位錯環在材料中的遷移率，是理解材料機械強度以及形變和輻射引起的微觀結構演化的主要因素。在體心立方(BCC)鐵中，普遍認為<100>的間隙位錯環一旦形成是不運動的。

近日，來自山東大學、中科院、吉林大學、北航、湖南大學、美國密歇根大學等單位的研究者，利用自適應加速分子動力學(SSAMD)發現了<100>間隙位錯環的一種新的擴散機制。如需觀看此文更多視頻請關注抖音賬號：材料科學網。相關論文以題為“Mechanisms for <100> interstitial dislocation loops to diffuse in BCC iron”發表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20574-6

在金屬和許多重要的非金屬固體中，位錯是理解這些材料力學性能的關鍵缺陷結構之一。到目前為止，位錯線或位錯環的結構和性質，一直是研究較多的領域。在位錯環中，對體心立方(BCC)鐵(Fe)和鐵基合金中由淬火、變形和輻照作用形成的棱柱狀間隙位錯環(PIDLs)已經研究了幾十年，因為它們對正常條件下的力學行為和裂變聚變反應堆中使用的材料的輻射損傷都至關重要。

從力學的觀點來看，PIDLs可以被視為硬障礙，因此預先存在的位錯將通過Orowan機制在它們周圍彎曲。環和位錯之間的相互作用通常影響塑性變形過程，導致材料硬化和低溫脆化。位錯環也有助于輻射蠕變、腫脹等。除輻照效應外，PIDLs也是航天飛機發展中一個令人關注的領域，因為航天飛機會受到空間高能粒子的影響。PIDLs是影響航天飛機安全性和壽命的有害缺陷。因此，對于極端環境下使用的材料來說，了解這些循環的特性，一直是個熱門話題。

在BCC Fe中，沿伯格斯矢量(B)觀察到的PIDLs主要有兩種類型：1/2<111>和<100>。在這兩種循環中觀察到以下現象：一種在低溫輻照時發生，并以低能壘快速擴散；另一種在輻照過程中形成后幾乎不動。在過去的幾十年里，1/2 <111>環已被廣泛研究，但由于它的固著特性，<111>環通常被認為是一個障礙，類似于材料中的沉淀。然而，最近的實驗結果表明，<100>環表明一種遷移可能對BCC金屬的力學性能有重大影響。因此，了解<100>環運動機制，是進一步探索與變形或輻射形成<100>位錯環相關的Fe和Fe基合金力學性能的關鍵步驟。

在這項工作中，研究者結合最近開發的自適應加速分子動力學方法(SAAMD)和原位透射電子顯微鏡(TEM)測量，探索了<100>環的新的擴散機制。在本工作中，通過原子模擬，借由<100>循環在BCC Fe中的一維(1D)擴散證明了一種新的擴散機制。<100>環的遷移機制與1/2 <111>環的遷移機制明顯不同。1/2<111>環通過環內單個自填隙原子(SIA)沿<111>方向的相關遷移擴散，而<100>循環在一定條件下通過改變其習慣面從{100}到不同的{110}平面進行遷移。該機制的關鍵在于習慣面在{100}平面和{110}平面之間的改變，這為<100>回路的一維擴散提供了路徑。用SSAMD模擬的遷移行為通過原位透射電子顯微鏡(TEM)測量得到了進一步證實，并代表了理解<100>環壁的形成和BCC Fe在輻照下的力學行為的重要一步。如需觀看此文相關視頻請關注抖音賬號：材料科學網。

圖1 <100>環路的構型，其伯格斯向量[100]位于不同的習慣平面。

圖2 在b =[100]的(100)習慣面上，<100>環的擴散機制示意圖。

圖3 SAAMD和納米壓痕模擬中的習慣面。

圖4 <100>環在不同習慣平面間擴散的能壘。

圖5 通過慣習面旋轉直接原位TEM觀察<100>環擴散。如需觀看此文相關視頻請關注抖音賬號：材料科學網。

材料科學與工程?視頻號

頂刊！發現位錯環新機制！詳情請查看公眾號《材料科學與工程》2021年1月16日推文。

圖6 通過它們習慣面的改變<100>環擴散間接證據。如需觀看此文相關視頻請關注抖音賬號：材料科學網。

圖7 <100>環的模擬TEM圖像和原位圖像的比較。

綜上所述，研究者通過SAAMD和原位TEM離子輻照實驗，探討了<100>環在BCC Fe中的一維擴散機制。兩種方法的結果都表明，{100}、{130}、{120}和{110}之間習慣面的變化是<100>環在一維內擴散的主要途徑，這為理解Fe-Cr合金中<100>環壁的形成提供了關鍵基礎。本研究還推進了目前對<100>環與位錯線相互作用，導致輻射硬化、微裂紋形成、蠕變和膨脹等理解。

這些結果也說明，通過耦合模擬和實驗觀察所探索的機制，能夠提供對環動力學的全面理解，并通過離子注入、高能粒子轟擊或冷加工更深入地了解工程微結構。（文：水生）

本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。