輻照條件下,高能粒子在金屬材料內部引入稠密的輻照缺陷,導致材料力學性能嚴重退化,縮短材料服役壽命,是輻照材料研究的關鍵問題.輻照缺陷多處在納米尺度,故分子動力學方法是模擬輻照缺陷的有力工具,近年來被廣泛用于研究輻照缺陷演化.論文總結了金屬材料中輻照缺陷演化的分子動力學研究進展,介紹了級聯碰撞、點缺陷、空洞、氦泡、Frank位錯環(huán)、層錯四面體等輻照缺陷,及其與位錯、晶界等微結構的相互作用.分子動力學方法揭示的機制與模型,深化了學界對輻照效應的認識,有助于提高輻照材料力學性能和設計耐輻照材料. 

【文章來源】：固體力學學報. 2020,41(06)北大核心CSCD

【文章頁數】：15 頁

【部分圖文】：

輻照金屬材料的微觀缺陷及力學性能[7-11]

空洞是輻照材料中常見的納米缺陷之一,其可由空位匯聚而成,這種匯聚在高溫下較為顯著[81].在變形過程中,銅和鎳中空洞通過發(fā)射位錯生長[82,83].而在六方材料鎂中,空洞通過發(fā)射孿晶或者位錯生長、匯聚,呈現出很強的各向異性[84].在鉬中,螺型位錯直接切過空洞,但是空洞仍然對位錯具有阻礙效果,阻礙效果在空洞尺寸3納米之下較為微弱,但在3納米之上增長顯著[85].對鎳中刃型位錯,空洞的阻礙效果同樣隨尺寸增加而增強[86],且對溫度不太敏感[86].而在面心立方鐵中,空洞的阻礙效果隨溫升而降低[87,88].相對于氦泡,空洞對位錯的阻礙效果更強,盡管氦泡的阻礙效果隨氦原子數的增加而增強[87,88].空洞對晶界的遷移同樣具有阻礙作用,如下圖4所示,在低溫下阻礙作用較為顯著,高溫下由于晶界能吸收空洞,故阻礙效果相對較弱,高低溫下阻礙效果均隨空洞尺寸的增長而減弱[89].氦泡與空洞不同,氦泡中通常存在較高的內壓[90],<111>位錯環(huán)易于從氦泡發(fā)射[91],而發(fā)射的位錯環(huán)進一步促進氦泡形成,故氦泡多是沿<111>方向形成隊列[72,92].當氦泡處在表面附近時,導致鎢表面鼓泡,甚至發(fā)生爆裂,導致材料表面剝落[93,94].氦泡對位錯也具有阻礙效果,但是氦泡和空位復合型缺陷具有更強的阻礙作用[95].由于氦泡發(fā)射的位錯總是被晶界阻礙,導致晶界具有抑制氦泡生長的效果[96],故晶界附近多分布小尺寸氦泡[76].5 Frank位錯環(huán)、層錯四面體與無缺陷通道

在材料變形過程中,晶格位錯與位錯環(huán)和四面體發(fā)生多樣化反應,位錯完全吸收、部分吸收、剪切位錯環(huán)和四面體[100,101],形成圖6所示的無缺陷通道(defect-free channel,也稱為位錯通道,簡稱通道).早在1958年,Cottrell首先預測在輻照材料中會形成通道.后來學界在幾乎所有金屬(銅(面心立方)、鉬(體心立方)、鋯(密排六方)、鐵、鈮、釩、鋁、金以及各種合金)中驗證了通道的存在.首先對通道進行全面研究的是Sharp[102],他發(fā)現:①不同通道的寬度可能不同,但是同一條通道的寬度是不變的,在50～200納米之間;② 通道中沒有位錯環(huán)和四面體,但是有位錯存在;③ 幾乎所有的塑性變形都集中發(fā)生在通道內部.然而Sharp沒有對通道的起源給出解釋,Edwards等[7]指出晶界發(fā)射的位錯很快清除位錯環(huán)和四面體形成通道.在較大輻照劑量(5.5 dpa)的情況下,通道會穿過晶界進入相鄰晶粒[103].另外,通道的取向與滑移面取向密切相關,銅中通道平行于 { 111 } 滑移面,釩中是 { 110 } 與 { 112 } ,鋅中是 {10 1 ˉ 0} 、 {10 1 ˉ 1} 與 { 0001 } [104] .滑移面與加載軸的夾角會影響通道寬度,當滑移面與加載軸成45°時,產生的通道較寬,并與滑移面分切應力成正比[105].通道形狀與材料的層錯能相關,在低層錯能材料(304不銹鋼+硅)中,通道是直線的;在高層錯能材料(304不銹鋼+鉻+鎳)中通道是曲折分布的[103];在層錯能更高的金屬釩中,發(fā)現了河流狀的通道,且可匯聚、發(fā)散[106].盡管通道的體積分數極小,但是試樣內部有三分之一的位錯分布在通道內部,幾乎所有的塑性變形局部化在通道中,導致通道的應變很高.由于晶界會阻礙通道擴展,在通道與晶界交匯處積累巨大損傷,從而引發(fā)裂紋,這是輻照材料脆化的一個重要原因[7].圖6 實驗觀測的無缺陷通道[107]

【參考文獻】：
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