導讀：鎢在極端溫度和輻射環(huán)境中顯示出高強度，被認為是聚變核反應堆的有前途的面向等離子體的材料。與其他金屬不同，它經(jīng)歷了大量的輻照硬化，從而限制了使用壽命并存在安全問題。近日，西安交通大學材料學院微納中心韓衛(wèi)忠教授課題組系統(tǒng)研究了高溫氦離子輻照鎢的強化機理。在這里，我們證明輻照導致強度增加近 3 倍，而產(chǎn)生的常見缺陷僅貢獻不到三分之一的硬化。對標記原子 - 氦離子分布的分析表明，超過 87% 的空位和氦原子下落不明。由于高空位遷移能，大部分氦-空位配合物被凍結(jié)在晶格中。

聚變承諾為人類提供無限的能量。然而，不幸的是，14.1 MeV 聚變中子會激活許多核素（例如 Ni），并且還會在材料內(nèi)部留下氦 (He)。低活化元素，如鎢 (W)、釩和鐵，正成為最有前途的結(jié)構金屬元素。然而，這類金屬具有體心立方 (BCC) 晶體結(jié)構，當暴露于輻射時，其屈服強度往往會顯著增加。這種被稱為輻射硬化的現(xiàn)象在 BCC 金屬中比在面心立方 (FCC) 和六方密堆積金屬 (HCP) 中嚴重數(shù)倍。 更重要的是，這種超高輻射硬化 (UIH) 在 BCC 金屬中無處不在并且無法根據(jù)觀察到的納米級輻照缺陷（即氣泡、空隙或位錯環(huán)）進行準確估計。大多數(shù)硬化理論都基于對這些輻射引起的缺陷的密度和尺寸的了解，然而，通過僅考慮那些可見缺陷，其中一些導致的預測遠低于實驗測量的硬化。

鎢是一種典型的難熔金屬，由于其熔化溫度高、濺射產(chǎn)額低和蒸發(fā)系數(shù)小，被認為是聚變核反應堆中面向等離子體的材料的理想候選材料。在聚變反應堆運行期間，W 暴露于高通量中子輻射、輕離子等離子體轟擊和高熱通量。輕離子被注入到 W 中，并傾向于與輻射引起的空位結(jié)合形成氣泡。像其他 BCC 金屬一樣，W 表現(xiàn)出 UIH，其中所有傳統(tǒng)模型估計都證明遠小于實驗觀察到的硬化。W 中的 UIH 進一步降低了這種已經(jīng)很脆的材料的韌性和延展性。BCC 金屬中的 UIH 被認為與異常大量的點缺陷有關，這些點缺陷在輻照過程中產(chǎn)生，但在當前的顯微鏡技術中是不可見的。

在這里，西安交通大學材料學院微納中心韓衛(wèi)忠教授課題組研究了注入 He 的單晶 W 中的輻照硬化。He 離子被用作標記原子來跟蹤輻照誘導的點缺陷的分布。我們結(jié)合納米力學測試、透射電子顯微鏡和分子動力學 (MD) 模擬來揭示輻照硬化的機制。原位測試表明，氦離子輻照后，鎢的屈服強度提高了兩倍。鎢的超高輻照硬化的起源不能用傳統(tǒng)的強化理論很好地解釋。相關工作以“Atomic-Scale Hidden Point-Defect Complexes Induce Ultrahigh-Irradiation Hardening in Tungsten”為題發(fā)表在學術期刊 Nano Letters 。西安交通大學材料學院碩士生鄭若瑤為論文第一作者，韓衛(wèi)忠教授為論文通訊作者，合作者包括加州大學圣巴巴拉分校Irene Beyerlein教授和Wu-Rong Jian博士。該工作得到了國家自然科學基金（優(yōu)青、面上）等項目的共同資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01637

圖1a 顯示了具有不同 He 濃度和輻射損傷水平的 W 單晶的典型壓應力 - 應變曲線，范圍從 0 到 20 at。%。作為參考，我們觀察了純 W 柱 W-0（無 He）的應力應變響應，它在大約 2.1 GPa 的應力水平下屈服，并表現(xiàn)出不均勻變形的經(jīng)典跡象。其屈服后的應力應變響應具有頻繁的應變爆發(fā)，如圖所示。這些爆發(fā)與晶體表面上急劇滑移臺階的形成有關。隨著 He 濃度增加到 0.7 at，輻照 W 的應力應變響應具有越來越高的屈服強度。% (W-0.7), 1.9 at. % (W-1.9)，高達 9 at。% (W-9)。W-9 和 W-20 (20 at. %) 的屈服強度相似，達到純 W-0 的 2.7 倍。輻照材料響應顯示出穩(wěn)定的變形，沒有不穩(wěn)定的應變爆發(fā)。中的插圖圖1a (II) 進一步顯示了均勻變形。受輻照的柱子也經(jīng)歷了顯著的應變硬化

圖1 鎢的超高輻照硬化

圖2 大量不可見點缺陷復合體造成了鎢的超高輻照硬化

圖3。(a)純W中位錯在應變作用下在表面快速移動并消失。(b)位錯緩慢退出并被輻射缺陷捕獲。(c)位錯密度和長度隨應變增加的演化。(d)純W和W-20中位錯滑移速度和曲率的比較。

圖4。因緊張而脫臼的鞠躬。(a)純W在應變作用下產(chǎn)生的直螺位錯。(b)位錯被隱藏的輻射缺陷所阻擋，在W-20中形成弓形結(jié)構。這種行為表明，在這種情況下，邊緣位錯和螺釘位錯的流動性是相當?shù)?/span>