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

體心立方鐵中應變驅動<100>位錯環形成機制的闡釋

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構演變與性能，這一現象已被研究逾80年。這種效應（既包括核能系統中結構材料受中子輻照的負面影響，也涉及微電子產業中半導體離子束加工的積極作用）本質上受位移缺陷的生成、遷移、復合與聚集所支配，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面上的聚集會形成位錯環，成為控制輻照材料微觀結構與熱機械響應的關鍵因素。根據原子躍遷的幅度與方向，位錯環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（即伯氏矢量為1/2<111>和<100>），這與理論計算結果存在差異——1/2<111>位錯環的形成能遠低于<100>型，預示后者難以形成。鑒于1/2<111>位錯環的遷移率更高且易被本征缺陷捕獲，<100>位錯環的存在可能顯著改變材料性能，導致bcc金屬呈現特殊的輻照響應。因此，揭示<100>位錯環的形成機制這一懸而未決的課題，對預測輻照效應和設計抗輻照材料具有重要科學價值與工程意義。

盡管過去半個世紀進行了大量研究，學界對bcc金屬中<100>位錯環的形成機制仍未達成共識，現有理論主要包括：Eyre和Bullough最早提出<110>切變可使1/2<110>層錯環轉變為<100>型，但層錯形成能過高導致該機制難以實現；Dudarev等認為各向異性彈性自由能的溫度依賴性使<100>位錯環在高溫(>823 K)下更穩定，雖與實驗觀察吻合但缺乏動力學解釋；原子模擬表明1/2<111>位錯環或C15間隙團簇可直接轉變為<100>型，但該機制僅適用于小尺寸團簇；分子動力學(MD)模擬發現高能位移級聯中可能形成<100>位錯環，但其概率取決于入射能量與原子質量；另有研究提出兩個1/2<111>位錯環通過反應形成<100>型，但需滿足嚴格幾何條件。更復雜的是，大量實驗表明應力、溫度和雜質等外部因素對<100>位錯環形成具有決定性影響，但其物理本質尚待揭示。

本研究以bcc鐵為例，通過系統的MD模擬首次證實各向異性應變（壓縮/拉伸）可通過雙位錯環反應顯著促進<100>位錯環形成。區別于現有機制，該過程無需特定幾何條件（僅需各向異性應變），且對反應環的尺寸與拓撲限制更少。采用彈性帶(NEB)計算與阿倫尼烏斯公式，我們解析了雙位錯環反應的原子過程與各步驟活化能，發現各向異性應變可有效降低反應能壘。據此建立的理論模型，綜合考慮應變各向異性和位錯環尺寸差異，可預測bcc鐵中<100>位錯環的形成概率。該研究為理解輻照條件下bcc金屬的微觀結構演變與力學響應提供了新視角。

中文摘要：

位錯環是輻照損傷的主要表征形式，對材料的微觀結構演變和熱機械性能具有深遠影響。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，但<100>型位錯環的形成機制——尤其是其低穩定性的成因——始終懸而未決。本研究通過分子動力學模擬首次揭示：在單軸應變條件下，兩個滑移的1/2<111>型位錯環相互作用可直接形成<100>型位錯環，而該現象在無應變條件下不會發生。這種應變促進的<100>型位錯環形成機制，不同于傳統位錯反應理論對反應環拓撲結構和尺寸的嚴苛要求，為解釋<100>型位錯環的頻繁出現提供了新思路。微觀分析表明，雙環反應生成<100>型位錯環是一個涉及多重間隙原子協同運動/重排的復雜原子過程。通過計算各反應步驟的激活能壘，發現其普遍隨單軸應變增大而降低。特別地，我們建立了<100>型位錯環形成概率的預測模型，其預測結果與分子動力學模擬高度吻合。這些發現不僅為理解<100>型位錯環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。