镁是最轻的结构金属，密度为 1.74 g/cm 3，分别比铝和铁低 35% 和 77%。镁合金广泛用于提高汽车、飞机和航空航天应用的能源效率。然而，由于低对称六方密排（HCP）结构的各向异性，限制镁合金应用的一个关键问题是其延展性，这使得部件的加工和成型相当困难且成本高。另一方面，超塑性，即多晶材料在高温下表现出极大变形的能力，为提高镁合金的延展性和生产形状复杂的部件提供了一条有希望的途径。
稳定的细晶粒结构是实现金属超塑性的关键因素。稳定细晶粒结构的传统策略是引入高密度的第二相析出物，这会通过齐纳钉扎机制阻碍晶粒生长，正如 Ti-6Al -4 V、Mg-Al-Zn和 Al-Mg 合金中所设计的那样。然而，由于合金含量低且缺乏析出物，这种方法在低合金镁体系中无效。我们通过引入溶质偏析在低合金镁体系（添加元素含量 < 2.0 wt.%）中获得超塑性，这不仅提高了细晶结构的稳定性，而且降低了超塑性镁合金的成本。使用这种策略，我们表明 Mg-1Zn-0.2Ca-0.2Zr-0.1Ag (wt.%) (ZXKQ1000) 合金在 300 °C 时可以达到 ∼450% 的超塑性应变，初始应变率为1 × 10 - 3 s - 1 ，而在相似的温度和应变速率下，典型AZ31 合金的 ∼300%。
在文献中，人们普遍认为主要的超塑性机制之一是晶界滑动（GBS）机制（Pearson，1934）。然而，晶粒平移（即一个晶粒在其边界处相对于其相邻晶粒平移）会导致相关三重或四重接合处的应变不相容，这需要位错辅助调节。基于先前的实验观察，已经提出了几种模型来描述位错运动与 GBS 相关。Ball 和 Hutchison（Ball 和 Hutchison，1969 年）提出，GBS 可以通过锌合金中阻塞晶粒的位错活动来适应。Gifkins (1976)根据他对铅合金的研究，声称 GBS 应该被限制在晶界附近但被排除在晶粒中心之外的位错活动来适应。Ashby 和 Verrall (1973)提出了一个模型，即使不涉及位错滑移，也可以通过三结周围的局部扩散质量传输来实现晶粒切换事件。
尽管先前的研究暗示GBS与位错运动之间存在内在相关性，但没有关于（i）晶界位错和晶内位错的运动以及（ii）与晶界（GB）变化相关的位错类型和密度的定量分析。 GBS 期间的结构，部分原因是缺乏严格的理论框架。一般来说，在超塑性变形过程中可能会出现多种应力驱动的GB 迁移 (SDGBM) 机制，例如 GBS 和晶粒旋转，这需要一个新的理论框架来捕捉多种缺陷的共同演化。在这项工作中，我们从一个新的角度研究超塑性机制，即位错和向错的协同运动和反应，从而基于缺陷的拓扑理论对 SDGBM 进行了定量描述（Kleman 和 Friedel，2008；Mermin , 1979 年）。在这里，我们提出了一种基于向错位错反应 (DDR) 的新超塑性模型，它可以为 SDGBM 的拓扑性质和相关的超塑性行为提供新的见解。
在这项工作中，吉林大学王慧远教授团队设计了一种新型低合金 ZXKQ1000，其具有通过溶质偏析增强的稳定细晶粒结构（晶粒尺寸 ∼4.3 μm），实现了 ∼450% 的超塑性应变。通过准原位EBSD分析，系统研究了不同应变下的超塑性行为。已经发现迁移GB可以吸收晶内位错，这显著降低了储存的弹性能，而不会在 GBs处产生应力集中（正如 GBs 处的低向错密度所暗示的那样）。根据位错理论，我们报告了与实验观察一致的基于DDR的超塑性变形机制。我们的新结果提出了一种有前景的低合金超塑性镁系统设计策略，并有助于理解 DDR 介导的 SDGBM 机制与超塑性加工之间的相关性。相关研究成果以题“Enhanced superplasticity achieved by disclination-dislocation reactions in a fine-grained low-alloyed magnesium system”发表在国际著名期刊International Journal of Plasticity上。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641922000821
