Acta Mater.：關于對鎂輻照誘導產生C型位錯環的起源和行為研究

【引言】
? ? ? ?當晶體遭受高能離子輻照時，會在晶體內產生各種缺陷，進而影響材料耐輻照誘發硬化，蠕變，各向異性生長和空隙膨脹等。C型位錯環就是其中一種獨特的密排六方型（HCP）輻照誘發缺陷。在高能粒子輻照下，其產生于空位和自間隙原子（SIAs）并聚集成緊密堆積的（0001）c面，并通過點缺陷的遷移擴散來實現增長。堆垛層錯就是這樣一種類似面心立方（FCC）特點的，都具有輻射誘導1/3<111>弗蘭克部分環的C型位錯環結構。然而，已有關于面心立方（FCC）的位錯轉換機制等不適用于位于基面上的c組分位錯環。本文，通過對鎂輻照誘導C型位錯環進行原位觀察表征，并借助計算機模擬來更好地理解輻照誘導C型位錯環的起源和行為。

【成果簡介】
? ? ? ?近日，來自美國北卡羅來納州大學，南京理工大學材料學院的朱運田教授（通訊作者）在Acta Materialia上在線發表了一篇名為 “ On the origin and behavior of irradiation-induced C-component dislocation loops in magnesium ” 的文章。文中，研究人員通過對純鎂（99.9%）進行一定的電子輻照，原位觀察到了原子級的C型位錯環的形成，還觀察到三層和四層C型位錯環；揭示了四種可能存在的雙層類型位錯環，并被確認為是不同類型的堆垛層錯和位錯核心結構；此外，通過分子動力學模擬了這四種雙層類型的位錯環的形成機制，實驗也證實了單層和雙層位錯環的形成速率是受其形成能量的控制。本文通過直接實驗觀察與分子動力學模擬相結合，為控制C型位錯環的成核和生長以及它們的相互作用的機理提供了基本的認識，為未來耐輻射材料的發展具有一定研究意義。

【圖文導讀】
圖1. 電子輻射下雙層位錯環形成的原位觀察

?（a）單層間隙C型位錯環沿（0001）基面（0.03dpa）生長。

?（b）第二個間隙C型位錯環層在第一個位錯環層頂部上成核（不同于箭頭指出的應變）。

（c）成核后第二個C型位錯環生長較大（0.13 dpa）。

（d）低放大倍數下顯示的樣品中位錯環狀結構的低能暗場TEM圖像，其中雙層環由虛線突出顯示，兩個環之間發生頭對頭交互如箭頭所示。

圖2. 系列輻照下Mg中位錯環交互作用下的高分辨TEM圖像

（a）輻照為0s時，在圖像的頂部和中間區域分布著兩個雙層位錯環，其中箭頭所指為環邊緣。

（b）輻照為150s時，中間位錯環的邊緣延伸到圖像的右側，直到其與底層的單層環排列在一起。?

（c）輻照為240s時，兩個位錯環呈頭對頭位置對齊分布如虛線圓圈所示。

（d）輻照為360s時，中間位錯環環進一步延伸增長。

圖3. 可能存在的雙層位錯環的環路配置示意圖

? ? ? ?該圖分別顯示的是可能存在的a), E-N, b), I1-I2, c),I1-Na and d), I1-Nb 四種類型的雙層位錯環形態的環路組態示意圖。其中綠色，藍色和深藍色的環路區域分別表示E，I1和I2類型的堆垛層錯。不含堆垛層錯的區域標記為N區域，其各自相應伯格矢量分別顯示在各示意圖下方。

圖4. C型位錯形成和系列原子結構雙層環示意圖

? ? ? ?該圖分別為C型位錯形成和E-N, I1-I2, I1-Na 和 I1-Nb型系列原子結構雙層環示意圖。圖中顯示出了相應雙層環的間隙層和堆疊層錯進行對比。與I1-Na型位錯環相比，從I1-Nb回路的伯格矢量的識別出額外的α型位錯環。

圖5. 環狀結構轉變的原位觀察

? ? ? ?該圖為a), I1-I2 型向 b), I1-N型環狀結構轉變的原位觀察圖。其中第二層環狀結構區域中的相應堆疊序列如圖b中標出的序列所示。

圖6. STEM觀察

? ? ? ?該圖為來自STEM觀察所得出的的各類型的雙層環所占相對比重。從中可以看出，11-Na型雙層環占比最大為 69 %， 其次依次為I1-I2 型雙層環（15%）， E-N（14%）11-Nb型雙層環最少（2%）。

圖7. 單層和雙層位錯環的特定形成能 (E^f)

? ? ? ?圖a為由來自環中自間隙原子數的函數計算得到的單層和雙層型位錯環的特定形成能 (E^f)。圖b為圖a中用虛線標記的部分的放大區域。

圖8. 雙層環結構的第二層環的特定形成能(E₂^f)

? ? ? ?該圖為各類雙層環的第二層環的特定形成能(E₂^f)與單層環的E和I1型的特定形成能(E₂^f)的對比圖。

圖9. 三層結構型的環的STEM圖

? ? ? ?該圖為通過STEM觀察到的三層結構型的環：a）I1-I2-I1型，b）I1-N-I1型三環結構。相應的環路組態由右下角插入圖所示，箭頭指向環的邊緣。

圖10. 雙層N-I1環及單層I1環的特定形成能 (E₂^f)

? ? ? ? 該圖為由沿[0001]方向的外部應變函數計算得到的N-I1和單層I1環的特定形成能 (E₂^f)。其中正（負）應變是指張力（壓縮）。

表1. C型位錯環組態的總結和預測

【小結】

?本文通過對經輻照處理后的Mg進行相應的原位觀察和表征，發現了C型位錯環的存在。并得到了其詳細的原子結構及相關的堆疊特征。此外也觀察到了四種類型的雙層環結構（E-N, I1-I2, I1-Na, I1-Nb）及其環與環之間轉變過程。借助分子動力學模擬，得出四種類型雙層環的形成能：11-Na < E-N < I1-I2 < I1-Nb,其結果與實際觀察到的所占比重相對應，并認為雙層環的形成可能與自間隙原子有關，因為其自發聚集成C型位錯環可有效降低系統能量。另外，C型位錯環為自間隙原子（SIA）復合提供了新的位點以此形成多層環狀結構，并與基體中的新單層環的成核相競爭，從而促進具有不同結構的三層和四層C型位錯環的形成。

文獻鏈接： On the origin and behavior of irradiation-induced C-component dislocation loops in magnesium（Acta Mater.: 2017，DOI: 10.1016/j.actamat.2017.04.015）

本文由材料人編輯部金屬材料學術組彭黃濤供稿，材料牛編輯整理。歡迎加入材料人編輯部金屬材料學術交流群（458281221）！

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

投稿以及內容合作可加編輯微信：xiaofire-18，吳玫，我們會拉各位老師加入專家群。

材料測試，數據分析，上測試谷！

材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com。