在国家自然科学基金项目（批准号：51601141，51621063，11504290，11834018）等资助下，西安交通大学单智伟教授团队和澳大利亚莫纳什大学聂建峰教授、美国内华达大学李斌教授等开展合作研究，在金属镁的塑性变形理论研究领域取得重要进展，发现锥面位错可导致亚微米金属镁的大塑性变形。研究成果以“Large Plasticity in Magnesium Mediated by Pyramidal Dislocations”（锥面位错导致金属镁大塑性变形）为题，于2019年7月5日在Science（《科学》）上发表。

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/365/6448/73。

作为最轻质的金属结构材料，镁在航空航天、汽车、高铁、电子产品和医疗等领域具有广阔的应用前景。然而，相比于传统的金属材料，镁的塑性较差，型材和零件的变形加工困难，这严重制约了镁作为结构材料的广泛应用。研究表明，对于镁及其合金而言,要实现变形加工所必需的稳态塑性流变，需要材料中的基面位错和锥面位错协调作用。目前有观点认为，锥面位错因其本质上的不稳定，会自发地分解为不可滑移的结构，因而不是有效的塑性载体，因此，塑性差是镁的本征属性，提高塑性需要通过添加某些特定的元素来调节锥面位错的行为。但也有一些学者持截然不同的观点，他们认为锥面位错可以成为有效的塑性变形载体，因而只要能促进锥面位错的形成和滑移，镁的塑性就可以提高。上述争议直接影响到下一代高塑性镁合金的设计思路和技术路线，是一个亟待澄清的科学问题。

最近单智伟教授及其合作者采用定量原位透射电镜纳米力学测试，选取合适的加载方向消除其它位错干扰，设计梯度样品捕捉和表征单根位错，通过三维图像重构和对比力学曲线的方式，证明对亚微米尺度纯镁而言，各种类型锥面位错（刃、螺、混合型）不仅可以滑移，而且可以导致非常大的塑性变形，其原因应该是高应力促进了锥面位错的形核和滑移，进而提高塑性。进一步的分析还确定了位错的滑移面，清晰地观察到了交滑移、位错偶极子的形成以及位错往复运动等此前尚未报道过的重要现象。上述结果表明，塑性差并不是镁的固有属性，提高镁及其合金的塑性，可以通过细化晶粒（将晶粒尺寸缩小至微纳米级别）或提高应变速率，也是行之有效的方法。该研究为完善镁的塑性变形理论提供了重要的实验依据，并为高塑性镁合金的研发带来新的思路。
 

图. 镁中锥面位错的典型运动行为及其三维空间模拟形态