摘要：位錯(cuò)環(huán)在材料中的遷移率是理解材料的機(jī)械強(qiáng)度以及形變和輻射引起的微觀結(jié)構(gòu)演化的主要因素。在體心立方（BCC）鐵中，普遍認(rèn)為<100>的間隙位錯(cuò)環(huán)一旦形成是不活動(dòng)的。然而，本文利用自適應(yīng)加速分子動(dòng)力學(xué)（SSAMD）發(fā)現(xiàn)了<100>間隙位錯(cuò)環(huán)的一種新的擴(kuò)散機(jī)制。該機(jī)制的關(guān)鍵在于習(xí)慣面在{100}平面和{110}平面之間的改變，這為<100>回路的一維擴(kuò)散提供了路徑，代表了理解<100>環(huán)壁的形成和BCC Fe在輻照下的力學(xué)行為的重要一步。

在金屬和許多重要的非金屬固體中，位錯(cuò)是理解這些材料力學(xué)性能的關(guān)鍵缺陷結(jié)構(gòu)之一。到目前為止，位錯(cuò)線或位錯(cuò)環(huán)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)一直是研究較多的領(lǐng)域。在位錯(cuò)環(huán)中，體心立方（BCC）鐵（Fe）和鐵基合金中由淬火、變形和輻照相互作用形成的棱柱型間隙位錯(cuò)環(huán)（PIDL）已被研究了幾十年，因?yàn)樗鼈儗?duì)正常條件下的力學(xué)行為至關(guān)重要，還用于裂變和聚變反應(yīng)堆的材料的輻射損傷。從機(jī)械角度來(lái)看，PIDL可以看作是硬障礙，因此，先前的位錯(cuò)將通過(guò)Orowan機(jī)制在其周?chē)鷱澢－h(huán)與位錯(cuò)之間的相互作用通常會(huì)影響塑性變形過(guò)程，從而導(dǎo)致材料硬化和低溫脆化。在奧氏體鋼中，經(jīng)7d.p.a.輻照的弗蘭克環(huán)對(duì)材料強(qiáng)度的相對(duì)貢獻(xiàn)更大。環(huán)也有助于輻射蠕變，膨脹等。除了輻射效應(yīng)外，PIDLs也是空間飛行器發(fā)展中的一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域，它受到空間高能粒子的影響。PIDLs是影響航天飛機(jī)安全和壽命的有害缺陷。因此，了解這些環(huán)的性質(zhì)是在極端環(huán)境下使用的材料的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。

在BCC Fe中，沿以下Burgers向量（B）主要觀察到兩種類(lèi)型的PIDL：1/2 <111>和<100>。根據(jù)以前的研究，對(duì)于這兩種類(lèi)型的回路，觀察到以下現(xiàn)象：第一種發(fā)生在低溫輻照期間，并以低能壘快速擴(kuò)散，第二種在其形成后在輻照過(guò)程中幾乎不動(dòng)。在過(guò)去的幾十年里，1/2 <111>環(huán)的遷移率得到了廣泛的研究，但由于它的固著特性，<100>環(huán)通常被認(rèn)為是一個(gè)障礙，類(lèi)似于材料中的沉淀。然而，最近對(duì)<100>環(huán)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了遷移率的存在，這種遷移率可能對(duì)體心立方金屬的力學(xué)性能有重要影響。因此，了解<100>環(huán)的擴(kuò)散機(jī)理是進(jìn)一步探索與通過(guò)變形或輻射形成<100>位錯(cuò)環(huán)有關(guān)的鐵和鐵基合金機(jī)械性能的關(guān)鍵步驟。

眾所周知，經(jīng)典MD可以提供<100>環(huán)的有用信息，但MDs時(shí)間尺度的限制使其無(wú)法研究<100>環(huán)的擴(kuò)散特性，這種擴(kuò)散可能發(fā)生在幾秒鐘或幾分鐘內(nèi)。根據(jù)以往的研究，預(yù)期<100>環(huán)的擴(kuò)散具有高的能量勢(shì)壘，因此，有必要使用SAAMD來(lái)模擬這種擴(kuò)散過(guò)程。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果，Arawaka等人還進(jìn)行了原位TEM觀察，以比較擴(kuò)散機(jī)制并探索BCC Fe中1/2 <111>環(huán)的擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)。因此，SAAMD模擬和原位TEM觀察的結(jié)合為探索<100>位錯(cuò)環(huán)在鐵中的擴(kuò)散提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。

近日，來(lái)自吉林大學(xué)、美國(guó)密歇根大學(xué)等單位的科學(xué)家通過(guò)原子模擬，首次證明了一種新的擴(kuò)散機(jī)制是通過(guò)<100>環(huán)在BCC-Fe中的一維擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的。<100>環(huán)的遷移機(jī)制明顯不同于1/2<111>環(huán)。1/2<111>環(huán)是通過(guò)環(huán)內(nèi)單個(gè)自間隙原子（SIA）沿<111>方向的關(guān)聯(lián)遷移而擴(kuò)散的，而<100>環(huán)則是通過(guò)在一定條件下改變其習(xí)慣面從{100}向不同的{110}面遷移而擴(kuò)散的。為了證實(shí)SAAMD所獲得的機(jī)理，經(jīng)典MD方法也采用了一種方法，即從壓頭引入應(yīng)力來(lái)推動(dòng)<100>環(huán)。當(dāng)施加外力時(shí)，其方向與給定<100>環(huán)的Burgers矢量相同。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-020-20574-6#additional-information

通過(guò)SAAMD和TEM離子輻照實(shí)驗(yàn)，探討了<100>環(huán)在BCC-Fe中的一維擴(kuò)散機(jī)制。兩種方法的結(jié)果顯示了相同的結(jié)論，{100}、{130}、{120}和{110}之間的習(xí)慣面變化是<100>環(huán)在一維擴(kuò)散的主要途徑，這為理解Fe–Cr合金中觀察到的<100>環(huán)壁的形成提供了關(guān)鍵的一步。

圖1. <100>環(huán)路的構(gòu)型，其Burgers向量[100]位于不同習(xí)慣平面。a為（100）面，b為（110）面。在本例中，環(huán)路中的SIAs數(shù)目為137。環(huán)由帶箭頭的粉色曲線表示。紅色箭頭表示循環(huán)的Burgers向量。

表1. 位于（100）和（110）的習(xí)慣平面（HB）上的[100]回路的能量狀態(tài)，作為回路中SIA數(shù)（NSIA）的函數(shù)。 

圖2. 在b =[100]的（100）習(xí)慣面上，<100>環(huán)的擴(kuò)散機(jī)制示意圖。它的慣性平面可以從a（100）更改為b（`310），c（`210）和d（`110）（路徑1），也可以更改為e（30`1），f（20`1）和 g（10`1）（路徑2）。兩條路徑的示意圖和交叉點(diǎn)顯示在右側(cè)h上。不同的習(xí)慣平面分別以紫色，綠色和藍(lán)色標(biāo)記。

圖3.  SAAMD和納米壓痕模擬中的習(xí)慣面。a在SAAMD模擬中，<100>環(huán)的{100}、{130}、{120}和{110}混合習(xí)慣面（由粉紅色曲線顯示）。b納米壓痕法在體心立方鐵<100>環(huán)上施加的外部應(yīng)力示意圖。環(huán)平面和Burgers向量如圖所示。環(huán)隨模擬時(shí)間的演變用c表示，從狀態(tài)I到狀態(tài)IV，用不同的顏色表示。

圖4. <100>環(huán)在不同習(xí)慣平面間擴(kuò)散的能壘。環(huán)的直徑為1.6 nm，在{100}、{130}、{120}和{110}習(xí)慣面之間旋轉(zhuǎn)。為了清晰起見(jiàn)，補(bǔ)充圖2給出了鞍點(diǎn)（SD）狀態(tài)SD1-SD4的構(gòu)型。

圖5. 通過(guò)平面旋轉(zhuǎn)對(duì)<100>環(huán)擴(kuò)散的直接現(xiàn)場(chǎng)TEM觀察。一個(gè)環(huán)（loop-I）的旋轉(zhuǎn)用a–c表示，兩個(gè)環(huán)分別用紅色和黃色的小圓點(diǎn)橢圓表示。大環(huán)在相互作用后的旋轉(zhuǎn)如圖d-f所示。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的總時(shí)間高達(dá)450秒。

圖6. <100>環(huán)通過(guò)其習(xí)慣平面的變化擴(kuò)散的間接證據(jù)。a–f為{100}和{110}沿Burgers向量擴(kuò)散到表面期間，慣性平面之間的旋轉(zhuǎn)。紅色和黃色小圓圈分別顯示了兩個(gè)環(huán)。

圖7. <100>環(huán)的模擬TEM圖像與原位圖像的比較。環(huán)位于不同的習(xí)慣平面上：a（100），b（-310），c（-210）和d（-110）。上面的圖像是通過(guò)TEMACI程序模擬的結(jié)果，下面的圖像是從補(bǔ)充影像3的現(xiàn)場(chǎng)觀察中獲得的結(jié)果。環(huán)的形狀由紅色點(diǎn)菱形和矩形標(biāo)記。

圖8. SAAMD模擬選擇的圓柱有效容積（AV）的示意圖。r和R分別是<100>環(huán)和AV的半徑。

本研究還推進(jìn)了目前對(duì)<100>環(huán)與位錯(cuò)線相互作用的理解，即導(dǎo)致輻射硬化、微裂紋形成、蠕變和膨脹的機(jī)理。然而，將<100>環(huán)的擴(kuò)散機(jī)制納入微觀或宏觀模型，如速率理論，對(duì)于理解輻射損傷的基本原理是很重要的。這些結(jié)果也說(shuō)明，通過(guò)耦合模擬和實(shí)驗(yàn)觀察所探索的機(jī)制，能夠提供對(duì)回路動(dòng)力學(xué)的全面理解，并通過(guò)離子注入、高能粒子轟擊或冷加工更深入地了解工程微結(jié)構(gòu)。