位错环上的Cr偏析对辐照硬化影响的原子尺度模拟研究

贾丽霞，贺新福，吴 石，曹 晗，王东杰，豆艳坤，杨 文

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢由于具有良好的热机械性能、抗辐照肿胀，被认为是未来聚变堆首选结构材料。当前限制RAFM钢服役的问题有：低温辐照脆化和高温强度不足。通过引入弥散的纳米氧化物颗粒，即形成ODS-RAFM钢，可有效提高其运行高温。但ODS钢和传统RAFM钢都面临着低温辐照脆化的问题，即当服役温度<350～400 ℃时，因辐照硬化引起的脆化会限制材料的服役低温窗口[1]。辐照产生的缺陷(位错环、孔洞、析出物等)阻碍位错运动而引起硬化、脆化。为预测RAFM钢在长期服役下辐照脆化情况，需要了解其硬化机理。本文主要研究位错环辐照硬化机理。

辐照后，RAFM钢中会形成两种不同伯格斯矢量(1/2〈111〉和〈100〉)的间隙位错环，Cr的添加使得1/2〈111〉环的份额增加。在辐照下由于点缺陷的产生及扩散，会引起合金中元素重新排布。RAFM钢在辐照下同样会析出富Cr的α′相、Cr-Mn-Ni-Si相等。位错、晶界等作为点缺陷的有效势阱，合金元素同样会伴随点缺陷扩散至势阱处，从而出现富集或贫化，如Cr在晶界上偏析或贫化取决于不同实验条件、合金成分等。实验观察到，低温辐照下，在FeCr合金中的位错环上会有Cr元素富集[2-3]。利用计算机模拟方法研究Cr元素在位错环上的偏析行为，发现Cr会在位错环上偏析[4]。Cr元素在位错环上的偏析有可能会影响位错环与位错线的相互作用，从而影响材料宏观性能，如硬化脆化效应。

为了解合金元素在位错环偏析对位错运动的影响，需从原子尺度上对其相互作用过程进行追踪。分子动力学(MD)方法是从原子尺度上，利用计算模拟技术研究位错线与位错环相互作用的有力手段。Terentyev等[5-7]发现少量C在位错环上的偏析通过改变位错环与位错线相互作用机制，而增加位错运动的临界剪切应力；同时，对于TEM不可表征的小尺寸位错环，C元素的偏析使其对位错线运动阻碍作用变得不可忽视；Cr在位错环上偏析后会影响位错环与位错线相互作用。除Cr、C在位错环上偏析外，还会存在其他合金元素在位错环、位错线、孔洞偏析现象，为更精确预测材料服役行为，需了解这些合金元素的偏析是如何影响材料性能的。

本文利用MD方法模拟研究bcc-Fe基体内，刃型位错线与1/2〈111〉间隙位错环的相互作用，考虑温度、Cr偏析量的影响，分析不同伯格斯矢量位错环与位错线相互作用过程，并对比分析Cr在位错环上偏析对位错环硬化作用的影响。

1 计算方法

MD模拟首先根据麦克斯韦分布将弛豫原子的速度设置到相应的模拟温度，本文中模拟温度为300～900 K。升温一段时间后，以固定应变速率(1×108s-1)方式施加力：将上半部分固定的原子层沿x轴进行相对滑移，则相当于施加1个滑移力，也即施加了剪切应变；该变形相对应的剪切应力为τ=Fx/Axy，其中Fx为内部可移动的原子施加在下半部分固定原子上的力之和，Axy为模拟方向的x-y平面的面积。

图1 位错环伯格斯矢量与位错线滑移面取向关系示意图Fig.1 Schematic diagram of relative direction relationship between Burgers vector of dislocation loop and edge dislocation line slip plane

本文研究了1/2〈111〉的4种不同伯格斯矢量的位错环与刃型位错线相互作用，考虑了不同Cr偏析量的影响：通过从位错环上选取不同比例的原子将其设置为Cr，可构建具有不同Cr偏析量的位错环。文献[4]表明，在300～900 K范围内，Cr在位错环上偏析量为16%～52%，本文研究Cr偏析量为20%～60%。模拟后，通过原子错配度分析，并结合结构近邻原子分析及选择出高能量的原子等方法对位错线和位错环进行可视化分析。

2 结果和讨论

2.1 位错线与位错环相互作用过程

图2 MD模拟过程中位错环与刃型位错线相互作用的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve for interaction between edge dislocation line and dislocation loop during MD simulation

4种位错环与刃型位错线相互作用过程的应力-应变曲线形状近似，刃型位错线挣脱不同伯格斯矢量取向的位错环时的CRSS不同。CRSS反映了位错环对刃型位错线运动阻碍作用的强弱。CRSS越大，阻碍作用越强，刃型位错线越难挣脱。

2.2 Cr偏析对1/2[111]位错环硬化作用的影响

1/2[111]位错环的伯格斯矢量与刃型位错线的滑移面平行，与刃型位错线的伯格斯矢量方向相同。已有研究表明，1/2[111]位错环的迁移能很小，约为0.05 eV[10]，因此当刃型位错线靠近1/2[111]位错环时，会推着位错环随其一起沿滑移方向运动。刃型位错线挣脱该位错环的CRSS约为50 MPa，略高于刃型位错线在完美晶体内滑移所需摩擦应力。因此该位错环对刃型位错线运动阻碍作用很弱。

当位错环上有35%Cr偏析时，可视化结果表明，当刃型位错线经过Cr偏析的1/2[111]位错环时，刃型位错线会吸收位错环下半部分形成割阶随其滑移，而位错环上半部分被拖着一起滑移，留下偏析的Cr原子环在原地，如图3所示(位错环尺寸为3.5 nm，Cr偏析量为35%，温度为300 K)。通过对比分析可知，Cr在该类型位错环上偏析会改变位错环与刃型位错线相互作用过程，改变位错环运动方式。

图3 刃型位错线挣脱Cr偏析的1/2[111]位错环后的示意图Fig.3 Schematic diagram of edge dislocation line after breaking away from 1/2[111] dislocation loop with Cr segregation

通过分析刃型位错线挣脱位错环的CRSS，可直观对比Cr偏析对位错环硬化的影响。图4示出了不同温度下，刃型位错线挣脱不同Cr偏析量的1/2[111]位错环时的CRSS。

图4 不同Cr偏析量的1/2[111]位错环与刃型位错线相互作用的CRSS与温度的关系Fig.4 CRSS for edge dislocation line breaking away from 1/2[111] dislocation loop with different Cr segregations at different temperatures

从图4可知，1/2[111]位错环上有Cr偏析时，刃型位错线挣脱所需CRSS会增加。同时，CRSS增加量与Cr偏析量并无明显依赖关系。在600 K时，当Cr偏析量为35%时，CRSS最大，为122 MPa，较纯位错环的50 MPa增加2倍之多。这是由于Cr偏析会影响1/2[111]位错环的可移动性[11]。在本文所研究的条件下，600 K时，Cr偏析使得1/2[111]位错环对刃型位错线运动阻碍作用变强。

2.3 Cr偏析对位错环硬化作用的影响

图5 刃型位错线挣脱纯位错环(a)和Cr偏析量为50%的位错环(b)后的示意图Fig.5 Schematic diagram of edge dislocation line after breaking away from dislocation loop with no Cr segregation (a) and 50%Cr segregation (b)

图6 MD模拟位错环与刃型位错线相互作用时应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curve for interaction between edge dislocation line and dislocation loop during MD simulation

图7 不同Cr偏析量的位错环与刃型位错线相互作用的CRSS与温度的关系Fig.7 CRSS for edge dislocation line breaking away from dislocation loop with different Cr segregations at different temperatures

2.4 Cr偏析对位错环和位错环硬化作用的影响

图8 刃型位错线在低温(a)和高温(b)下挣脱位错环前、后示意图Fig.8 Schematic diagram of edge dislocation line before and after breaking away from dislocation loop at lower temperature (a) and high temperature (b)

图9 MD模拟的刃型位错线挣脱位错环时临界示意图Fig.9 Critical line shape for edge dislocation line just breaking away from loop

图10 MD模拟的刃型位错线挣脱位错环时临界示意图Fig.10 Critical line shape for edge dislocation line just breaking away from loop

图11 不同Cr偏析量的位错环与刃型位错线相互作用的CRSS与温度的关系Fig.11 CRSS for edge dislocation line breaking away from dislocation loop with different Cr segregations at different temperatures

图12 不同Cr偏析量的位错环与刃型位错线相互作用的CRSS与温度的关系Fig.12 CRSS for edge dislocation line breaking away from dislocation loop with different Cr segregations at different temperatures

3 结论

本研究表明Cr在位错环上的偏析会引起硬化增强。在预测材料长期服役后低温辐照硬化、脆化性能时，需注意合金元素在微观结构偏析引起的改变。