早在上个世纪60年代，就有研究表明，许多金属和合金材料在形变过程中，如果受到周期性电脉冲的影响，延展性会大大提升。相较于热加工的方式来获得同等延展性，电脉冲的方式更加节能，成本也更加低廉，如今已广泛应用于钛合金、铝、镁合金、锆合金和钢等材料的制造。
然而，电脉冲提升金属成型可塑性的机理尚不清楚。最初人们都认为电塑性只不过是热软化（thermal softening），然而，近期的研究表明焦耳热效应并不能完全的解释这种现象，并进一步提出了电子电流向位错的直接动量传递这一假设，也就是所谓的“电子风力（electron wind force）”，促进了位错滑移。
也有部分研究人员认为，这种电塑性现象与位错的热活化密切相关，电脉冲可能降低了能垒或是提升了位错的振动频率。
还有观点认为，电脉冲诱导的磁场能够改变位错核的局部能量状态，从而使得位错从局部障碍处脱钉（de-pinning）。
然而，电流施加于金属材料后，立刻就会产生焦耳热效应，要评估上述这些非热机制十分困难。
近日，加州大学伯克利分校的Andrew M. Minor课题组对钛-铝合金的电塑性形变进行了研究。与大多数金属材料相反，钛-铝合金在高温下延展性较低。研究发现，在机械形变过程中，电脉冲能够增强交叉滑移，产生波状的位错形貌，同时促进孪晶的形成。同时，低温塑型策略可以达到类似的效果。因此，电脉冲抑制了材料中位错的平面滑移，从而提升了材料的强度和延展性。研究结果表明这种宏观的电塑性现象主要源自缺陷级别的微观结构重构，并不能简单的用焦耳热效应来解释。该发现详细的阐释了电塑性现象，有助于改进相关合金材料的电脉冲工艺，使之成为工业应用中更加低廉的制备工艺，并以题为“Defect reconfiguration in a Ti–Al alloy via electroplasticity”的论文发表在最新一期的《Nature Materials》上。
【钛-铝合金机械、热性能测试】
对于钛-铝合金而言，由于加热反而降低了其延展性，因此任何显著的电塑性行为都应该与焦耳热效应无关。作者进行了三种环境温度下的拉伸试验：（1）无电流（室温下）；（2）脉冲电流，幅值0.5*103 A cm-2，脉冲持续时间100 ms；（3）0.5*103 A cm-2的连续电流。图1显示了三次试验的应力-应变（stress-strain）曲线。在施加连续电流状态下，样品的温度明显上升（185℃，图1d），而脉冲电流仅导致了约5℃的温度提升（28℃，图1c）。数据显示，脉冲电流显著的提升了样品的拉伸率和最大强度，而连续电流引起的焦耳热效应反而降低了材料的强度和延展性。
图1 钛-铝合金在不同条件下机械和热性能测试
【电脉冲抑制了位错的平面滑移】
当应变达到5%时，脉冲样品的曲线与室温样品的曲线发生偏离。作者使用TEM进行探究，结果显示，脉冲样品与室温样品之间位错分布存在着巨大差异。室温样品具有典型的平面滑移产生的图案（图2a,b）。然而，脉冲样品表现为具有很多锯齿状位错线的均匀、多向的位错网络（图2c,d），即所谓的波状滑移（wavy slip）。在室温样品中，位错位于棱柱平面的平面带中，在带之间以60°角构建了结构规整的晶体网络（图2b）。而在脉冲样品中则没有类似的平面性，位错呈弯曲与波状，分布相对均匀。显然，电流并没有改变位错的类型，而是在形变过程中改变了位错网络的形成方式。
图2 两种样品的位错形貌对比
【异曲同工的低温塑型】
上述研究结果表明，电脉冲对钛-铝合金延展性的提升主要是通过抑制平面滑移来实现的。那么，其他能够抑制平面滑移的方法应该也能达到类似的效果。因此，作者降低了测试温度，增加了流动应力，进而降低了材料的平面滑移趋势。图3显示了材料在77 K温度下，没有施加电脉冲时的拉伸性能。在这个温度下，合金表现出优异的强度与延展性，这种应力-应变行为与室温下施加电脉冲的样品十分相似（橙色线）。两个样品也存在着相似的分散位错分布（图3b）。对77 K样品施加电脉冲发现，其延展性并没有较大波动（绿色线）。
图3 样品在脉冲和低温条件下表现出相似的形变行为
【孪晶提供了更高的延展性】
TEM表征仅仅证明型位错的柱面滑移主导了至少5%的形变。在三维结构上的重大塑性形变，一定还有其他的机理，如型位错的滑移或是机械孪晶等参与其中。在10%的应变下，脉冲样品呈现出可观测的孪晶密度，然而室温样品中并没有出现。晶界错向分析（图4a）显示孪晶初始为型。围绕着轴，存在着约85°的取向偏差。图4b显示了脉冲样品中的纳米孪晶。高倍TEM和STEM图片（图4c-e）显示这些孪晶主要位于平面。孪晶边界比例在室温样品中为6%，而在脉冲样品中则增加到了11%。
图4 电脉冲样品的形变孪晶表征
总结：通过对钛-铝合金的电塑性形变进行研究发现，在机械形变过程中，电脉冲能够增强交叉滑移，产生波状的位错形貌，同时促进孪晶的形成。同时，低温塑型策略可以达到类似的效果。因此，电脉冲抑制了材料中位错的平面滑移，从而提升了材料的强度和延展性。研究结果表明这种宏观的电塑性现象主要源自缺陷级别的微观结构重构，并不能简单的用焦耳热效应来解释。该发现不仅为电塑性的物理起源提供了新的解释，同时有助于改进相关合金材料的电脉冲工艺，使之成为工业应用中更加低廉的制备工艺。
全文链接：
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！