背景介紹
10月2日，國慶假期的第二天，Science上發表了一篇關於「難熔多主元合金」的論文，從位錯角度揭示合金變形機理；僅僅過去4天，Nature Materials上又發表了一篇論文，揭示了Ti-Al合金因電塑性引起的缺陷重構，下面進行詳細介紹。
▲Science, Doi: 10.1026/science.aba3722
▲第一作者：Shiteng Zhao，Ruopeng Zhang
通訊作者：Andrew M. Minor
第一單位：University of California, Berkeley
DOI：10.1038/s41563-020-00817-z
背景介紹
研究表明，周期性電脈衝能夠大大提升許多金屬或合金材料的延展性。相較於熱加工的方式，電脈衝的方式更加節能，成本也更加低廉，如今已被廣泛應用於鈦合金、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）。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。但是，電流施加於金屬材料後，立刻就會產生焦耳熱效應，要評估上述非熱機制十分困難。
本文亮點
1、針對鈦-鋁合金的電塑性形變進行了研究。該材料在與大多數金屬材料相反，在高溫下延展性較低。
2、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。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。
3、同樣的，低溫塑型策略也可以抑制材料的平面滑移，從而達到類似的效果。
4、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。
圖文解析
▲圖1 鈦-鋁合金在不同條件下機械和熱性能測試
要點：
1、對鈦-鋁合金而言，加熱反而降低其延展性，因此任何顯著的電塑性行為都應該與焦耳熱效應無關。
2、三種不同條件的拉伸試驗：（1）無電流（室溫下）；（2）脈衝電流，幅值0.5*103A cm-2，脈衝持續時間100 ms；（3）0.5*103 A cm-2的連續電流（圖1a）。
3、在施加連續電流狀態下，樣品的溫度明顯上升（圖1d）。
4、脈衝電流僅導致了約5℃的溫度提升（圖1c）。
5、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2 兩種樣品的位錯形貌對比
要點：
1、室溫樣品具有典型的平面滑移產生的圖案，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2a，b）。
2、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，即所謂的波狀滑移（wavy slip）。與室溫樣品的呈現的平面性不同，位錯呈彎曲與波狀，分布相對均勻（圖2c,d）。
3、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3 樣品在脈衝和低溫條件下表現出相似的形變行為
要點：
1、作者通過降低測試溫度，增加流動應力，進而降低了材料的平面滑移趨勢。
2、在77 K溫度下，即使沒有電脈衝施加。合金也表現出優異的強度與延展性，與室溫下施加電脈衝的樣品十分相似（圖3a）。
3、兩個樣品也存在著相似的分散位錯分布（圖3b）。
4、對77 K樣品施加電脈衝發現，其延展性並沒有較大波動（圖3a）。
▲圖4 電脈衝樣品的形變孿晶表徵
要點：
1、TEM表徵僅僅證明<a>型位錯的柱面滑移主導了至少5%的形變。
2、在10%的應變下，脈衝樣品中呈現出明顯的孿晶，然而室溫樣品中並沒有出現。
3、晶界錯向分析（圖4a）顯示孿晶初始為{101-2}<1-011>型。圍繞著<12-10>軸，存在著約85°的取向偏差。
4、高倍TEM和STEM圖片（圖4c-e）顯示這些孿晶主要位於{101-2}平面。孿晶邊界比例在室溫樣品中為6%，而在脈衝樣品中則增加到了11%。
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