镁由于密度低、比强度和比刚度高等优点，是极具潜力的轻量化结构材料，在交通运输、航空航天等行业具有极大应用前景。然而，镁的强度和刚度较差仍然是其广泛应用的重要障碍之一。此外，由于镁的密排六方(HCP)结构，成形性较差，进一步限制了其应用。纳米结构是同时提高镁合金强度和塑性的有效途径。与粗晶多晶材料相比，纳米晶材料的强度、硬度和韧性均大幅提高，而弹性模量有所降低。目前针对面心立方(FCC)纳米晶金属，晶粒尺寸与变形机制及力学性能的关系已开展了深入研究。而对于密排六方(HCP)纳米晶镁的强度和变形机制的晶粒尺寸敏感性相关研究仍然较为缺乏。

近日，来自美国圣地亚哥州立大学的Wenwu Xu博士等人通过Voronoi镶嵌法建立了平均晶粒尺寸分别为6.4 nm、10 nm、15 nm、20 nm、25 nm、30 nm、35 nm、40 nm、45 nm的三维纳米晶镁模型，采用经典分子动力学(MD)方法模拟了试样沿x方向的单轴拉伸变形行为，并利用软件开放可视化工具(OVITO)进行了原子天然晶体结构标记和位错量化分析。结果表明，在平均晶粒尺寸较大(大于25 nm)时，纳米晶镁的变形机制主要为位错机制；当平均晶粒尺寸较小(小于10 nm)时，纳米晶镁的变形机制主要为晶界机制(晶界滑动/晶粒旋转)。纳米晶镁的弹性模量在晶粒尺寸减小到20 nm以下时迅速降低。

文章系统研究了不同晶粒尺寸纳米晶镁的拉伸变形行为和变形过程中的原子微观结构变化情况。图1和图2分别为不同应变下平均晶粒尺寸为45 nm和6.4 nm的纳米晶镁样品的原子微观结构图。其中蓝色、绿色、红色和白色原子分别代表HCP结构、晶界或位错、FCC结构(堆垛层错)和过渡BCC结构。在零应变条件下，所有样品均存在不同数量的残余位错，集中在晶界区域。对平均晶粒尺寸为45 nm的样品，塑性变形刚开始时，出现了FCC结构肖克利不全位错(SPD)形核，如图1(b)中白色虚线圈所示。当塑性应变达到0.1时，出现了孪晶变形机制，形成了新的纳米晶孪晶(NG)，如图1(c)所示。此外，伴随着孪晶活动，SPD形成并分裂，产生了如图1(d)虚线所示的层错堆积，限制了晶界滑动，位错形核成为其最有利的变形方式。