眾所周知，金屬結(jié)構(gòu)材料強度和塑性的改善通常存在互斥關(guān)系，尤其對于具有六方晶格的鎂合金而言，由于其較復雜的位錯孿生變形機制，塑性通常較差，如何在提升強度的同時仍保持足夠高的塑性始終是不斷優(yōu)化其力學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-動力學特征決定其最終的力學性能。長久以來，相變/變形熱-動力學研究相對獨立，但本質(zhì)上相變和變形都是由熱力學和動力學協(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-動力學的統(tǒng)一處理有望為以目標力學性能為導向的鎂合金生產(chǎn)流程理性設(shè)計提供一條有效途徑。

近年來，西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室劉峰教授課題組一直從事相變熱力學和動力學研究；基于熱力學第一定律，提出熱—動力學多樣性，集中于修正熱力學用于非平衡動力學，2012年開始，基于熱力學第二定律提出熱—動力學相關(guān)性，在非平衡材料加工過程中展示不同格局的熱—動力學互斥，2020年迄今，進一步提出了統(tǒng)一相變和變形的廣義穩(wěn)定性概念，體現(xiàn)于熱—動力學貫通性。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制研究進展，并利用熱-動力學協(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)鎂合金力學性能設(shè)計案例，發(fā)現(xiàn)對于鎂合金而言，大驅(qū)動力-大廣義穩(wěn)定性的相變/變形總是對應(yīng)著優(yōu)異的強塑性，這為貫通與調(diào)控鎂合金加工過程中相變/變形熱-動力學繼而優(yōu)化力學性能提供了明確的方向指引。該綜述是對熱-動力學協(xié)同設(shè)計材料理念的進一步完善，也是對廣義穩(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-動力學多樣性、熱-動力學相關(guān)性和熱-動力學貫通性，這就是所謂的熱-動力學協(xié)同法。相變時新相產(chǎn)生的不同形核生長方式以及變形時不同滑移系的開動都對應(yīng)著不同的熱力學驅(qū)動力和動力學能壘，這種控制材料結(jié)構(gòu)演化機制隨熱-動力學變化的現(xiàn)象正是由于熱-動力學多樣性所引起。實際上，相變/變形熱力學和動力學的變化并非完全相互獨立的，作者團隊過去在對眾多材料相變/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，熱力學驅(qū)動力和動力學能壘總會呈現(xiàn)出此消彼長的變化關(guān)系，如圖1（a）所示，將這種現(xiàn)象稱為熱-動力學相關(guān)性。此外，相變與變形熱-動力學間存在可遺傳性，也稱為貫通性，大驅(qū)動力-小能壘的相變產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)會呈現(xiàn)出大驅(qū)動力-小能壘的變形特征并表現(xiàn)出高強度低塑性；反之，小驅(qū)動力-大能壘的相變產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)會呈現(xiàn)出小驅(qū)動力-大能壘的變形特征，并表現(xiàn)出低強度高塑性。因此，這種相變/變形熱-動力學與材料強塑性間的關(guān)聯(lián)便可用圖1（c）中的“蹺蹺板”來描述，若“蹺蹺板”的兩端可以同時提升，大驅(qū)動力 G和大能壘Q便會帶來材料強塑性的同時優(yōu)化。

基于熱-動力學相關(guān)性，作者課題組進一步提出了廣義穩(wěn)定性理論，這為定量調(diào)控相變/變形熱-動力學來提升熱-動力學“蹺蹺板”，繼而優(yōu)化材料強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)定性是對傳統(tǒng)熱力學穩(wěn)定性的延伸，同時包含了熱力學和動力學效應(yīng)，可用于描述動態(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)動力-大廣義穩(wěn)定性”可作為優(yōu)化鎂合金力學性能的最終判據(jù)。利用該判據(jù)可依照圖1（d）中“太極圖”的流程針對鎂合金的強塑性進行定向優(yōu)化，通過設(shè)計加工過程中大驅(qū)動力-大廣義穩(wěn)定性的相變，借助熱-動力學貫通性與熱-動力學累積效應(yīng)，最終遺傳到變形時的位錯熱-動力學中，體現(xiàn)出大驅(qū)動力-大廣義穩(wěn)定性的變形，強塑性便得以同時提升。

圖1. 熱-動力學協(xié)同指引鎂合金的力學性能設(shè)計：（a）相變與變形熱-動力學相關(guān)性；（b）廣義穩(wěn)定性；（c）熱力學驅(qū)動力與動力學能壘和強塑性的關(guān)聯(lián)；（d）大驅(qū)動力-大廣義穩(wěn)定性的強塑性設(shè)計

大驅(qū)動力-大廣義穩(wěn)定性的熱-動力學判據(jù)在鎂合金設(shè)計中有效的前提條件為鎂合金的相變/變形機制遵循熱-動力學協(xié)同法則。文獻研究表明，鎂合金中主要位錯與孿生行為都遵循熱-動力學相關(guān)性，例如，位錯在基面和柱面間的交滑移、位錯在Ⅰ錐面和Ⅱ錐面間的交滑移以及向基面的分解等所對應(yīng)的驅(qū)動力和能壘變化均呈現(xiàn)出此消彼長的關(guān)系。大驅(qū)動力指向優(yōu)異的強度，源自位錯間以及與晶體缺陷間的強交互作用；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制。通過改變加工過程中相變/變形熱-動力學來設(shè)計鎂合金當中的結(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)力學性能的變形過程中位錯孿生與結(jié)構(gòu)因子的交互作用機制，即變形熱-動力學，是熱-動力學協(xié)同指引鎂合金設(shè)計的基本要義。通過調(diào)節(jié)鎂合金中的結(jié)構(gòu)因子可以使熱-動力學判據(jù)得到滿足。熱-動力學累積效應(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階段的相變/變形驅(qū)動力得到依次疊加，最終累積為大驅(qū)動力的變形；而特定的結(jié)構(gòu)因子組合，例如，多層級納米孿晶、納米層錯、雙峰晶粒等，可以在驅(qū)動力累積的情況下，仍維持大的廣義穩(wěn)定性，保持優(yōu)異的塑性。熱-動力學協(xié)同指引鎂合金設(shè)計旨在開發(fā)更多的結(jié)構(gòu)因子組合，以尋找滿足熱-動力學判據(jù)情況下強塑性進一步優(yōu)化的可能性。

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