位错核心处的键合减弱：镁中电流诱导塑性的无热机制

本研究通过实时透射电子显微镜电力学测试，发现短脉冲电流显著降低镁合金中难以滑移的棱柱位错的滑移应力与能量势垒，并通过第一性原理计算证实电流削弱位错核心原子键合作用，从而提升位错 mobility。该成果揭示了电致塑性增强的非热力学机制。

　　

Jin Zhang|Bo-Yu Liu|Kun Luo|Yao-Feng Li|Huan-Huan Lu|Fei Liu|Bin Li|Upadrasta Ramamurty|Qi An|Zhi-Wei Shan

中国西安交通大学材料力学行为国家重点实验室纳米材料性能提升中心（CAMP-Nano）与Hysitron应用研究中心（HARCC），中华人民共和国西安市710049

摘要

电塑性，即通过电流增强金属的塑性，数十年来已有大量报道，但其背后的机制至今仍不明确。虽然焦耳热可能起了一定作用，但长期以来人们认为电塑性可能源于电流与缺陷的非热相互作用。然而，关于这种非热效应的定量实验验证仍然很少且具有挑战性。在本研究中，我们在短电脉冲下进行了原位电机械测试，实时定量追踪了难以滑动的金字塔形位错的运动。这些位错在常规条件下具有较高的临界应力且移动性较低。在诱导温度升幅可忽略不计的短电脉冲作用下，我们观察到流动应力显著降低，金字塔形位错的临界应力也大幅下降。实时单位错追踪显示，电流使位错从间歇性的抖动运动转变为平滑连续的运动，证明了位错移动性的显著增强。第一性原理计算表明，电子注入削弱了位错核心处的原子键合，降低了位错滑动的能量障碍。我们的发现建立了一种电塑性的非热机制：电流通过软化位错核心处的键合来促进难以滑动的位错的运动。

引言

电塑性，即通过电流增强塑性，自20世纪60年代以来就已为人所知[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。实验表明，脉冲电流可以提高各种金属和合金的延展性，包括钢[7,8]、铝[9,10]、钛[11,12]和镁[13,14]。电流增强塑性对制造业具有重要意义，特别是对于在室温下难以变形的金属（如轻质镁[15,16]），因为这可以减少加工时间和能耗[17,18]。

<一个常见的非热机制是电子风效应，它源于电子对位错或晶界施加的直接力而产生的动量传递[[34], [35], [36]]。然而，多项其他实验研究表明电子风效应并不显著。最近对金纳米颗粒的研究发现，孪晶界沿着电流方向迁移，而在这个方向上电子风效应应该可以忽略不计[6]。与此观察结果一致，其他理论分析[5,6,37]也表明，仅电子风效应无法解释观察到的电塑性。这些发现表明可能存在其他重要的非热效应。鉴于实验上解释非热效应的难度，研究人员根据他们的发现提出了各种机制假设。molotskii等人提出，电流诱导的磁场改变了局部电子自旋配对，从而削弱了位错与钉扎点之间的键合，促进了位错释放[38,39]。li等人提出，电流可能通过改变位错核心区域的振动频率等因素来增强热激活的动力学，这可以解释观察到的孪晶界在电流辅助下的迁移[6]。kim等人提出了一种电荷积累机制，其中电子在位错或其他缺陷处积累，导致晶界处的原子键合减弱[21,40]。> <尽管非热效应的确切机制尚不清楚，但这些研究表明电流与位错之间的相互作用是理解其效应的关键。然而，直接量化电流改变位错动力学的非热效应具有挑战性。大多数实验研究都是通过事后表征或在具有高密度相互作用位错的样品中观察集体位错行为来进行的。这使得难以捕捉和定量描述电流对位错行为的影响，例如单个位错的临界应力及其在有电流和无电流情况下的动态滑移行为。此外，以往的研究通常关注电流辅助下的金属位错运动（例如，在fcc或bcc金属中），这使得难以分离电流诱导的位错移动性增强。此外，评估电流的非热贡献需要精心设计实验，以最小化并分离焦耳热，而这严重依赖于样品几何形状、热量散发和电流参数。> < />

材料与样品制备

<一块纯度为99.999>$〈0001〉方向（c-轴）平行。这些切片首先被研磨至约100微米厚，然后使用10\%硝酸酒精溶液进行电抛光，进一步将其边缘厚度减至约10微米。最后，将制备好的切片安装在一个能够进行电机械测试的样品架上。$

脉冲电流下流动应力的降低和变形稳定性的增强

<我们对沿c轴方向的镁单晶进行了原位tem电机械压缩测试，其中主要的塑性变形模式是金字塔形滑移。电机械测试显示，电流降低了流动应力并增强了变形稳定性。图2a展示了一个代表性示例。在没有脉冲电流的测试中，柱状体在约750>

消除磁场和摩擦力的影响

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<我们的tem样品架在样品周围引入了一个磁场，在高放大模式（>6000x）下，磁场强度为2T。

结论

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作者贡献

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数据和材料的可用性

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CRediT作者贡献声明

Jin Zhang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法学，研究，形式分析，数据管理。Bo-Yu Liu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，资源管理，项目管理，形式分析，概念化。Kun Luo：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法学，研究，数据管理。Yao-Feng Li：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究。Huan-Huan Lu：撰写 – 审稿与编辑，>