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作為最輕質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂在航空航天、汽車、高鐵、電子產(chǎn)品和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，相比于傳統(tǒng)的金屬材料，鎂的塑性較差，型材和零件的變形加工困難，工藝成本高。這嚴重制約了鎂作為結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用。

當前主流觀點認為，塑性差是鎂的本征屬性，原因是鎂中的錐面位錯（一種晶體缺陷）會自發(fā)地分解為不可滑移的結(jié)構(gòu)，無法協(xié)調(diào)塑性變形。因此，提高塑性需要通過添加某些特定的元素來調(diào)節(jié)錐面位錯的行為。但也有一些學(xué)者持不同觀點，認為錐面位錯是有效的塑性變形載體，只要能促進錐面位錯的形核和滑移，鎂的塑性就可以提高。上述爭議直接影響到下一代高塑性鎂合金的設(shè)計思路和技術(shù)路線，因而成為一個急需解決的科學(xué)難題。然而，由于錐面位錯的幾何形態(tài)和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，很難通過實驗來全面地解析。此前的研究通常以計算機模擬為主，相關(guān)觀點和推論均缺乏有力的實驗證據(jù)。

圖1：亞微米尺寸鎂的大塑性變形；圖2 實驗觀測到的塑性變形是由錐面位錯滑移主導(dǎo)的；圖3：原位電鏡捕捉到單根錐面位錯的滑移；圖4 三維圖像重構(gòu)幫助解析錐面位錯的形態(tài)及其滑移面。

針對上述難題，西安交通大學(xué)單智偉教授團隊經(jīng)過廣泛調(diào)研和深入討論，決定采用原位電鏡納米力學(xué)測試技術(shù)來解決樣品幾何形變、微觀結(jié)構(gòu)演化以及力學(xué)曲線三者之間一一對應(yīng)的難題；選取合適的加載方向來消除其它位錯的干擾；采用梯度樣品設(shè)計來解決捕捉和表征單根位錯難的問題；運用三維圖像重構(gòu)技術(shù)來解決位錯滑移面不易確定的難題；并通過對比力學(xué)曲線的方式澄清了電子束影響的問題。

得益于這些有針對性的實驗設(shè)計，研究團隊以令人信服的結(jié)果，證明了最起碼對亞微米尺度的純鎂而言，各種類型的錐面位錯（刃、螺、混合型）不僅可以滑移，而且可以導(dǎo)致非常大的塑性變形。與塊體材料相比，微納米樣品呈現(xiàn)出更高的屈服強度和流變應(yīng)力。因此，研究團隊推測高應(yīng)力促進了錐面位錯的形核和滑移，進而提高了測試樣品的塑性。通過進一步深入分析，不僅確定了位錯的滑移面，而且還清晰地觀察到錐面位錯的交滑移、位錯偶極子的形成以及位錯往復(fù)運動等此前尚未報道過的重要現(xiàn)象。

該研究為完善鎂的塑性變形理論提供了重要的實驗數(shù)據(jù)，并為高塑性鎂合金的開發(fā)帶來新的啟發(fā)。

單智偉教授與團隊成員一起討論實驗結(jié)果 

參與該工作的科研工作者還包括西安交通大學(xué)張磊教授、博士研究生楊楠、西安科技大學(xué)翟嘯波博士、美國麻省理工學(xué)院李巨教授、約翰霍普金斯大學(xué)馬恩教授、內(nèi)華達大學(xué)博士研究生楊洋。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、111計劃2.0、中國博士后科學(xué)基金、陜西省重點產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈、西安交大青年拔尖人才計劃和基本科研業(yè)務(wù)費等項目的資助。

近年來，單智偉研究團隊依托西安交通大學(xué)材料學(xué)院、金屬材料強度國家重點實驗室、西安交通大學(xué)微納中心和陜西省鎂基新材料工程研究中心，開展了一系列富有成效的基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)和成果轉(zhuǎn)化。2014年，發(fā)現(xiàn)了鎂中不同于位錯和孿晶的室溫變形新機制，成果發(fā)表于《自然·通訊》，并榮獲美國TMS學(xué)會鎂分會年度最佳基礎(chǔ)研究論文獎；系統(tǒng)研究了鎂合金中析出相形貌對孿晶行為的影響，并進而發(fā)展了一種判斷鎂合金強塑性的簡單判據(jù)，成果發(fā)表于《材料科學(xué)技術(shù)》（封面推薦，2018）；發(fā)現(xiàn)通過活化二氧化碳，可以在室溫下將鎂表面的氧化層或腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成一種致密的保護膜層，不僅可顯著提升鎂及其合金的抗腐蝕性和強韌性，而且大幅提高鎂的抗氧化能力，從而發(fā)明了一種綠色、低成本鎂合金涂層新技術(shù)，成果發(fā)表于《自然·通訊》（2018），并獲得國家發(fā)明專利授權(quán)；針對原鎂冶煉工藝落后、自動化程度低和環(huán)境污染嚴重的現(xiàn)狀，提出并驗證了原本需要在真空條件下進行的原鎂冶煉可以在常壓進行，并與華西能源公司聯(lián)合攻關(guān)，開展了原鎂常壓生產(chǎn)的工業(yè)化裝置的開發(fā)。針對原鎂雜質(zhì)元素種類多、含量高、波動大的痼疾，從原子機理出發(fā)，開發(fā)出全新的工藝流程，可在不顯著增加成本的情況下，從料球直接生產(chǎn)出99.99%以上純度的高純鎂，革新了此前領(lǐng)域內(nèi)普遍認為皮江法（硅熱還原法）不能直接生產(chǎn)高純原鎂的認知。上述成果的推廣和應(yīng)用，有望從整體上提升鎂基產(chǎn)品質(zhì)量和性能。