眾所周知，金屬結構材料強度和塑性的改善通常存在互斥關系，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構的過程。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)流程理性設計提供一條有效途徑。

近年來，西北工業(yè)大學凝固技術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)鎂合金力學性能設計案例，發(fā)現(xiàn)對于鎂合金而言，大驅動力-大廣義穩(wěn)定性的相變/變形總是對應著優(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域適用性的論證說明。

金屬結構材料的相變/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著不同的熱力學驅動力和動力學能壘，這種控制材料結構演化機制隨熱-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，熱力學驅動力和動力學能壘總會呈現(xiàn)出此消彼長的變化關系，如圖1（a）所示，將這種現(xiàn)象稱為熱-動力學相關性。此外，相變與變形熱-動力學間存在可遺傳性，也稱為貫通性，大驅動力-小能壘的相變產(chǎn)生的結構會呈現(xiàn)出大驅動力-小能壘的變形特征并表現(xiàn)出高強度低塑性；反之，小驅動力-大能壘的相變產(chǎn)生的結構會呈現(xiàn)出小驅動力-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，可用于描述動態(tài)原子結構變化過程（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，通過設計加工過程中大驅動力-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，最終遺傳到變形時的位錯熱-動力學中，體現(xiàn)出大驅動力-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計：（a）相變與變形熱-動力學相關性；（b）廣義穩(wěn)定性；（c）熱力學驅動力與動力學能壘和強塑性的關聯(lián)；（d）大驅動力-大廣義穩(wěn)定性的強塑性設計

大驅動力-大廣義穩(wěn)定性的熱-動力學判據(jù)在鎂合金設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的驅動力和能壘變化均呈現(xiàn)出此消彼長的關系。大驅動力指向優(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-動力學來設計鎂合金當中的結構因子（包括合金元素、晶界、織構和析出相等），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構因子的交互作用機制，即變形熱-動力學，是熱-動力學協(xié)同指引鎂合金設計的基本要義。通過調(diào)節(jié)鎂合金中的結構因子可以使熱-動力學判據(jù)得到滿足。熱-動力學累積效應以不同的結構因子（晶界、析出相等）為媒介使得在加工過程中每個階段的相變/變形驅動力得到依次疊加，最終累積為大驅動力的變形；而特定的結構因子組合，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)同指引鎂合金設計旨在開發(fā)更多的結構因子組合，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計案例均符合“大驅動力-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)庫的構建；微觀結構演化歷史的熱-動力學變化特征與最終表現(xiàn)出力學性能間對應關系的定量探究，從而在掌握鎂合金相變/變形熱-動力學協(xié)同法則的基礎上實現(xiàn)鎂合金力學性能的理性設計。