镁中硬度各向异性：纳米压痕下拉伸孪晶与〈c + a〉位错活动的调控机制

本研究针对镁(Mg)晶体硬度各向异性机制不明的问题，通过纳米压痕技术系统分析了不同c轴倾角(0°~90°)晶粒的力学响应。研究发现：0°取向因高密度〈c + a〉位错深穿透呈现峰值硬度；55°取向因〈a〉滑移和拉伸孪晶导致硬度最低；90°取向通过孪晶诱发织构硬化达到中等硬度。该研究首次揭示了纳米压痕复杂应力状态下位错与孪晶的协同作用机制，为高通量表征镁合金取向依赖性力学行为提供了新范式。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天和生物医疗领域展现出巨大潜力。然而，其密排六方(HCP)晶体结构导致的显著力学各向异性，一直是制约材料性能优化的瓶颈。传统单轴测试难以揭示多晶材料局部变形机制，而纳米压痕技术虽能实现微区力学表征，但对镁中〈c + a〉位错（需同时激活基面和锥面滑移的位错类型）与拉伸孪晶（通过晶格剪切实现塑性变形的机制）的协同作用规律仍缺乏系统认知。

美国德州农工大学的研究团队在《Scripta Materialia》发表的研究中，创新性地采用纳米压痕技术结合电子显微镜分析，首次建立了镁单晶c轴取向-硬度-变形机制的定量关系图谱。研究选取c轴倾角0°至90°的定向晶粒，通过高分辨电子背散射衍射(EBSD)定位压痕位置，结合透射电镜(TEM)观察位错结构和孪晶演变。

关键技术包括：1) 电子背散射衍射(EBSD)晶粒取向标定；2) 准静态纳米压痕测试；3) 聚焦离子束(FIB)制备横截面样品；4) 透射电镜(TEM)位错表征。

【研究结果】
硬度各向异性特征：
硬度曲线呈"V"型分布，0°取向(3.5 GPa) > 90°取向(2.8 GPa) > 55°取向(2.2 GPa)，揭示c轴取向对硬度具有非线性调控作用。

0°取向变形机制：
TEM显示〈c + a〉位错延伸深度达5 μm，形成三维网状结构。这种高位错密度和长程应力场是超高硬度的本质原因，符合Schmid因子理论预测。

55°取向软化机制：
压痕下方出现{10-12}拉伸孪晶，将局部取向调整为45°。新取向促进基面〈a〉位错（仅沿基面滑移的位错）在母材和孪晶内同时滑移，形成"软化通道"。

90°取向硬化机制：
孪晶将晶体旋转至0°取向，诱发织构硬化(texture hardening)。但受限于孪生体积分数(约30%)，硬度恢复程度有限。

【结论与意义】
该研究突破性地证明：1) 纳米压痕虽产生多轴应力场，仍能有效反映镁晶体的本征各向异性；2) 〈c + a〉位错与孪晶存在竞争关系——前者主导高硬度，后者通过取向软化降低强度；3) 90°取向的"自孪晶硬化"现象为设计梯度织构材料提供新思路。

研究建立的"取向-机制-性能"关联模型，不仅解决了长期以来关于纳米压痕能否表征HCP金属各向异性的争议，更发展出通过微区力学测试高通量筛选最优织构的新方法。这对开发高强韧镁合金植入器械和轻量化航天构件具有重要指导价值。