眾所周知，金屬結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度和塑性的改善通常存在互斥關(guān)系，尤其對(duì)于具有六方晶格的鎂合金而言，由于其較復(fù)雜的位錯(cuò)孿生變形機(jī)制，塑性通常較差，如何在提升強(qiáng)度的同時(shí)仍保持足夠高的塑性始終是不斷優(yōu)化其力學(xué)性能過程中所要解決的問題。鎂合金制備加工過程中的相變/變形行為與相應(yīng)的熱-動(dòng)力學(xué)特征決定其最終的力學(xué)性能。長(zhǎng)久以來，相變/變形熱-動(dòng)力學(xué)研究相對(duì)獨(dú)立，但本質(zhì)上相變和變形都是由熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)協(xié)同調(diào)控的改變材料原子排列結(jié)構(gòu)的過程。相變和變形熱-動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)一處理有望為以目標(biāo)力學(xué)性能為導(dǎo)向的鎂合金生產(chǎn)流程理性設(shè)計(jì)提供一條有效途徑。

近年來，西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉峰教授課題組一直從事相變熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究；基于熱力學(xué)第一定律，提出熱—?jiǎng)恿W(xué)多樣性，集中于修正熱力學(xué)用于非平衡動(dòng)力學(xué)，2012年開始，基于熱力學(xué)第二定律提出熱—?jiǎng)恿W(xué)相關(guān)性，在非平衡材料加工過程中展示不同格局的熱—?jiǎng)恿W(xué)互斥，2020年迄今，進(jìn)一步提出了統(tǒng)一相變和變形的廣義穩(wěn)定性概念，體現(xiàn)于熱—?jiǎng)恿W(xué)貫通性。正是在過往的研究基礎(chǔ)上，劉教授課題組近日綜述了鎂合金的相變與變形微觀機(jī)制研究進(jìn)展，并利用熱-動(dòng)力學(xué)協(xié)同法則給予了全新的闡述。通過分析近年來大量業(yè)內(nèi)鎂合金力學(xué)性能設(shè)計(jì)案例，發(fā)現(xiàn)對(duì)于鎂合金而言，大驅(qū)動(dòng)力-大廣義穩(wěn)定性的相變/變形總是對(duì)應(yīng)著優(yōu)異的強(qiáng)塑性，這為貫通與調(diào)控鎂合金加工過程中相變/變形熱-動(dòng)力學(xué)繼而優(yōu)化力學(xué)性能提供了明確的方向指引。該綜述是對(duì)熱-動(dòng)力學(xué)協(xié)同設(shè)計(jì)材料理念的進(jìn)一步完善，也是對(duì)廣義穩(wěn)定性理論在鎂合金領(lǐng)域適用性的論證說明。

金屬結(jié)構(gòu)材料的相變/變形行為均表現(xiàn)出熱-動(dòng)力學(xué)多樣性、熱-動(dòng)力學(xué)相關(guān)性和熱-動(dòng)力學(xué)貫通性，這就是所謂的熱-動(dòng)力學(xué)協(xié)同法。相變時(shí)新相產(chǎn)生的不同形核生長(zhǎng)方式以及變形時(shí)不同滑移系的開動(dòng)都對(duì)應(yīng)著不同的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力和動(dòng)力學(xué)能壘，這種控制材料結(jié)構(gòu)演化機(jī)制隨熱-動(dòng)力學(xué)變化的現(xiàn)象正是由于熱-動(dòng)力學(xué)多樣性所引起。實(shí)際上，相變/變形熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的變化并非完全相互獨(dú)立的，作者團(tuán)隊(duì)過去在對(duì)眾多材料相變/變形的研究（例如，馬氏體相變Acta Mater. 47 (2018) 261-276、晶界遷移J. Mater. Sci. Technol. 34 (2018) 1359–1363 等）中都表明，熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力和動(dòng)力學(xué)能壘總會(huì)呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的變化關(guān)系，如圖1（a）所示，將這種現(xiàn)象稱為熱-動(dòng)力學(xué)相關(guān)性。此外，相變與變形熱-動(dòng)力學(xué)間存在可遺傳性，也稱為貫通性，大驅(qū)動(dòng)力-小能壘的相變產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)出大驅(qū)動(dòng)力-小能壘的變形特征并表現(xiàn)出高強(qiáng)度低塑性；反之，小驅(qū)動(dòng)力-大能壘的相變產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)出小驅(qū)動(dòng)力-大能壘的變形特征，并表現(xiàn)出低強(qiáng)度高塑性。因此，這種相變/變形熱-動(dòng)力學(xué)與材料強(qiáng)塑性間的關(guān)聯(lián)便可用圖1（c）中的“蹺蹺板”來描述，若“蹺蹺板”的兩端可以同時(shí)提升，大驅(qū)動(dòng)力 G和大能壘Q便會(huì)帶來材料強(qiáng)塑性的同時(shí)優(yōu)化。

基于熱-動(dòng)力學(xué)相關(guān)性，作者課題組進(jìn)一步提出了廣義穩(wěn)定性理論，這為定量調(diào)控相變/變形熱-動(dòng)力學(xué)來提升熱-動(dòng)力學(xué)“蹺蹺板”，繼而優(yōu)化材料強(qiáng)塑性提供了行之有效的方法（例如，在納米晶鐵基合金材料中的應(yīng)用Acta Mater. 201 (2020) 167-181）。如圖1（b）所示，廣義穩(wěn)定性是對(duì)傳統(tǒng)熱力學(xué)穩(wěn)定性的延伸，同時(shí)包含了熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，可用于描述動(dòng)態(tài)原子結(jié)構(gòu)變化過程（相變/變形）的可持續(xù)性。由廣義穩(wěn)定性定義式可見，大驅(qū)動(dòng)力與大能壘的相變/變形通常具有大廣義穩(wěn)定性，因此“大驅(qū)動(dòng)力-大廣義穩(wěn)定性”可作為優(yōu)化鎂合金力學(xué)性能的最終判據(jù)。利用該判據(jù)可依照?qǐng)D1（d）中“太極圖”的流程針對(duì)鎂合金的強(qiáng)塑性進(jìn)行定向優(yōu)化，通過設(shè)計(jì)加工過程中大驅(qū)動(dòng)力-大廣義穩(wěn)定性的相變，借助熱-動(dòng)力學(xué)貫通性與熱-動(dòng)力學(xué)累積效應(yīng)，最終遺傳到變形時(shí)的位錯(cuò)熱-動(dòng)力學(xué)中，體現(xiàn)出大驅(qū)動(dòng)力-大廣義穩(wěn)定性的變形，強(qiáng)塑性便得以同時(shí)提升。

圖1. 熱-動(dòng)力學(xué)協(xié)同指引鎂合金的力學(xué)性能設(shè)計(jì)：（a）相變與變形熱-動(dòng)力學(xué)相關(guān)性；（b）廣義穩(wěn)定性；（c）熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力與動(dòng)力學(xué)能壘和強(qiáng)塑性的關(guān)聯(lián)；（d）大驅(qū)動(dòng)力-大廣義穩(wěn)定性的強(qiáng)塑性設(shè)計(jì)

大驅(qū)動(dòng)力-大廣義穩(wěn)定性的熱-動(dòng)力學(xué)判據(jù)在鎂合金設(shè)計(jì)中有效的前提條件為鎂合金的相變/變形機(jī)制遵循熱-動(dòng)力學(xué)協(xié)同法則。文獻(xiàn)研究表明，鎂合金中主要位錯(cuò)與孿生行為都遵循熱-動(dòng)力學(xué)相關(guān)性，例如，位錯(cuò)在基面和柱面間的交滑移、位錯(cuò)在Ⅰ錐面和Ⅱ錐面間的交滑移以及向基面的分解等所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力和能壘變化均呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。大驅(qū)動(dòng)力指向優(yōu)異的強(qiáng)度，源自位錯(cuò)間以及與晶體缺陷間的強(qiáng)交互作用；大廣義穩(wěn)定性指向優(yōu)異的塑性，源自變形過程中不斷激活的變形機(jī)制。通過改變加工過程中相變/變形熱-動(dòng)力學(xué)來設(shè)計(jì)鎂合金當(dāng)中的結(jié)構(gòu)因子（包括合金元素、晶界、織構(gòu)和析出相等），繼而調(diào)控最終表現(xiàn)力學(xué)性能的變形過程中位錯(cuò)孿生與結(jié)構(gòu)因子的交互作用機(jī)制，即變形熱-動(dòng)力學(xué)，是熱-動(dòng)力學(xué)協(xié)同指引鎂合金設(shè)計(jì)的基本要義。通過調(diào)節(jié)鎂合金中的結(jié)構(gòu)因子可以使熱-動(dòng)力學(xué)判據(jù)得到滿足。熱-動(dòng)力學(xué)累積效應(yīng)以不同的結(jié)構(gòu)因子（晶界、析出相等）為媒介使得在加工過程中每個(gè)階段的相變/變形驅(qū)動(dòng)力得到依次疊加，最終累積為大驅(qū)動(dòng)力的變形；而特定的結(jié)構(gòu)因子組合，例如，多層級(jí)納米孿晶、納米層錯(cuò)、雙峰晶粒等，可以在驅(qū)動(dòng)力累積的情況下，仍維持大的廣義穩(wěn)定性，保持優(yōu)異的塑性。熱-動(dòng)力學(xué)協(xié)同指引鎂合金設(shè)計(jì)旨在開發(fā)更多的結(jié)構(gòu)因子組合，以尋找滿足熱-動(dòng)力學(xué)判據(jù)情況下強(qiáng)塑性進(jìn)一步優(yōu)化的可能性。

盡管大量鎂合金力學(xué)性能設(shè)計(jì)案例均符合“大驅(qū)動(dòng)力-大廣義穩(wěn)定性”的強(qiáng)韌化熱-動(dòng)力學(xué)判據(jù)，但基于熱-動(dòng)力學(xué)協(xié)同法則的鎂合金設(shè)計(jì)仍有許多問題需要解決。例如，調(diào)控鎂合金相變/變形熱-動(dòng)力學(xué)相關(guān)性與貫通性的微觀物理機(jī)制的揭示；廣義穩(wěn)定性定量計(jì)算所需的鎂合金熱-動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建；微觀結(jié)構(gòu)演化歷史的熱-動(dòng)力學(xué)變化特征與最終表現(xiàn)出力學(xué)性能間對(duì)應(yīng)關(guān)系的定量探究，從而在掌握鎂合金相變/變形熱-動(dòng)力學(xué)協(xié)同法則的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鎂合金力學(xué)性能的理性設(shè)計(jì)。