鎂由於密度低、比強度和比剛度高等優點，是極具潛力的輕量化結構材料，在交通運輸、航空航天等行業具有極大應用前景。然而，鎂的強度和剛度較差仍然是其廣泛應用的重要障礙之一。此外，由於鎂的密排六方(HCP)結構，成形性較差，進一步限制了其應用。奈米結構是同時提高鎂合金強度和塑性的有效途徑。與粗晶多晶材料相比，奈米晶材料的強度、硬度和韌性均大幅提高，而彈性模量有所降低。目前針對面心立方(FCC)奈米晶金屬，晶粒尺寸與變形機制及力學效能的關係已開展了深入研究。而對於密排六方(HCP)奈米晶鎂的強度和變形機制的晶粒尺寸敏感性相關研究仍然較為缺乏。

近日，來自美國聖地亞哥州立大學的Wenwu Xu博士等人透過Voronoi鑲嵌法建立了平均晶粒尺寸分別為6.4 nm、10 nm、15 nm、20 nm、25 nm、30 nm、35 nm、40 nm、45 nm的三維奈米晶鎂模型，採用經典分子動力學(MD)方法模擬了試樣沿x方向的單軸拉伸變形行為，並利用軟體開放視覺化工具(OVITO)進行了原子天然晶體結構標記和位錯量化分析。結果表明，在平均晶粒尺寸較大(大於25 nm)時，奈米晶鎂的變形機制主要為位錯機制；當平均晶粒尺寸較小(小於10 nm)時，奈米晶鎂的變形機制主要為晶界機制(晶界滑動/晶粒旋轉)。奈米晶鎂的彈性模量在晶粒尺寸減小到20 nm以下時迅速降低。

文章系統研究了不同晶粒尺寸奈米晶鎂的拉伸變形行為和變形過程中的原子微觀結構變化情況。圖1和圖2分別為不同應變下平均晶粒尺寸為45 nm和6.4 nm的奈米晶鎂樣品的原子微觀結構圖。其中藍色、綠色、紅色和白色原子分別代表HCP結構、晶界或位錯、FCC結構(堆垛層錯)和過渡BCC結構。在零應變條件下，所有樣品均存在不同數量的殘餘位錯，集中在晶界區域。對平均晶粒尺寸為45 nm的樣品，塑性變形剛開始時，出現了FCC結構肖克利不全位錯(SPD)形核，如圖1(b)中白色虛線圈所示。當塑性應變達到0.1時，出現了孿晶變形機制，形成了新的奈米晶孿晶(NG)，如圖1(c)所示。此外，伴隨著孿晶活動，SPD形成並分裂，產生了如圖1(d)虛線所示的層錯堆積，限制了晶界滑動，位錯形核成為其最有利的變形方式。

圖1 不同應變下平均晶粒尺寸為45 nm的奈米晶鎂原子微觀結構：(a) ε= 0.0，(b) ε= 0.06，(c) ε= 0.1，(d) ε= 0.2隨著晶粒尺寸減小，基面位錯的形核和遷移率降低，孿晶作為調節c軸應變機制的需求減少，孿晶的形成和生長不明顯。從圖2可以發現，平均晶粒尺寸為6.4 nm的奈米晶鎂的變形主要與晶界機制有關，晶界原子在變形過程中起主導作用。塑性變形開始時(ε= 0.06)，在堆垛層錯相連處形成了肖克利不全位錯，這與晶粒尺寸為45 nm的樣品相似。在應變為0.1時，樣品中未觀察到肖克利不全位錯顯著增加和孿晶形成。然而，隨著應變從0.1增加到0.2，G1、G2相鄰晶粒的取向差發生較大變化(如圖2(c)，2(d)所示)，說明平均晶粒尺寸為6.4 nm的奈米晶鎂在變形過程中晶界旋轉和晶界滑動成為主導機制。

圖2 不同應變下平均晶粒尺寸為6.4 nm的奈米晶鎂原子微觀結構：(a) ε= 0.0，(b) ε= 0.06，(c) ε= 0.1，(d) ε= 0.2文章對比了分子動力學模擬的位錯密度和採用奧羅萬方程計算ε= 0.204時的位錯密度。發現晶粒尺寸≥25 nm時，二者較吻合；晶粒尺寸較小時（<25 nm），與分子動力學結果相比，奧羅萬方程嚴重高估了位錯密度。這一結果進一步支撐了超細奈米晶鎂中的晶界滑動和晶界旋轉機制。在奈米晶鎂中，分子動力學模擬的應力分佈與純位錯主導的模擬近似應力分佈如圖3所示。其中實線為分子動力學模擬的應力分佈曲線，點狀曲線為不同晶粒尺寸模擬獲得純位錯主導的近似應力分佈曲線。結果表明，奈米晶鎂中，隨著晶粒尺寸的增加，由晶界主導向位錯主導逐漸轉變。當未發生塑性變形時，每個樣品在彈性區域的分子動力學模擬應力分佈(實線)與純位錯主導的近似應力分佈(點狀曲線)相重合。而在塑性變形區，由於不同的塑性變形機制，平均晶粒尺寸為6.4 nm的奈米晶鎂的分子動力學模擬應力曲線與近似應力曲線的差異最顯著(圖3a)。隨著晶粒尺寸增大，應力分佈逐漸遵循位錯主導應力分佈的趨勢，表明變形機制在逐漸變化。

圖3 奈米晶鎂中從晶界主導到位錯主導逐漸轉變的應力分佈圖文章還研究了鎂的彈性模量與晶粒尺寸的關係，如圖4所示。當平均晶粒尺寸在20 nm以上時，奈米晶鎂的楊氏模量與粗晶鎂相當，介於單晶鎂沿<0001>和<1010>方向的彈性模量之間。當平均晶粒尺寸在20 nm以下時，楊氏模量對晶粒尺寸高度敏感，隨著晶粒尺寸減小，楊氏模量急劇降低。綜上所述，本文報道了超細奈米晶中基於晶界的變形機制，為改善鎂合金的不良成形性提供一種潛在的補救方法，併為將來開發高效能奈米晶鎂合金提供了必要的基礎知識。

圖4 奈米晶鎂、粗晶鎂以及沿<0001>方向(垂直於基面)或<1010>方向(平行於基面)載入時單晶鎂的彈性模量與晶粒尺寸的關係