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

体心立方铁中应变驱动<100>位错环形成机制的阐释

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

文章介绍：

高能粒子辐照会显著影响材料的微观结构演变与性能，这一现象已被研究逾80年。这种效应（既包括核能系统中结构材料受中子辐照的负面影响，也涉及微电子产业中半导体离子束加工的积极作用）本质上受位移缺陷的生成、迁移、复合与聚集所支配，然而这些微观过程尚未完全阐明。由于高形成能(>4 eV)和独特应力场，自间隙原子(SIAs)作为典型的位移缺陷，被视为粒子辐照的主要表征。这些间隙原子在惯习面上的聚集会形成位错环，成为控制辐照材料微观结构与热机械响应的关键因素。根据原子跃迁的幅度与方向，位错环通常用伯氏矢量表征。有趣的是，透射电镜在体心立方(bcc)金属中明确识别出两类位错环（即伯氏矢量为1/2<111>和<100>），这与理论计算结果存在差异——1/2<111>位错环的形成能远低于<100>型，预示后者难以形成。鉴于1/2<111>位错环的迁移率更高且易被本征缺陷捕获，<100>位错环的存在可能显著改变材料性能，导致bcc金属呈现特殊的辐照响应。因此，揭示<100>位错环的形成机制这一悬而未决的课题，对预测辐照效应和设计抗辐照材料具有重要科学价值与工程意义。

尽管过去半个世纪进行了大量研究，学界对bcc金属中<100>位错环的形成机制仍未达成共识，现有理论主要包括：Eyre和Bullough最早提出<110>切变可使1/2<110>层错环转变为<100>型，但层错形成能过高导致该机制难以实现；Dudarev等认为各向异性弹性自由能的温度依赖性使<100>位错环在高温(>823 K)下更稳定，虽与实验观察吻合但缺乏动力学解释；原子模拟表明1/2<111>位错环或C15间隙团簇可直接转变为<100>型，但该机制仅适用于小尺寸团簇；分子动力学(MD)模拟发现高能位移级联中可能形成<100>位错环，但其概率取决于入射能量与原子质量；另有研究提出两个1/2<111>位错环通过反应形成<100>型，但需满足严格几何条件。更复杂的是，大量实验表明应力、温度和杂质等外部因素对<100>位错环形成具有决定性影响，但其物理本质尚待揭示。

本研究以bcc铁为例，通过系统的MD模拟首次证实各向异性应变（压缩/拉伸）可通过双位错环反应显著促进<100>位错环形成。区别于现有机制，该过程无需特定几何条件（仅需各向异性应变），且对反应环的尺寸与拓扑限制更少。采用弹性带(NEB)计算与阿伦尼乌斯公式，我们解析了双位错环反应的原子过程与各步骤活化能，发现各向异性应变可有效降低反应能垒。据此建立的理论模型，综合考虑应变各向异性和位错环尺寸差异，可预测bcc铁中<100>位错环的形成概率。该研究为理解辐照条件下bcc金属的微观结构演变与力学响应提供了新视角。

中文摘要：

位错环是辐照损伤的主要表征形式，对材料的微观结构演变和热机械性能具有深远影响。虽然在体心立方（bcc）金属辐照后能明确观测到1/2<111>型和<100>型两种位错环，但<100>型位错环的形成机制——尤其是其低稳定性的成因——始终悬而未决。本研究通过分子动力学模拟首次揭示：在单轴应变条件下，两个滑移的1/2<111>型位错环相互作用可直接形成<100>型位错环，而该现象在无应变条件下不会发生。这种应变促进的<100>型位错环形成机制，不同于传统位错反应理论对反应环拓扑结构和尺寸的严苛要求，为解释<100>型位错环的频繁出现提供了新思路。微观分析表明，双环反应生成<100>型位错环是一个涉及多重间隙原子协同运动/重排的复杂原子过程。通过计算各反应步骤的激活能垒，发现其普遍随单轴应变增大而降低。特别地，我们建立了<100>型位错环形成概率的预测模型，其预测结果与分子动力学模拟高度吻合。这些发现不仅为理解<100>型位错环的形成机制提供了新视角，架起了模拟与实验之间的桥梁，更为精确评估bcc金属的辐照损伤演化奠定了理论基础。