厦大《Scripta Mater》：原位TEM和MD模拟研究钨<100>环演变

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在体心立方(BCC)材料中，高能粒子辐照会导致晶格缺陷，包括间隙原子和空位，这些缺陷倾向于聚集成二维位错环，伯格斯矢量为1/2<111>或<100>，<100>环被认为具有低迁移率，导致显着影响机械性能，如辐照硬化和脆化。因此，它们的产生和演化成为近年来的研究热点。<100>环的形成机制通过原位辐照、计算模拟和理论分析进行了广泛的研究。然而，在后续辐照过程中形成的<100>环的反应和转化仍不清楚。一直以来，与<100>环和1/2<111>环之间的环反应不同，对<100>环之间的反应进行的探索很少。随着辐照通量的增加，已有学者研究了FeCrAl合金中<100>环的比例变化，但没有发现明显的趋势。同时，发现<100>环的比例仅微弱地依赖于钨的含量。然而，环反应的影响没有被提及，并且从环形核到位错网络形成的<100>环的完整轨迹尚未建立。

厦门大学的研究人员首次报道了在钨中30 keV H₂⁺和He⁺双光束照射期间，<100>环之间的反应产生了1/2<111>环，通过分子动力学模拟表明环之间的反应过程，原位观察到<100>环的演变。相关论文以题为“In-situ TEM observation and MD simulation of the reaction and transformation of <100> loops in tungsten during H₂⁺ & He⁺dual-beam irradiation”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114154

多晶钨样品(纯度99.95%)通过双喷电解抛光，在XI-AMEN设备中进行了1173 K的原位30keV H₂⁺和He⁺双光束照射。氢通量和氦通量分别为3.96×10¹²和3.3×10¹²离子·cm^-2·s^-1，监测区域的平均位移损伤率、注入H浓度率和注入He浓度率分别约为3.94×10^-5dpa/s. 3.27 appm/s和3.03 appm/s，厚度约为135 nm，MD模拟是通过LAMMPS软件进行的。

研究发现辐照诱导的<100>环将转化为1/2<111>环，<100>环在辐照过程中具有类似大小的回路。<100>环被1/2<111>环吸收导致随着注量的增加<100>环的数量急剧减少，只有少数<100>环在后期1.19×10¹⁶ H₂⁺·cm^-2 & 9.9 He⁺·cm^-2辐照中存在。这意味着<100>位错环几乎不参与位错网络的形成。

图1 辐照钨中的位错环反应的TEM图

图2 从<100>环到1/2<111>环转变的MD模拟

图3 随着辐照通量的增加，在选定的区域内出现的<100>环

图4 从图3中测量的<100>环和1/2<111>环的面数密度和平均尺寸与辐照剂量的函数

1/2<111>环的面数密度先增加然后不断减小，环数的减少与环形核率的下降和频繁的环聚结有关，还有表面效应和可能形成<100>环的1/2<111>反应等因素也会影响1/2<111>环密度。在一定范围内，1/2<111>环的平均尺寸总是大于<100>环的平均尺寸。一旦小尺寸<100>环与大尺寸的1/2<111>环接触，会被吸收，导致1/2<111>环增长更快。同时，1/2<111>环之间的聚结也产生更大的1/2<111>环。因此，随着辐照通量的增加，1/2<111>环和<100>环之间的平均尺寸差异变得更大，1/2<111>和<100>环密度的变化是一个受多种机制影响的复杂过程。

本文通过原位TEM和MD模拟提出了一种新的环反应，其中<100>环之间反应产生1/2<111>环，适当的初始<100>环的相对位置和高温是影响这种转变的关键因素，同时本文还根据原位实验数据建立了<100>环的平均尺寸和面数密度与辐照通量之间的关系，为以后的设计研究提供了理论基础。（文：破风）