态压缩后，出现（10< overline >1>和（10< overline >2>等次生衍射峰，表明孪生诱发非基面滑移。动态压缩试样仍保持高强度基面衍射峰（图3b），但出现（11< overline >2>等新峰，对应变形晶粒的基面滑移激活。

三、关键机制分析
1. 孪生主导型失效
准静态条件下，CTWs（{10< overline >1>}）在应力集中区域优先形成，随后TTWs（{10< overline >2>}）通过逆孪生机制覆盖CTWs，形成双孪晶（DTWs）。这种层状结构导致裂纹沿孪晶界扩展，裂纹密度达101? m?3量级，显著降低材料延展性。

2. 变形晶粒形成机制
动态压缩通过三个协同机制实现变形晶粒化：
（1）高温效应：剪切带局部温度可达600℃，诱发动态回复
（2）位错重组：初始位错密度（101? m?2）通过交叉滑移形成亚结构
（3）晶界迁移：临界分切应力降低至0.2σ?时，晶界开始迁移重组

MD模拟显示，初始位错环（直径约5μm）在压缩过程中通过螺位错分解形成位错胞结构。当胞壁间距缩小至临界值（约1μm）时，晶界迁移引发新晶粒形成，其生长动力学符合经典Hall-Petch关系：τ=τ?+kd?1/2（k=1.2×103 MPa·m1/2，d为晶粒尺寸）。

3. 基面滑移激活机制
动态条件下，新晶粒的{10< overline >2>滑移系分切应力降低至0.1MPa量级，促使：
（1）位错密度从初始的101? m?2增至102? m?2
（2）平均滑移线间距从5μm压缩至0.5μm
（3）形成连续的基面滑移带（图5b）

四、力学性能优化效应
动态压缩试样的断裂应变较准静态提升3倍（10%→40%），其机制包含：
1. 变形晶粒强化：晶界强化贡献达σ?/3
2. 滑移系协同：激活4个基面滑移系（vs准静态的1-2系）
3. 微裂纹抑制：裂纹密度降低至101? m?3量级
4. 晶界滑移：新晶粒间通过<10< overline >1>晶界实现协调变形

五、工业应用启示
1. 材料制备：通过控制应变率（>500s?1）和温度（>300℃）实现变形晶粒定向生长
2. 工艺优化：轧制工艺中应避免剧烈变形（<5%应变速率），推荐采用"预变形+热处理"组合工艺
3. 建模指导：动态变形晶粒的Gibbs自由能变化ΔG=ΔG?+ασ2（α=0.02 MPa?1）
4. 裂纹控制：晶界曲率半径R<10μm时，裂纹萌生率降低90%

六、研究展望
未来研究应着重解决：
1. 多晶尺度变形晶粒的异质界面问题
2. 动态变形晶粒的取向梯度控制
3. 超细晶（<1μm）变形晶粒的稳定性
4. 热机械耦合作用下的晶粒演化

该研究为镁合金增韧提供了新思路，通过调控变形条件（如应变速率、温度、晶粒尺寸）实现从孪生主导到变形晶粒主导的相变，使镁合金的断裂应变从工业纯镁的1.5%提升至4.0%以上。这为开发新型镁合金复合材料（如镁基金属玻璃）和先进加工技术（如等通道转角挤压）提供了理论支撑。