BCC-Fe中螺位错与[010]间隙位错环相互作用分子动力学模拟

王 瑾，贺新福，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所，北京 102413)

1 模型与方法

图1 单纯螺位错滑移模型(a)和螺位错与[010]位错环交互作用滑移模型(b)Fig.1 Slip model of single screw dislocation (a) and slip model of interaction between screw dislocation and [010] dislocation loop (b)

后续的可视化分析采用开源可视化工具OVITO[26]，不同位错类型的识别采用位错提取算法DXA，其中1/2〈111〉和〈100〉位错分别用绿色和红色线条表示。

2 模拟结果及分析

2.1 剪切应力应变行为

2.2 1.5 nm位错环与螺位错相互作用

a——2 K和823 K；b——300 K和600 K图2 不同温度下所有模型剪切应力-应变曲线Fig.2 Shear stress-strain curve of all models at different temperatures

a——ε=0.054；b——ε=0.056；c——ε=0.058；d——ε=0.075图3 螺位错与1.5 nm位错环交互作用滑移模型在2 K不同应变量下的构型图Fig.3 Configuration of slip model of interaction between screw dislocation and 1.5 nm dislocation loop under different strains at 2 K

a——ε=0.015；b——ε=0.023；c——ε=0.030；d——ε=0.048图4 螺位错与1.5 nm位错环交互作用滑移模型在300 K不同应变量下构型图Fig.4 Configuration of slip model of interaction between screw dislocation and 1.5 nm dislocation loop under different strains at 300 K

a——ε=0.003；b——ε=0.024；c——ε=0.030；d——ε=0.054图5 螺位错与1.5 nm位错环交互作用滑移模型在600 K不同应变量下构型图Fig.5 Configuration of slip model of interaction between screw dislocation and 1.5 nm dislocation loop under different strains at 600 K

a——ε=0；b——ε=0.030；c——ε=0.038；d——ε=0.048图6 螺位错与1.5 nm位错环交互作用滑移模型在823 K不同应变量下构型图Fig.6 Configuration of slip model of interaction between screw dislocation and 1.5 nm dislocation loop under different strains at 823 K

2.3 4 nm位错环与螺位错相互作用

a——2 K，ε=0.068；b——300 K，ε=0.048；c——600 K，ε=0.068；d——823 K，ε=0.054图7 螺位错与4 nm位错环交互作用滑移模型在不同温度下构型图Fig.7 Configuration of slip model of interaction between screw dislocation and 4 nm dislocation loop at different temperatures

综上所述，随位错环尺寸增加，[010]位错环在自身稳定性及其对螺位错滑移阻碍作用存在两方面不同：一方面，[010]位错环稳定性会随位错环尺寸增加而增加，小尺寸1.5 nm位错环仅在2 K下稳定存在，而大尺寸4 nm位错环在2 K和300 K下均能稳定存在；另一方面，位错环尺寸增加，其对螺位错的阻碍作用会加强，在300～823 K下，1.5 nm位错环对螺位错滑移阻碍作用不明显，剪切应力增量最高仅为0.03 GPa左右，而4 nm位错环模型的剪切应力增量可增加至0.10 GPa。

3 结论

利用分子动力学方法对BCC-Fe中螺位错与[010]间隙位错环相互作用机制进行了模拟，揭示了不同温度下[010]位错环稳定性及位错环尺寸对螺位错滑移行为的影响，得到如下结论：

3) 温度高达823 K时，位错环更不稳定，自发转变为1/2〈111〉位错环，螺位错与位错环始终无接触，剪切应力无变化；

4) 当位错环尺寸由1.5 nm增大到4 nm时，[010]位错环稳定性会增加，位错环对螺位错滑移阻碍作用也会增强。