对兼具高强度与高塑性材料的追求是金属材料科学领域的核心目标。然而，在材料中同时实现高强度和高塑性是长期以来的关键挑战。通常，高强度通过晶界、溶质原子和析出相阻碍位错运动来实现；而塑性则与材料的应变硬化能力相关，该能力源于位错的持续形核、运动及其相互作用。因此，设计同时具备高强度与高塑性的金属合金极为困难，在最轻的结构金属镁中尤为艰难。传统镁的塑性变形高度依赖于基面滑移，导致位错相互作用少、流变应力低、变形易局域化，最终引发低塑性（纯镁拉伸断裂延伸率常<5%）和强度-塑性互斥难题。虽然通过合金化促进锥面<c+a>滑移是提升塑性的常见策略，但基面滑移在塑性变形过程中的主导地位及其引发的局部“位错雪崩”效应仍难以有效抑制。因此，为克服镁的强度-塑性互斥，必须抑制基面<a>位错滑移，同时促进锥面<c+a>位错滑移以增加位错相互作用概率，从而阻碍基面滑移局域化并诱导应变硬化。

曾小勤教授团队长期致力于镁合金塑性变形微观机制及强韧化设计研究，前期通过固溶元素调节滑移系启动能力差异提出“多系滑移协同增塑”的学术思想（相关成果发表于IJP, 2023, https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103525 ; ACTA, 2021, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117151;金属学报, 2025, https://doi.org/10.11900%2F0412.1961.2024.00358等）。在此基础上，团队以能协同激活多滑移系协调塑性变形的Mg-Y-Ca合金为模型，结合单晶原位微柱压缩试验、EBSD/TKD表征、TEM三维重构及分子动力学模拟等手段，首次解析并主动设计了基面/非基面位错交互行为，提出促进有效位错交互以增强应变硬化的设计准则，为新型高强塑性镁合金设计提供新策略。

研究发现：在特定单晶加载条件下，基面<a>位错与锥面<c+a>位错相互作用，可形成具有纯<c>分量的“不动割阶（Sessile jogs）”结构。这种结构宛如位错滑移路径上的“强效路障”，有效阻碍了基面位错的快速滑移与持续运动。这一关键机制显著缓解了基面滑移带的局域应变集中，赋予材料强应变硬化能力，持续升高的流变应力进一步促进了更多非基面<c+a>位错的激活，形成良性循环，从而显著提升单相固溶态Mg-Y-Ca合金的应变硬化能力（UTS−YS为96MPa）与塑性（延伸率约31%）。该研究不仅首次揭示了通过调控特定类型位错（基面与锥面位错）相互作用来实现镁合金“反常”强应变硬化的具体微观机制，更提出了一条克服镁合金强度-塑性互斥难题的全新设计准则：关键在于通过调控非基面/基面滑移启动能力差异，促进有效的位错交互（特别是基面与锥面位错）。这一深刻理解为未来通过精准调控合金成分和微观结构，设计具有新型变形机制、实现强度与塑性协同提升的高性能镁合金奠定了坚实的科学基础。

图1 (a) HCP Mg 中基面<a>、一级锥面<c+a>和二级锥面<c+a>滑移的SF。(b) Mg-Y-Ca合金中包含微柱压缩目标晶粒的IPF图，以及微柱的不同观察方向。(c)微柱取向的右视图以及SEM视角与块状样品表面的夹角α。

图2 (a) 变形微柱的工程应力-应变曲线。(b-f)从原位压缩视频中提取的变形微柱在不同变形阶段的图像，如图(a)中A至D点所示。(d1-f1)为(d-f)中绿色方形区域的放大图。(g)变形区域截图：E点取自微柱的原位压缩视频。从(h)顶部和(i)正面观察压缩后微柱的SEM图像，以及从正面观察压缩微柱的相应晶体结构示意图。

图3 (a) 变形后微柱透射片的弱束暗场(WBDF)照，使用衍射矢量g =(-12-12)。(b-c) STEM明场(STEM-BF)照，分别使用衍射矢量g = (0002)和g =(-12-10)，用于研究图(a)中的相同区域。(d) 该薄片沿[10-10]晶带轴方向获取的选区电子衍射(SAED)花样。(e) 展示了沿[10-10]方向观察时，基面<a>位错和锥面<c+a>位错的相互作用。选择了两根弯曲的<c+a>位错进行三维重构分析。每根<c+a>位错被划分为不同的区段(S1-1, S1-2, S2-1, S2-2和S2-3)。(f)-(h) 观察方向分别为[10-10], [2-1-10]和[1-100]。三维重构揭示了<a>位错和<c+a>位错的基面滑移面和锥面滑移面。

图4 (a, b) 基面<a>位错与锥面<c+a>位错的局部原子结构。(c) 基面<a>位错与锥面<c+a>位错相互作用中形成的割阶。(d) 相互作用产生的不动割阶对基面<a>位错滑移的阻碍作用。(e) 基面<a>位错与锥面<c+a>位错反应机制示意图。

图5 (a) 不同固溶态镁合金型材的延伸率及UTS-YS数据对比。(b) Mg-Y-Ca合金和纯镁中激活<a>和<c+a>滑移系所需的应力与晶体c轴及微柱压缩方向之间ϕ角度的关联。

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