Acta Mater.：关于对镁辐照诱导产生C型位错环的起源和行为研究

【引言】
当晶体遭受高能离子辐照时，会在晶体内产生各种缺陷，进而影响材料耐辐照诱发硬化，蠕变，各向异性生长和空隙膨胀等。C型位错环就是其中一种独特的密排六方型（HCP）辐照诱发缺陷。在高能粒子辐照下，其产生于空位和自间隙原子（SIAs）并聚集成紧密堆积的（0001）c面，并通过点缺陷的迁移扩散来实现增长。堆垛层错就是这样一种类似面心立方（FCC）特点的，都具有辐射诱导1/3<111>弗兰克部分环的C型位错环结构。然而，已有关于面心立方（FCC）的位错转换机制等不适用于位于基面上的c组分位错环。本文，通过对镁辐照诱导C型位错环进行原位观察表征，并借助计算机模拟来更好地理解辐照诱导C型位错环的起源和行为。

【成果简介】
近日，来自美国北卡罗来纳州大学，南京理工大学材料学院的朱运田教授（通讯作者）在Acta Materialia上在线发表了一篇名为 “ On the origin and behavior of irradiation-induced C-component dislocation loops in magnesium ” 的文章。文中，研究人员通过对纯镁（99.9%）进行一定的电子辐照，原位观察到了原子级的C型位错环的形成，还观察到三层和四层C型位错环；揭示了四种可能存在的双层类型位错环，并被确认为是不同类型的堆垛层错和位错核心结构；此外，通过分子动力学模拟了这四种双层类型的位错环的形成机制，实验也证实了单层和双层位错环的形成速率是受其形成能量的控制。本文通过直接实验观察与分子动力学模拟相结合，为控制C型位错环的成核和生长以及它们的相互作用的机理提供了基本的认识，为未来耐辐射材料的发展具有一定研究意义。

【图文导读】
图1. 电子辐射下双层位错环形成的原位观察

（a）单层间隙C型位错环沿（0001）基面（0.03dpa）生长。

（b）第二个间隙C型位错环层在第一个位错环层顶部上成核（不同于箭头指出的应变）。

（c）成核后第二个C型位错环生长较大（0.13 dpa）。

（d）低放大倍数下显示的样品中位错环状结构的低能暗场TEM图像，其中双层环由虚线突出显示，两个环之间发生头对头交互如箭头所示。

图2. 系列辐照下Mg中位错环交互作用下的高分辨TEM图像

（a）辐照为0s时，在图像的顶部和中间区域分布着两个双层位错环，其中箭头所指为环边缘。

（b）辐照为150s时，中间位错环的边缘延伸到图像的右侧，直到其与底层的单层环排列在一起。

（c）辐照为240s时，两个位错环呈头对头位置对齐分布如虚线圆圈所示。

（d）辐照为360s时，中间位错环环进一步延伸增长。

图3. 可能存在的双层位错环的环路配置示意图

该图分别显示的是可能存在的a), E-N, b), I1-I2, c),I1-Na and d), I1-Nb 四种类型的双层位错环形态的环路组态示意图。其中绿色，蓝色和深蓝色的环路区域分别表示E，I1和I2类型的堆垛层错。不含堆垛层错的区域标记为N区域，其各自相应伯格矢量分别显示在各示意图下方。

图4. C型位错形成和系列原子结构双层环示意图

该图分别为C型位错形成和E-N, I1-I2, I1-Na 和 I1-Nb型系列原子结构双层环示意图。图中显示出了相应双层环的间隙层和堆叠层错进行对比。与I1-Na型位错环相比，从I1-Nb回路的伯格矢量的识别出额外的α型位错环。

图5. 环状结构转变的原位观察

该图为a), I1-I2 型向 b), I1-N型环状结构转变的原位观察图。其中第二层环状结构区域中的相应堆叠序列如图b中标出的序列所示。

图6. STEM观察

该图为来自STEM观察所得出的的各类型的双层环所占相对比重。从中可以看出，11-Na型双层环占比最大为 69 %， 其次依次为I1-I2 型双层环（15%）， E-N（14%）11-Nb型双层环最少（2%）。

图7. 单层和双层位错环的特定形成能 (E^f)

图a为由来自环中自间隙原子数的函数计算得到的单层和双层型位错环的特定形成能 (E^f)。图b为图a中用虚线标记的部分的放大区域。

图8. 双层环结构的第二层环的特定形成能(E₂^f)

该图为各类双层环的第二层环的特定形成能(E₂^f)与单层环的E和I1型的特定形成能(E₂^f)的对比图。

图9. 三层结构型的环的STEM图

该图为通过STEM观察到的三层结构型的环：a）I1-I2-I1型，b）I1-N-I1型三环结构。相应的环路组态由右下角插入图所示，箭头指向环的边缘。

图10. 双层N-I1环及单层I1环的特定形成能 (E₂^f)

该图为由沿[0001]方向的外部应变函数计算得到的N-I1和单层I1环的特定形成能 (E₂^f)。其中正（负）应变是指张力（压缩）。

表1. C型位错环组态的总结和预测

【小结】

本文通过对经辐照处理后的Mg进行相应的原位观察和表征，发现了C型位错环的存在。并得到了其详细的原子结构及相关的堆叠特征。此外也观察到了四种类型的双层环结构（E-N, I1-I2, I1-Na, I1-Nb）及其环与环之间转变过程。借助分子动力学模拟，得出四种类型双层环的形成能：11-Na < E-N < I1-I2 < I1-Nb,其结果与实际观察到的所占比重相对应，并认为双层环的形成可能与自间隙原子有关，因为其自发聚集成C型位错环可有效降低系统能量。另外，C型位错环为自间隙原子（SIA）复合提供了新的位点以此形成多层环状结构，并与基体中的新单层环的成核相竞争，从而促进具有不同结构的三层和四层C型位错环的形成。

文献链接：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）

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