众所周知，金属结构材料强度和塑性的改善通常存在互斥关系，尤其对于具有六方晶格的镁合金而言，由于其较复杂的位错孪生变形机制，塑性通常较差，如何在提升强度的同时仍保持足够高的塑性始终是不断优化其力学性能过程中所要解决的问题。镁合金制备加工过程中的相变/变形行为与相应的热-动力学特征决定其最终的力学性能。长久以来，相变/变形热-动力学研究相对独立，但本质上相变和变形都是由热力学和动力学协同调控的改变材料原子排列结构的过程。相变和变形热-动力学的统一处理有望为以目标力学性能为导向的镁合金生产流程理性设计提供一条有效途径。 近年来，西北工业大学凝固技术国家重点实验室刘峰教授课题组一直从事相变热力学和动力学研究；基于热力学第一定律，提出热—动力学多样性，集中于修正热力学用于非平衡动力学，2012年开始，基于热力学第二定律提出热—动力学相关性，在非平衡材料加工过程中展示不同格局的热—动力学互斥，2020年迄今，进一步提出了统一相变和变形的广义稳定性概念，体现于热—动力学贯通性。正是在过往的研究基础上，刘教授课题组近日综述了镁合金的相变与变形微观机制研究进展，并利用热-动力学协同法则给予了全新的阐述。通过分析近年来大量业内镁合金力学性能设计案例，发现对于镁合金而言，大驱动力-大广义稳定性的相变/变形总是对应着优异的强塑性，这为贯通与调控镁合金加工过程中相变/变形热-动力学继而优化力学性能提供了明确的方向指引。该综述是对热-动力学协同设计材料理念的进一步完善，也是对广义稳定性理论在镁合金领域适用性的论证说明。 金属结构材料的相变/变形行为均表现出热-动力学多样性、热-动力学相关性和热-动力学贯通性，这就是所谓的热-动力学协同法。相变时新相产生的不同形核生长方式以及变形时不同滑移系的开动都对应着不同的热力学驱动力和动力学能垒，这种控制材料结构演化机制随热-动力学变化的现象正是由于热-动力学多样性所引起。实际上，相变/变形热力学和动力学的变化并非完全相互独立的，作者团队过去在对众多材料相变/变形的研究（例如，马氏体相变Acta Mater. 47 (2018) 261-276、晶界迁移J. Mater. Sci. Technol. 34 (2018) 1359–1363 等）中都表明，热力学驱动力和动力学能垒总会呈现出此消彼长的变化关系，如图1（a）所示，将这种现象称为热-动力学相关性。此外，相变与变形热-动力学间存在可遗传性，也称为贯通性，大驱动力-小能垒的相变产生的结构会呈现出大驱动力-小能垒的变形特征并表现出高强度低塑性；反之，小驱动力-大能垒的相变产生的结构会呈现出小驱动力-大能垒的变形特征，并表现出低强度高塑性。因此，这种相变/变形热-动力学与材料强塑性间的关联便可用图1（c）中的“跷跷板”来描述，若“跷跷板”的两端可以同时提升，大驱动力 G和大能垒Q便会带来材料强塑性的同时优化。 基于热-动力学相关性，作者课题组进一步提出了广义稳定性理论，这为定量调控相变/变形热-动力学来提升热-动力学“跷跷板”，继而优化材料强塑性提供了行之有效的方法（例如，在纳米晶铁基合金材料中的应用Acta Mater. 201 (2020) 167-181）。如图1（b）所示，广义稳定性是对传统热力学稳定性的延伸，同时包含了热力学和动力学效应，可用于描述动态原子结构变化过程（相变/变形）的可持续性。由广义稳定性定义式可见，大驱动力与大能垒的相变/变形通常具有大广义稳定性，因此“大驱动力-大广义稳定性”可作为优化镁合金力学性能的最终判据。利用该判据可依照图1（d）中“太极图”的流程针对镁合金的强塑性进行定向优化，通过设计加工过程中大驱动力-大广义稳定性的相变，借助热-动力学贯通性与热-动力学累积效应，最终遗传到变形时的位错热-动力学中，体现出大驱动力-大广义稳定性的变形，强塑性便得以同时提升。 图1. 热-动力学协同指引镁合金的力学性能设计：（a）相变与变形热-动力学相关性；（b）广义稳定性；（c）热力学驱动力与动力学能垒和强塑性的关联；（d）大驱动力-大广义稳定性的强塑性设计 大驱动力-大广义稳定性的热-动力学判据在镁合金设计中有效的前提条件为镁合金的相变/变形机制遵循热-动力学协同法则。文献研究表明，镁合金中主要位错与孪生行为都遵循热-动力学相关性，例如，位错在基面和柱面间的交滑移、位错在Ⅰ锥面和Ⅱ锥面间的交滑移以及向基面的分解等所对应的驱动力和能垒变化均呈现出此消彼长的关系。大驱动力指向优异的强度，源自位错间以及与晶体缺陷间的强交互作用；大广义稳定性指向优异的塑性，源自变形过程中不断激活的变形机制。通过改变加工过程中相变/变形热-动力学来设计镁合金当中的结构因子（包括合金元素、晶界、织构和析出相等），继而调控最终表现力学性能的变形过程中位错孪生与结构因子的交互作用机制，即变形热-动力学，是热-动力学协同指引镁合金设计的基本要义。通过调节镁合金中的结构因子可以使热-动力学判据得到满足。热-动力学累积效应以不同的结构因子（晶界、析出相等）为媒介使得在加工过程中每个阶段的相变/变形驱动力得到依次叠加，最终累积为大驱动力的变形；而特定的结构因子组合，例如，多层级纳米孪晶、纳米层错、双峰晶粒等，可以在驱动力累积的情况下，仍维持大的广义稳定性，保持优异的塑性。热-动力学协同指引镁合金设计旨在开发更多的结构因子组合，以寻找满足热-动力学判据情况下强塑性进一步优化的可能性。 尽管大量镁合金力学性能设计案例均符合“大驱动力-大广义稳定性”的强韧化热-动力学判据，但基于热-动力学协同法则的镁合金设计仍有许多问题需要解决。例如，调控镁合金相变/变形热-动力学相关性与贯通性的微观物理机制的揭示；广义稳定性定量计算所需的镁合金热-动力学数据库的构建；微观结构演化历史的热-动力学变化特征与最终表现出力学性能间对应关系的定量探究，从而在掌握镁合金相变/变形热-动力学协同法则的基础上实现镁合金力学性能的理性设计。 |
