浙江大学王江伟课题组；单质金属玻璃电致塑性的微观起源

金属玻璃是具有长程无序结构的一类非晶态固体，在宏观上具有均匀和各向同性的特征。由于没有位错、孪晶等晶体中常见的晶格缺陷来协调塑性变形，金属玻璃在常温常压下通常具有较差的塑性变形能力，在高水平应力作用下，容易产生剪切带，过早发生脆性断裂。然而，最近研究表明金属玻璃在结构和动力学上是不均匀的，由类固相的弹性基底和类液相的缺陷部分，即流变单元组成。流变单元（flow unit）能量水平更高，相对于弹性基底，更容易在应力场或温度场作用下激活，协调非晶的变形。电脉冲处理是调控金属玻璃内部结构的一种有效手段，其能在极短时间（毫秒甚至纳秒）内将极高能量注入材料内部，从而改变金属玻璃的微观结构、两相相对比例、分布状态，提升金属玻璃的塑性流变能力（电致塑性）和加工成型极限，进而影响着金属玻璃在后续使用过程中的力学性能和断裂行为。然而，金属玻璃的内部结构十分复杂，电脉冲处理如何改变其内部结构、影响塑性变形的相关研究较少。由于缺乏脉冲过程中直接的结构信息，脉冲电流与金属玻璃中不均匀结构的交互作用机制仍不清楚，电致塑性机制仍不完善。单质金属玻璃可有效排除化学不均匀性对结构分析造成的干扰，是研究金属玻璃中结构不均匀性的理想材料。为此，本论文利用原位制备测试一体化方法制备了钽单质金属玻璃纳米线，通过原位电脉冲测试和力-电耦合测试深入分析金属玻璃电致塑性的微观来源。

（1）本章选取了钽（Tantalum，Ta）单质金属玻璃纳米线为研究对象，排除了化学结构不均匀性对实验结果的干扰。

（2）利用原位电子衍射实验，揭示了非晶中结构不均匀性的动态演变，阐明了脉冲电流与流变单元的优先作用机制，即通过电子-原子相互作用，提升疏松区域的原子迁移能力，造成流变单元的湮灭和结构弛豫。

（3）通过原位力-电耦合测试，证实了这种电脉冲导致的结构演变可以有效阻碍金属玻璃纳米线中剪切带的形核和扩展，使得金属玻璃纳米线呈现出良好的塑性流变能力和颈缩断裂现象。

（1）Ta 金属玻璃纳米线中的结构不均匀性：

施加脉冲电流后，Ta金属玻璃纳米线中心部位直径略微减小以及部分晶化现象，表明纳米线中存在结构不均匀性，某些位点能量更高，可在电脉冲作用下优先晶化/致密化。

图1. Ta金属玻璃纳米线中的结构不均匀性。（a-d）电脉冲作用下Ta 金属玻璃纳米线的TEM 明场像照片；（e-h）对应的TEM 暗场像照片，在150 次脉冲后出现了明显的衬度差异（白色箭头所示）；（i-l）对应的SAED 图像，晶化首次发生在100 次脉冲后（白色圆圈），并在后续脉冲过程中进一步发展。

（2）Ta 金属玻璃纳米线的电致塑性现象：

分别对两个外形基本相同的Ta 金属玻璃纳米线进行纯拉伸实验和力电耦合实验。在纯拉伸条件下，纳米线表现为明显的脆性变形，塑性变形集中在剪切带附近，整个纳米线最终沿单个剪切带发生断裂（图2a-e）；力电耦合作用下的纳米线则展现出明显的塑性变形能力，最终发生颈缩，没有剪切带产生（图2f-j）。图2m展示了两个纳米线的应变随加载时间变化曲线，力电耦合样品在脉冲瞬间存在应变突跃（红色箭头位置）。

图2. Ta金属玻璃纳米线分别在纯拉伸和力电耦合条件下的变形行为。（a-e）Ta 纳米线的纯拉伸变形；（f-j）Ta 纳米线在力电耦合条件下的变形行为；（k-l）纯拉伸和力电耦合条件下的样品SAED图，说明无晶化发生。（m）两个纳米线的应变随加载时间变化图。

（3）电脉冲作用下Ta 金属玻璃纳米线的结构弛豫：

在纯拉伸条件下，FSDF 峰位（𝑞）随着持续的拉伸加载逐渐减小，说明纳米线中平均原子体积在拉伸后变大。力电耦合作用下，q值的变化呈现下降-上升重复出现的特征，即在脉冲间隔值下降，在脉冲瞬间值上升。这是因为纳米线在脉冲间隔发生应力引起的结构膨胀，脉冲后纳米线发生弛豫，结构更加致密。

图3. 纯拉伸和力电耦合条件下原位SAED 实验。（a-b）纯拉伸条件下Ta 金属玻璃纳米线的脆性断裂，断口为剪切带；（c-d）力电耦合条件下Ta 金属玻璃纳米线的韧性断裂，断口呈颈缩特征；（e-f）和（g-h）纯拉伸和力电耦合条件下的SAED图。（i）纯拉伸（蓝色折线）和力电耦合（红色折线）条件下FSDP 位置(𝑞)随时间变化图。

（4）脉冲电流下纳米线的结构演变：

对Ta金属玻璃纳米线进行了纯电脉冲条件下的原位SAED实验，以排除拉伸应力的干扰。随着电脉冲次数的增加，整体峰位逐渐向右迁移（值增加），为典型的弛豫过程（图4d）。FSDP的半高宽在电脉冲过程中逐渐下降，说明电脉冲可以降低非晶结构的无序度（图4e）。图4c插图表明脉冲后低值部分的衍射强度明显下降，而高值部分的衍射强度明显上升，说明电脉冲可与密度较低的流变单元作用，使其转变为密度较高的弹性基底。

图4. Ta金属玻璃纳米线结构演变的SAED 分析。（a-b）脉冲前后的SAED图；（c）FSDP 在电脉冲作用下的演变行为。插图为初始状态（浅蓝色）和二十次脉冲后（深蓝色）FSDP 的对比图；（d-e）电脉冲过程中FSDP 的峰位（𝑞）和半高宽（𝒘）的演变。

（5）金属玻璃电致塑性机制：

力-电耦合下的拉伸过程中（任意两个脉冲间隔时间），外加的轴向拉应力首先会使非晶发生弹性变形，增加自由体积，促进流变单元的产生和增殖。随着应力的持续施加，流变单元会在中间区域扩展并自组织形成一个应力集中区域（图5b中椭圆区域）。在电脉冲瞬间，通过电子-原子相互作用，流变单元发生湮灭，纳米线产生结构弛豫，导致应力集中区域流变单元的再分布，阻碍剪切带的产生。

图5. 脉冲电流作用下Ta 金属玻璃纳米线的电致塑性机制。（a-c）拉伸应力作用下流变单元的产生（b）和电脉冲作用下流变单元的湮灭（c）；（d）脉冲电流下的结构弛豫。

本章探究了力电耦合作用下金属玻璃的电致塑性现象和电子-非晶内部缺陷的交互作用，进一步完善了金属材料的电致塑性理论。本章的主要创新点及发现总结如下：

（1）采用电脉冲快速淬火的方式，以极快的冷却速度获得了Ta 单质金属玻璃纳米线，排除了化学结构不均匀性对实验结果的干扰。纯脉冲实验结果表明在脉冲电流作用下，金属玻璃中缺陷区域会优先与电流作用，发生晶化，证实了单质金属玻璃中结构不均匀性的存在。

（2）力电耦合条件下，纳米线展现出明显的塑性变形行为并出现颈缩。原位电子衍射表明脉冲电流可以与流变单元优先作用，通过电子-原子相互作用，提升疏松区域的原子迁移能力，引起流变单元的湮灭和结构弛豫，并导致应力集中区域流变单元的再分布。这些结构演变过程可以阻止剪切带形核和扩展，使金属玻璃纳米线展现出明显的塑性变形行为和颈缩断裂特征，实现电致塑性。上述发现为金属玻璃中电致塑性的结构起源提供了直观的实验证据，有助于金属玻璃的结构调控和性能优化。

李兴（第一作者）：2024年3月毕业于浙江大学（导师王江伟研究员）。博士期间主要研究方向为金属材料的电致塑性。

王江伟（通讯作者）：王江伟，浙江大学研究员、博士生导师、专聘副院长。主要从事金属材料塑性变形机制、原位电子显微学研究。在Nat. Materials（2）、Nature Communications（14）、Science Advances（4）、Matter、PNAS、Progress in Materials Science等期刊发表论文140余篇，他引8000余次，H因子50。入选国家级海外高层次人才、浙江省特聘专家，获得浙江省优秀博士学位论文指导教师、中国电子显微镜学会优秀青年学者、中国腐蚀与防护学会科学技术奖一等奖等；担任中国机械工程学会材料分会委员、JMST、Mater Res Lett、Tungsten、《材料工程》和《航空材料学报》青年编委。

1. 文章结果有吸引力，有助于理解金属玻璃的电致塑性（The results are interesting and contributes to the understanding of electroplasticity of MGs）。

2. 这些新发现为金属玻璃中电致塑性的结构起源提供了直接的实验证据，对金属玻璃的设计和加工具有科学和技术意义（These novel findings provide direct experimental evidence concerning the structural origin of electroplasticity in MGs, holding scientific and technological implications for MG design and processing）。