Elucidating the mechanism of strain-driven <100> dislocation loop formation in bcc iron

體心立方鐵中應(yīng)變驅(qū)動<100>位錯環(huán)形成機制的闡釋

作者信息：

Hong-Bo Zhou ^a b, Xin-Ya Tang ^a b, Yu-Hao Li ^a b, Tian-Ren Yang ^a b, Hao-Xuan Huang ^a b, Qing-Yuan Ren ^c, Guang-Hong Lu ^a b

a Department of Physics, Beihang University, Beijing, 100191, China

b Beijing Key Laboratory of Advanced Nuclear Materials and Physics, Beihang University, Beijing, 100191, China

c Department of Mathematics and Physics, North China Electric Power University, Baoding, 071003, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100008

文章介紹：

高能粒子輻照會顯著影響材料的微觀結(jié)構(gòu)演變與性能，這一現(xiàn)象已被研究逾80年。這種效應(yīng)（既包括核能系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)材料受中子輻照的負(fù)面影響，也涉及微電子產(chǎn)業(yè)中半導(dǎo)體離子束加工的積極作用）本質(zhì)上受位移缺陷的生成、遷移、復(fù)合與聚集所支配，然而這些微觀過程尚未完全闡明。由于高形成能(>4 eV)和獨特應(yīng)力場，自間隙原子(SIAs)作為典型的位移缺陷，被視為粒子輻照的主要表征。這些間隙原子在慣習(xí)面上的聚集會形成位錯環(huán)，成為控制輻照材料微觀結(jié)構(gòu)與熱機械響應(yīng)的關(guān)鍵因素。根據(jù)原子躍遷的幅度與方向，位錯環(huán)通常用伯氏矢量表征。有趣的是，透射電鏡在體心立方(bcc)金屬中明確識別出兩類位錯環(huán)（即伯氏矢量為1/2<111>和<100>），這與理論計算結(jié)果存在差異——1/2<111>位錯環(huán)的形成能遠(yuǎn)低于<100>型，預(yù)示后者難以形成。鑒于1/2<111>位錯環(huán)的遷移率更高且易被本征缺陷捕獲，<100>位錯環(huán)的存在可能顯著改變材料性能，導(dǎo)致bcc金屬呈現(xiàn)特殊的輻照響應(yīng)。因此，揭示<100>位錯環(huán)的形成機制這一懸而未決的課題，對預(yù)測輻照效應(yīng)和設(shè)計抗輻照材料具有重要科學(xué)價值與工程意義。

盡管過去半個世紀(jì)進(jìn)行了大量研究，學(xué)界對bcc金屬中<100>位錯環(huán)的形成機制仍未達(dá)成共識，現(xiàn)有理論主要包括：Eyre和Bullough最早提出<110>切變可使1/2<110>層錯環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)?lt;100>型，但層錯形成能過高導(dǎo)致該機制難以實現(xiàn)；Dudarev等認(rèn)為各向異性彈性自由能的溫度依賴性使<100>位錯環(huán)在高溫(>823 K)下更穩(wěn)定，雖與實驗觀察吻合但缺乏動力學(xué)解釋；原子模擬表明1/2<111>位錯環(huán)或C15間隙團(tuán)簇可直接轉(zhuǎn)變?yōu)?lt;100>型，但該機制僅適用于小尺寸團(tuán)簇；分子動力學(xué)(MD)模擬發(fā)現(xiàn)高能位移級聯(lián)中可能形成<100>位錯環(huán)，但其概率取決于入射能量與原子質(zhì)量；另有研究提出兩個1/2<111>位錯環(huán)通過反應(yīng)形成<100>型，但需滿足嚴(yán)格幾何條件。更復(fù)雜的是，大量實驗表明應(yīng)力、溫度和雜質(zhì)等外部因素對<100>位錯環(huán)形成具有決定性影響，但其物理本質(zhì)尚待揭示。

本研究以bcc鐵為例，通過系統(tǒng)的MD模擬首次證實各向異性應(yīng)變（壓縮/拉伸）可通過雙位錯環(huán)反應(yīng)顯著促進(jìn)<100>位錯環(huán)形成。區(qū)別于現(xiàn)有機制，該過程無需特定幾何條件（僅需各向異性應(yīng)變），且對反應(yīng)環(huán)的尺寸與拓?fù)湎拗聘佟２捎脧椥詭?NEB)計算與阿倫尼烏斯公式，我們解析了雙位錯環(huán)反應(yīng)的原子過程與各步驟活化能，發(fā)現(xiàn)各向異性應(yīng)變可有效降低反應(yīng)能壘。據(jù)此建立的理論模型，綜合考慮應(yīng)變各向異性和位錯環(huán)尺寸差異，可預(yù)測bcc鐵中<100>位錯環(huán)的形成概率。該研究為理解輻照條件下bcc金屬的微觀結(jié)構(gòu)演變與力學(xué)響應(yīng)提供了新視角。

中文摘要：

位錯環(huán)是輻照損傷的主要表征形式，對材料的微觀結(jié)構(gòu)演變和熱機械性能具有深遠(yuǎn)影響。雖然在體心立方（bcc）金屬輻照后能明確觀測到1/2<111>型和<100>型兩種位錯環(huán)，但<100>型位錯環(huán)的形成機制——尤其是其低穩(wěn)定性的成因——始終懸而未決。本研究通過分子動力學(xué)模擬首次揭示：在單軸應(yīng)變條件下，兩個滑移的1/2<111>型位錯環(huán)相互作用可直接形成<100>型位錯環(huán)，而該現(xiàn)象在無應(yīng)變條件下不會發(fā)生。這種應(yīng)變促進(jìn)的<100>型位錯環(huán)形成機制，不同于傳統(tǒng)位錯反應(yīng)理論對反應(yīng)環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和尺寸的嚴(yán)苛要求，為解釋<100>型位錯環(huán)的頻繁出現(xiàn)提供了新思路。微觀分析表明，雙環(huán)反應(yīng)生成<100>型位錯環(huán)是一個涉及多重間隙原子協(xié)同運動/重排的復(fù)雜原子過程。通過計算各反應(yīng)步驟的激活能壘，發(fā)現(xiàn)其普遍隨單軸應(yīng)變增大而降低。特別地，我們建立了<100>型位錯環(huán)形成概率的預(yù)測模型，其預(yù)測結(jié)果與分子動力學(xué)模擬高度吻合。這些發(fā)現(xiàn)不僅為理解<100>型位錯環(huán)的形成機制提供了新視角，架起了模擬與實驗之間的橋梁，更為精確評估bcc金屬的輻照損傷演化奠定了理論基礎(chǔ)。