早在上個世紀60年代，就有研究表明，許多金屬和合金材料在形變過程中，如果受到週期性電脈衝的影響，延展性會大大提升。相較於熱加工的方式來獲得同等延展性，電脈衝的方式更加節能，成本也更加低廉，如今已廣泛應用於鈦合金、鋁、鎂合金、鋯合金和鋼等材料的製造。
然而，電脈衝提升金屬成型可塑性的機理尚不清楚。最初人們都認為電塑性只不過是熱軟化（thermal softening），然而，近期的研究表明焦耳熱效應並不能完全的解釋這種現象，並進一步提出了電子電流向位錯的直接動量傳遞這一假設，也就是所謂的“電子風力（electron wind force）”，促進了位錯滑移。
也有部分研究人員認為，這種電塑性現象與位錯的熱活化密切相關，電脈衝可能降低了能壘或是提升了位錯的振動頻率。
還有觀點認為，電脈衝誘導的磁場能夠改變位錯核的局部能量狀態，從而使得位錯從局部障礙處脱釘（de-pinning）。
然而，電流施加於金屬材料後，立刻就會產生焦耳熱效應，要評估上述這些非熱機制十分困難。
近日，加州大學伯克利分校的Andrew M. Minor課題組對鈦-鋁合金的電塑性形變進行了研究。與大多數金屬材料相反，鈦-鋁合金在高温下延展性較低。研究發現，在機械形變過程中，電脈衝能夠增強交叉滑移，產生波狀的位錯形貌，同時促進孿晶的形成。同時，低温塑型策略可以達到類似的效果。因此，電脈衝抑制了材料中位錯的平面滑移，從而提升了材料的強度和延展性。研究結果表明這種宏觀的電塑性現象主要源自缺陷級別的微觀結構重構，並不能簡單的用焦耳熱效應來解釋。該發現詳細的闡釋了電塑性現象，有助於改進相關合金材料的電脈衝工藝，使之成為工業應用中更加低廉的製備工藝，並以題為“Defect reconfiguration in a Ti–Al alloy via electroplasticity”的論文發表在最新一期的《Nature Materials》上。
【鈦-鋁合金機械、熱性能測試】
對於鈦-鋁合金而言，由於加熱反而降低了其延展性，因此任何顯著的電塑性行為都應該與焦耳熱效應無關。作者進行了三種環境温度下的拉伸試驗：（1）無電流（室温下）；（2）脈衝電流，幅值0.5*103 A cm-2，脈衝持續時間100 ms；（3）0.5*103 A cm-2的連續電流。圖1顯示了三次試驗的應力-應變（stress-strain）曲線。在施加連續電流狀態下，樣品的温度明顯上升（185℃，圖1d），而脈衝電流僅導致了約5℃的温度提升（28℃，圖1c）。數據顯示，脈衝電流顯著的提升了樣品的拉伸率和最大強度，而連續電流引起的焦耳熱效應反而降低了材料的強度和延展性。
圖1 鈦-鋁合金在不同條件下機械和熱性能測試
【電脈衝抑制了位錯的平面滑移】
當應變達到5%時，脈衝樣品的曲線與室温樣品的曲線發生偏離。作者使用TEM進行探究，結果顯示，脈衝樣品與室温樣品之間位錯分佈存在着巨大差異。室温樣品具有典型的平面滑移產生的圖案（圖2a,b）。然而，脈衝樣品表現為具有很多鋸齒狀位錯線的均勻、多向的位錯網絡（圖2c,d），即所謂的波狀滑移（wavy slip）。在室温樣品中，位錯位於稜柱平面的平面帶中，在帶之間以60°角構建了結構規整的晶體網絡（圖2b）。而在脈衝樣品中則沒有類似的平面性，位錯呈彎曲與波狀，分佈相對均勻。顯然，電流並沒有改變位錯的類型，而是在形變過程中改變了位錯網絡的形成方式。
圖2 兩種樣品的位錯形貌對比
【異曲同工的低温塑型】
上述研究結果表明，電脈衝對鈦-鋁合金延展性的提升主要是通過抑制平面滑移來實現的。那麼，其他能夠抑制平面滑移的方法應該也能達到類似的效果。因此，作者降低了測試温度，增加了流動應力，進而降低了材料的平面滑移趨勢。圖3顯示了材料在77 K温度下，沒有施加電脈衝時的拉伸性能。在這個温度下，合金表現出優異的強度與延展性，這種應力-應變行為與室温下施加電脈衝的樣品十分相似（橙色線）。兩個樣品也存在着相似的分散位錯分佈（圖3b）。對77 K樣品施加電脈衝發現，其延展性並沒有較大波動（綠色線）。
圖3 樣品在脈衝和低温條件下表現出相似的形變行為
【孿晶提供了更高的延展性】
TEM表徵僅僅證明型位錯的柱面滑移主導了至少5%的形變。在三維結構上的重大塑性形變，一定還有其他的機理，如型位錯的滑移或是機械孿晶等參與其中。在10%的應變下，脈衝樣品呈現出可觀測的孿晶密度，然而室温樣品中並沒有出現。晶界錯向分析（圖4a）顯示孿晶初始為型。圍繞着軸，存在着約85°的取向偏差。圖4b顯示了脈衝樣品中的納米孿晶。高倍TEM和STEM圖片（圖4c-e）顯示這些孿晶主要位於平面。孿晶邊界比例在室温樣品中為6%，而在脈衝樣品中則增加到了11%。
圖4 電脈衝樣品的形變孿晶表徵
總結：通過對鈦-鋁合金的電塑性形變進行研究發現，在機械形變過程中，電脈衝能夠增強交叉滑移，產生波狀的位錯形貌，同時促進孿晶的形成。同時，低温塑型策略可以達到類似的效果。因此，電脈衝抑制了材料中位錯的平面滑移，從而提升了材料的強度和延展性。研究結果表明這種宏觀的電塑性現象主要源自缺陷級別的微觀結構重構，並不能簡單的用焦耳熱效應來解釋。該發現不僅為電塑性的物理起源提供了新的解釋，同時有助於改進相關合金材料的電脈衝工藝，使之成為工業應用中更加低廉的製備工藝。
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來源：高分子科學前沿
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