不同溫度下bcc-Fe 中螺位錯滑移及其與位錯環相互作用行為*

王瑾 賀新福 曹晗 賈麗霞 豆艷坤 楊文

(中國原子能科學研究院， 反應堆工程技術研究部， 北京 102413)

1 引 言

在聚變反應堆中， 核結構材料將遭受惡劣的工作環境(高溫、高壓和高通量的中子輻照)， 由此材料會發生級聯碰撞和He 輻照損傷， 經長時間服役，出現腫脹、硬化和脆化等性能惡化[1-3].低活化鐵素體/馬氏體鋼(reduced activation ferritic/martensitic steels， RAFM)作為典型的體心立方(bcc)結構Fe 基材料， 因具有抗高熱負荷性能， 抗高能粒子輻照性能和較好力學性能成為未來聚變堆候選結構材料.然而目前RAFM 鋼的發展瓶頸為輻照脆化和高溫強度不足.輻照硬化脆化主要歸因于位錯環、富 Cr 析出物、He 泡等輻照缺陷阻礙位錯運動[4-25].Hardie 等[4]發現 Fe-Cr 合金在輻照下會產生富Cr 析出相， 隨后， 文獻[5-7]采用分子動力學方法對富Cr 析出物與位錯的相互作用機制及硬化機理進行了研究， 模擬發現富Cr 析出物會阻礙位錯運動， 引起剪切應力增大， 且不同析出物尺寸、Cr 含量和切過位置均會對硬化效果產生不同影響.與之類似， He 泡[8-10]和位錯環[11-15]也會阻礙位錯滑移進而產生硬化.Terentyev 等[11]發現位錯環與刃位錯之間存在排斥作用， 而當位錯環上富集Cr 時則由排斥轉為吸引.Rong等[12]發現位錯環遷移能很低， 容易被刃位錯拖拽并隨之一起滑移.位錯環與刃位錯的相互作用與溫度(300—900 K)相關[13]: 當溫度較高時， 位錯環被刃位錯拖拽一起運動; 當溫度較低時， 位錯環會被刃位錯線拖拽一段距離后從位錯上分離出來.可見， 溫度會影響位錯環與刃位錯的相互作用機制.近年來， Liu 和 Biner[14]模擬研究了100—300 K 下位錯環對螺位錯滑移行為的影響， 結果表明， 當?[111]位錯環較小時， 環會發生旋轉， 先被螺位錯吸收隨后又釋放出位錯環; 當[111]位錯環較大時， 先形成[100]位錯片段， 最后位錯環完全轉變成[100]位錯環.然而高溫下〈 111〉 位錯環對螺位錯滑移行為的研究還相對較少.相對于刃位錯而言， 螺位錯因較低可移動性， 對材料的塑性變形行為具有更為重要的影響[24，25].因此為了充分地理解螺位錯在bcc-Fe 結構材料中所扮演的角色， 本文模擬研究了不同溫度下螺位錯的滑移行為和位錯環對螺位錯滑移的影響， 并詳細探討了溫度對位錯環和螺位錯之間相互作用的影響機制.

2 原子模型與方法

圖1 (a)螺位錯模型和(b)含位錯環的螺位錯模型Fig.1.(a) Model of screw dislocation; (b) model of screw dislocation with dislocation loop.

采用分子動力學程序Lammps[26]進行模擬，Fe 原子間相互作用勢函數的選取來自于文獻[27].在整個模擬過程中， x 和y 方向采用自由邊界條件，z 方向采用周期性邊界條件[15].首先， 對初始構型進行能量最小化處理， 得到穩定構型; 隨后， 采用NPT 系綜， 對模型在一定溫度2， 300， 600 和823 K下進行弛豫， 保持溫度穩定; 最后， 采用NVT 系綜， 對弛豫后的構型進行剪切變形， 沿著z 方向施加應變率為3.0 × 108s—1， 時間步長為1 fs.

在模擬分析中采用開源可視化工具OVITO(open visualization tool)[28]， 用公共近鄰分析法CNA (common neighbor analysis)分析原子結構的轉變， 位錯提取算法DXA (dislocation extraction algorithm)分析不同柏氏矢量的位錯.Fe 原子均用藍色球形原子表示， 錯排原子用白色球形原子表示，〈 111〉 位錯用綠色線條表示.

3 模擬結果與討論

3.1 切應力-應變曲線

圖2 不同溫度下螺位錯及其與位錯環模型切應力-應變曲線Fig.2.Shear stress-strain (τ-ε) curves of screw dislocation model with and without loop under different temperatures.

圖3 隨應變量增加的螺位錯模型構型圖 (a) ε = 0; (b) ε = 0.03; (c) ε = 0.048; (d) ε = 0.058; (e) ε = 0.068; (f) ε = 0.075Fig.3.Configurations of screw dislocation model with increasing strain: (a) ε = 0; (b) ε = 0.03; (c) ε = 0.048; (d) ε = 0.058;(e) ε = 0.068; (f) ε = 0.075.

3.2 溫度對螺位錯滑移行為的影響

由圖2 可知， 隨溫度升高， 螺位錯切應力-應變曲線與2 K 時明顯不同， 均不存在應力平臺階段.圖4(a)和圖4(d)， 圖4(b)和圖4(e)， 圖4(c)和圖4(f)分別為300， 600 和823 K 下螺位錯在應變量ε = 0.03 和0.045 下的z 截面構型圖.當ε =0.03 時， 螺位錯因溫度升高均已發生了滑移， 如圖4(a)—(c)所示， 模型基體(尤其是螺位錯附近)產生大量錯排原子， 600 和823 K 下錯排原子數目明顯比300 K 多， 圖右上角為螺位錯及其附近原子結構放大圖， 這些錯排原子會促進螺位錯滑移， 因此溫度越高， 螺位錯滑移應力越低(與圖3(b)和圖2 相對應); 當ε = 0.045 時， 螺位錯均已滑移出模型， 如圖4(d)—(f)所示， 詳細觀察發現， 位錯劃過后在基體內會殘留些許空位， 這些空位排布可用來近似表征位錯的滑移痕跡.與2 K 下模型對比發現， 300， 600 和823 K 下位錯滑移痕跡存在不同， 這主要歸因于螺位錯的交滑移行為.已有研究表明， 螺位錯典型滑移面為{112}和{110}[15]， 在本文中， 當溫度從2 K 升高到823 K 時， 由于溫度熱激活作用[13-15]， 它會沿著和面發生交替滑移， 因此模型臨界剪切應力逐漸降低， 與圖2中ε = 0—0.045 時的切應力-應變曲線變化相對應;當ε ＞ 0.045 時， 300， 600 和823 K下位錯均已滑移出模型， 由于交滑移的發生， 位錯滑移出模型時距離底端邊界的位置明顯比2 K 時有所升高(823 K 較為明顯)， 而應變量有所降低， 這表明溫度越高， 位錯滑移速度越快， 交滑移越明顯.

圖4 不同溫度下螺位錯模型在ε = 0.03 (a)， (b)， (c)和0.045 (d)， (e)， (f)時的構型圖 (a)， (d) 300 K; (b)， (e) 600 K; (c)， (f) 823 KFig.4.Configurations of screw dislocation model when ε = 0.03 (a)， (b)， (c) and 0.045 (d)， (e)， (f) under different temperatures:(a)， (d) 300 K; (b)， (e) 600 K; (c)， (f) 823 K.

3.3 螺位錯與位錯環相互作用

當模型中存在位錯環時， 不同溫度下位錯環對螺位錯滑移行為產生不同影響.圖5(a)—(c)分別為2 K 下含位錯環的螺位錯模型在不同應變量下z 截面構型圖.當ε = 0.015 時， 螺位錯未發生滑移， 螺位錯和位錯環z 截面結構如圖5(a)所示， y 截面結構和位錯環結構放大圖如右上角所示; 當ε = 0.03 時， 螺位錯準備發生滑移， 位錯環發生旋轉[31](圖5(b)); 當ε = 0.06 時， 螺位錯未滑移通過位錯環， 而是從位錯環上面滑過并在模型右界面上劃出， 位錯環完整保留在基體內， 螺位錯滑移軌跡上留下殘余空位缺陷(圖5(c)).與不含位錯環模型相比， 該模型中螺位錯滑移軌跡存在不同，這主要是由于當螺位錯滑移靠近位錯環時， 兩者之間的排斥作用[11]導致螺位錯在面上滑移受阻， 它會沿著面滑移， 之后在( ˉ1 10 )和面之間發生交滑移， 因此螺位錯滑移出模型時距離底端邊界的位置明顯升高， 模型切應力明顯降低，與圖2 中切應力-應變曲線相對應.

隨著溫度升高到300 K 和600 K 時， 螺位錯會滑移通過位錯環并與位錯環發生交互作用， 模型在不同應變量下z 截面構型如圖6(a)—(c)和圖6(d)—(f)所示.當ε = 0.015 時， 由于溫度升高，位錯環容易翻轉， 螺位錯也在熱激活作用下已經發生了滑移(圖6(a)和圖6(d))， 此時螺位錯與位錯環間距離明顯比圖5(a)近; 當ε = 0.03 時， 螺位錯沿著面滑到位錯環處， 與之相互作用形成螺旋(helix turn)[14](圖6(b)和圖6(e))， 該結構阻礙螺位錯繼續滑動， 因此切應力有所升高(圖2); 之后， 螺旋只能沿著螺位錯線柏氏矢量方向發生滑移， 當ε = 0.045 時， 新的位錯環從螺位錯中分離出來(圖6(c)和圖6(f))， 該新位錯環與螺位錯柏氏矢量方向一致， 但沿著Z 軸向上滑移了一定距離， 這與文獻[14]研究結論一致.可見， 當溫度為300 和600 K 時， 螺位錯在剪切運動過程中，會與位錯環發生交互作用: 一方面， 位錯環會阻礙螺位錯運動， 起到硬化效果; 另一方面， 螺位錯成為位錯環快速滑移運動的通道， 促使位錯環發生滑移.

隨著溫度進一步升高到823 K， 模型在不同應變量下z 截面構型如圖7(a)—(c)所示.當ε =0.015 時， 由于溫度很高， 位錯環更容易發生翻轉，螺位錯也更容易發生交滑移(圖7(a)); 當ε = 0.03時， 螺位錯繼續交滑移， 位錯環也因熱激活繼續翻轉， 它們之間沒有接觸(圖7(b)); 當ε = 0.045 時，位錯環沿Z 軸向下滑移了一段距離， 同時螺位錯也滑移接近模型右邊界(圖7(c)).由此可知， 823 K下螺位錯始終未滑移通過位錯環， 這與2 K 下位錯滑移過程相似， 但不同的是， 由于此時溫度較高，位錯滑移速度增加， 同時螺位錯更易發生交滑移，因此螺位錯滑移出模型的應變量和切應力與2 K下模型要低.

圖5 2 K 下隨應變量增加含位錯環的螺位錯模型構型圖 (a) ε = 0.015; (b) ε = 0.03; (c) ε = 0.06Fig.5.Configurations of screw dislocation model with dislocation loop with increasing strain at 2 K: (a) ε = 0.015; (b) ε = 0.03;(c) ε = 0.06.

圖6 不 同 溫 度 下 含 位 錯 環 的 螺 位 錯 模 型 在 ε = 0.015 (a)， (d)， 0.03 (b)， (e)和0.045 (c)， (f)時 構 型 圖 (a)， (b)， (c) 300 K;(d)， (e)， (f) 600 KFig.6.Configurations of screw dislocation model with dislocation loop when ε = 0.015 (a)， (d)， 0.03 (b)， (e)， and 0.045 (c)， (f) under different temperatures: (a)， (b)， (c) 300 K; (d)， (e)， (f) 600 K.

圖7 823 K 下隨應變量增加含位錯環的螺位錯模型構型圖 (a) ε = 0.015; (b) ε = 0.03; (c) ε = 0.045Fig.7.Configurations of screw dislocation model with dislocation loop with increasing strain at 823 K: (a) ε = 0.015; (b) ε = 0.03;(c) ε = 0.045.

綜上所述， 當模型中存在位錯環時， 不同溫度下螺位錯與位錯環相互作用機制可分為三方面: 低溫2 K 時， 螺位錯與位錯環之間存在斥力作用， 當螺位錯滑移靠近位錯環時， 螺位錯發生交滑移， 未通過位錯環， 因此位錯環沒有產生阻礙作用， 剪切應力比純螺位錯模型要低; 中溫300 和600 K 時，位錯環容易翻轉， 螺位錯與位錯環間斥力對螺位錯滑移影響減弱， 兩者靠近時螺位錯滑移通過位錯環， 螺位錯繼續滑移受位錯環所阻礙， 因此剪切應力有所升高; 高溫823 K 時， 斥力影響更弱， 位錯環更容易翻轉和滑移， 螺位錯也更容易發生交滑移， 該溫度下螺位錯交滑移行為占主導， 在整個滑移過程中始終未通過位錯環， 因此位錯環沒有產生阻礙作用， 剪切應力與純螺位錯模型差距不大.

4 結 論

在前人研究螺位錯滑移行為的基礎上， 本文進一步揭示了不同溫度下螺位錯的滑移行為， 詳細探討了位錯環缺陷與螺位錯的相互作用機制， 結論歸結如下:

2) 低溫2 K 時， 螺位錯易發生交滑移， 螺位錯在整個滑移運動過程中未通過位錯環， 切應力低于純螺位錯模型.

3) 中溫300 K 和600 K 時， 螺位錯滑移通過位錯環， 并與之相互作用形成螺旋結構， 阻礙螺位錯繼續滑移， 切應力高于純螺位錯模型.

4) 高溫823 K 時， 螺位錯更易發生交滑移， 位錯環也更容易翻轉和滑移， 螺位錯在整個滑移運動過程中始終未通過位錯環， 切應力與純螺位錯模型差距不大.

該研究對服役過程中核結構材料的塑性變形行為有一定理論指導意義， 但是由于結構材料基體內不僅存在 〈 111〉 位 錯環， 還有 〈 100〉 位錯環， 而且不同類型位錯環擁有不同柏氏矢量， 因此本文只是研究了位錯環一隅， 為了完整全面地闡明位錯環與螺位錯相互作用機制， 還需進一步研究.