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《Nature Commun》:发现一种新的位错环扩散机制!

金属材料 mse_material 114阅读 扫描二维码

位错环在材料中的迁移率,是理解材料机械强度以及形变和辐射引起的微观结构演化的主要因素。在体心立方(BCC)铁中,普遍认为<100>的间隙位错环一旦形成是不运动的。

近日,来自山东大学、中科院、吉林大学、北航、湖南大学、美国密歇根大学等单位的研究者,利用自适应加速分子动力学(SSAMD)发现了<100>间隙位错环的一种新的扩散机制。如需观看此文更多视频请关注抖音账号:材料科学网。相关论文以题为“Mechanisms for <100> interstitial dislocation loops to diffuse in BCC iron”发表在Nature Communications上。

论文链接:

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

在金属和许多重要的非金属固体中,位错是理解这些材料力学性能的关键缺陷结构之一。到目前为止,位错线或位错环的结构和性质,一直是研究较多的领域。在位错环中,对体心立方(BCC)铁(Fe)和铁基合金中由淬火、变形和辐照作用形成的棱柱状间隙位错环(PIDLs)已经研究了几十年,因为它们对正常条件下的力学行为和裂变聚变反应堆中使用的材料的辐射损伤都至关重要。

从力学的观点来看,PIDLs可以被视为硬障碍,因此预先存在的位错将通过Orowan机制在它们周围弯曲。环和位错之间的相互作用通常影响塑性变形过程,导致材料硬化和低温脆化。位错环也有助于辐射蠕变、肿胀等。除辐照效应外,PIDLs也是航天飞机发展中一个令人关注的领域,因为航天飞机会受到空间高能粒子的影响。PIDLs是影响航天飞机安全性和寿命的有害缺陷。因此,对于极端环境下使用的材料来说,了解这些循环的特性,一直是个热门话题。

在BCC Fe中,沿伯格斯矢量(B)观察到的PIDLs主要有两种类型:1/2<111>和<100>。在这两种循环中观察到以下现象:一种在低温辐照时发生,并以低能垒快速扩散;另一种在辐照过程中形成后几乎不动。在过去的几十年里,1/2 <111>环已被广泛研究,但由于它的固着特性,<111>环通常被认为是一个障碍,类似于材料中的沉淀。然而,最近的实验结果表明,<100>环表明一种迁移可能对BCC金属的力学性能有重大影响。因此,了解<100>环运动机制,是进一步探索与变形或辐射形成<100>位错环相关的Fe和Fe基合金力学性能的关键步骤。

在这项工作中,研究者结合最近开发的自适应加速分子动力学方法(SAAMD)和原位透射电子显微镜(TEM)测量,探索了<100>环的新的扩散机制。在本工作中,通过原子模拟,借由<100>循环在BCC Fe中的一维(1D)扩散证明了一种新的扩散机制。<100>环的迁移机制与1/2 <111>环的迁移机制明显不同。1/2<111>环通过环内单个自填隙原子(SIA)沿<111>方向的相关迁移扩散,而<100>循环在一定条件下通过改变其习惯面从{100}到不同的{110}平面进行迁移。该机制的关键在于习惯面在{100}平面和{110}平面之间的改变,这为<100>回路的一维扩散提供了路径。用SSAMD模拟的迁移行为通过原位透射电子显微镜(TEM)测量得到了进一步证实,并代表了理解<100>环壁的形成和BCC Fe在辐照下的力学行为的重要一步。如需观看此文相关视频请关注抖音账号:材料科学网。

图1 <100>环路的构型,其伯格斯向量[100]位于不同的习惯平面。

图2 在b =[100]的(100)习惯面上,<100>环的扩散机制示意图。

图3 SAAMD和纳米压痕模拟中的习惯面。

图4 <100>环在不同习惯平面间扩散的能垒。

图5 通过惯习面旋转直接原位TEM观察<100>环扩散。如需观看此文相关视频请关注抖音账号:材料科学网。

材料科学与工程 视频号

顶刊!发现位错环新机制!详情请查看公众号《材料科学与工程》2021年1月16日推文。

图6 通过它们习惯面的改变<100>环扩散间接证据。如需观看此文相关视频请关注抖音账号:材料科学网。

图7 <100>环的模拟TEM图像和原位图像的比较。

综上所述,研究者通过SAAMD和原位TEM离子辐照实验,探讨了<100>环在BCC Fe中的一维扩散机制。两种方法的结果都表明,{100}、{130}、{120}和{110}之间习惯面的变化是<100>环在一维内扩散的主要途径,这为理解Fe-Cr合金中<100>环壁的形成提供了关键基础。本研究还推进了目前对<100>环与位错线相互作用,导致辐射硬化、微裂纹形成、蠕变和膨胀等理解。

这些结果也说明,通过耦合模拟和实验观察所探索的机制,能够提供对环动力学的全面理解,并通过离子注入、高能粒子轰击或冷加工更深入地了解工程微结构。(文:水生)

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