位錯(cuò)環(huán)上的Cr偏析對(duì)輻照硬化影響的原子尺度模擬研究

賈麗霞，賀新福，吳 石，曹 晗，王東杰，豆艷坤，楊 文

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

低活化鐵素體/馬氏體(RAFM)鋼由于具有良好的熱機(jī)械性能、抗輻照腫脹，被認(rèn)為是未來(lái)聚變堆首選結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)前限制RAFM鋼服役的問(wèn)題有：低溫輻照脆化和高溫強(qiáng)度不足。通過(guò)引入彌散的納米氧化物顆粒，即形成ODS-RAFM鋼，可有效提高其運(yùn)行高溫。但ODS鋼和傳統(tǒng)RAFM鋼都面臨著低溫輻照脆化的問(wèn)題，即當(dāng)服役溫度<350～400 ℃時(shí)，因輻照硬化引起的脆化會(huì)限制材料的服役低溫窗口[1]。輻照產(chǎn)生的缺陷(位錯(cuò)環(huán)、孔洞、析出物等)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而引起硬化、脆化。為預(yù)測(cè)RAFM鋼在長(zhǎng)期服役下輻照脆化情況，需要了解其硬化機(jī)理。本文主要研究位錯(cuò)環(huán)輻照硬化機(jī)理。

輻照后，RAFM鋼中會(huì)形成兩種不同伯格斯矢量(1/2〈111〉和〈100〉)的間隙位錯(cuò)環(huán)，Cr的添加使得1/2〈111〉環(huán)的份額增加。在輻照下由于點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生及擴(kuò)散，會(huì)引起合金中元素重新排布。RAFM鋼在輻照下同樣會(huì)析出富Cr的α′相、Cr-Mn-Ni-Si相等。位錯(cuò)、晶界等作為點(diǎn)缺陷的有效勢(shì)阱，合金元素同樣會(huì)伴隨點(diǎn)缺陷擴(kuò)散至勢(shì)阱處，從而出現(xiàn)富集或貧化，如Cr在晶界上偏析或貧化取決于不同實(shí)驗(yàn)條件、合金成分等。實(shí)驗(yàn)觀察到，低溫輻照下，在FeCr合金中的位錯(cuò)環(huán)上會(huì)有Cr元素富集[2-3]。利用計(jì)算機(jī)模擬方法研究Cr元素在位錯(cuò)環(huán)上的偏析行為，發(fā)現(xiàn)Cr會(huì)在位錯(cuò)環(huán)上偏析[4]。Cr元素在位錯(cuò)環(huán)上的偏析有可能會(huì)影響位錯(cuò)環(huán)與位錯(cuò)線的相互作用，從而影響材料宏觀性能，如硬化脆化效應(yīng)。

為了解合金元素在位錯(cuò)環(huán)偏析對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響，需從原子尺度上對(duì)其相互作用過(guò)程進(jìn)行追蹤。分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法是從原子尺度上，利用計(jì)算模擬技術(shù)研究位錯(cuò)線與位錯(cuò)環(huán)相互作用的有力手段。Terentyev等[5-7]發(fā)現(xiàn)少量C在位錯(cuò)環(huán)上的偏析通過(guò)改變位錯(cuò)環(huán)與位錯(cuò)線相互作用機(jī)制，而增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的臨界剪切應(yīng)力；同時(shí)，對(duì)于TEM不可表征的小尺寸位錯(cuò)環(huán)，C元素的偏析使其對(duì)位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)阻礙作用變得不可忽視；Cr在位錯(cuò)環(huán)上偏析后會(huì)影響位錯(cuò)環(huán)與位錯(cuò)線相互作用。除Cr、C在位錯(cuò)環(huán)上偏析外，還會(huì)存在其他合金元素在位錯(cuò)環(huán)、位錯(cuò)線、孔洞偏析現(xiàn)象，為更精確預(yù)測(cè)材料服役行為，需了解這些合金元素的偏析是如何影響材料性能的。

本文利用MD方法模擬研究bcc-Fe基體內(nèi)，刃型位錯(cuò)線與1/2〈111〉間隙位錯(cuò)環(huán)的相互作用，考慮溫度、Cr偏析量的影響，分析不同伯格斯矢量位錯(cuò)環(huán)與位錯(cuò)線相互作用過(guò)程，并對(duì)比分析Cr在位錯(cuò)環(huán)上偏析對(duì)位錯(cuò)環(huán)硬化作用的影響。

1 計(jì)算方法

MD模擬首先根據(jù)麥克斯韋分布將弛豫原子的速度設(shè)置到相應(yīng)的模擬溫度，本文中模擬溫度為300～900 K。升溫一段時(shí)間后，以固定應(yīng)變速率(1×108s-1)方式施加力：將上半部分固定的原子層沿x軸進(jìn)行相對(duì)滑移，則相當(dāng)于施加1個(gè)滑移力，也即施加了剪切應(yīng)變；該變形相對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力為τ=Fx/Axy，其中Fx為內(nèi)部可移動(dòng)的原子施加在下半部分固定原子上的力之和，Axy為模擬方向的x-y平面的面積。

圖1 位錯(cuò)環(huán)伯格斯矢量與位錯(cuò)線滑移面取向關(guān)系示意圖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種不同伯格斯矢量的位錯(cuò)環(huán)與刃型位錯(cuò)線相互作用，考慮了不同Cr偏析量的影響：通過(guò)從位錯(cuò)環(huán)上選取不同比例的原子將其設(shè)置為Cr，可構(gòu)建具有不同Cr偏析量的位錯(cuò)環(huán)。文獻(xiàn)[4]表明，在300～900 K范圍內(nèi)，Cr在位錯(cuò)環(huán)上偏析量為16%～52%，本文研究Cr偏析量為20%～60%。模擬后，通過(guò)原子錯(cuò)配度分析，并結(jié)合結(jié)構(gòu)近鄰原子分析及選擇出高能量的原子等方法對(duì)位錯(cuò)線和位錯(cuò)環(huán)進(jìn)行可視化分析。

2 結(jié)果和討論

2.1 位錯(cuò)線與位錯(cuò)環(huán)相互作用過(guò)程

圖2 MD模擬過(guò)程中位錯(cuò)環(huán)與刃型位錯(cuò)線相互作用的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve for interaction between edge dislocation line and dislocation loop during MD simulation

4種位錯(cuò)環(huán)與刃型位錯(cuò)線相互作用過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀近似，刃型位錯(cuò)線掙脫不同伯格斯矢量取向的位錯(cuò)環(huán)時(shí)的CRSS不同。CRSS反映了位錯(cuò)環(huán)對(duì)刃型位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)阻礙作用的強(qiáng)弱。CRSS越大，阻礙作用越強(qiáng)，刃型位錯(cuò)線越難掙脫。

2.2 Cr偏析對(duì)1/2[111]位錯(cuò)環(huán)硬化作用的影響

1/2[111]位錯(cuò)環(huán)的伯格斯矢量與刃型位錯(cuò)線的滑移面平行，與刃型位錯(cuò)線的伯格斯矢量方向相同。已有研究表明，1/2[111]位錯(cuò)環(huán)的遷移能很小，約為0.05 eV[10]，因此當(dāng)刃型位錯(cuò)線靠近1/2[111]位錯(cuò)環(huán)時(shí)，會(huì)推著位錯(cuò)環(huán)隨其一起沿滑移方向運(yùn)動(dòng)。刃型位錯(cuò)線掙脫該位錯(cuò)環(huán)的CRSS約為50 MPa，略高于刃型位錯(cuò)線在完美晶體內(nèi)滑移所需摩擦應(yīng)力。因此該位錯(cuò)環(huán)對(duì)刃型位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)阻礙作用很弱。

當(dāng)位錯(cuò)環(huán)上有35%Cr偏析時(shí)，可視化結(jié)果表明，當(dāng)刃型位錯(cuò)線經(jīng)過(guò)Cr偏析的1/2[111]位錯(cuò)環(huán)時(shí)，刃型位錯(cuò)線會(huì)吸收位錯(cuò)環(huán)下半部分形成割階隨其滑移，而位錯(cuò)環(huán)上半部分被拖著一起滑移，留下偏析的Cr原子環(huán)在原地，如圖3所示(位錯(cuò)環(huán)尺寸為3.5 nm，Cr偏析量為35%，溫度為300 K)。通過(guò)對(duì)比分析可知，Cr在該類型位錯(cuò)環(huán)上偏析會(huì)改變位錯(cuò)環(huán)與刃型位錯(cuò)線相互作用過(guò)程，改變位錯(cuò)環(huán)運(yùn)動(dòng)方式。

圖3 刃型位錯(cuò)線掙脫Cr偏析的1/2[111]位錯(cuò)環(huán)后的示意圖Fig.3 Schematic diagram of edge dislocation line after breaking away from 1/2[111] dislocation loop with Cr segregation

通過(guò)分析刃型位錯(cuò)線掙脫位錯(cuò)環(huán)的CRSS，可直觀對(duì)比Cr偏析對(duì)位錯(cuò)環(huán)硬化的影響。圖4示出了不同溫度下，刃型位錯(cuò)線掙脫不同Cr偏析量的1/2[111]位錯(cuò)環(huán)時(shí)的CRSS。

圖4 不同Cr偏析量的1/2[111]位錯(cuò)環(huán)與刃型位錯(cuò)線相互作用的CRSS與溫度的關(guān)系Fig.4 CRSS for edge dislocation line breaking away from 1/2[111] dislocation loop with different Cr segregations at different temperatures

從圖4可知，1/2[111]位錯(cuò)環(huán)上有Cr偏析時(shí)，刃型位錯(cuò)線掙脫所需CRSS會(huì)增加。同時(shí)，CRSS增加量與Cr偏析量并無(wú)明顯依賴關(guān)系。在600 K時(shí)，當(dāng)Cr偏析量為35%時(shí)，CRSS最大，為122 MPa，較純位錯(cuò)環(huán)的50 MPa增加2倍之多。這是由于Cr偏析會(huì)影響1/2[111]位錯(cuò)環(huán)的可移動(dòng)性[11]。在本文所研究的條件下，600 K時(shí)，Cr偏析使得1/2[111]位錯(cuò)環(huán)對(duì)刃型位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)阻礙作用變強(qiáng)。

2.3 Cr偏析對(duì)位錯(cuò)環(huán)硬化作用的影響

圖5 刃型位錯(cuò)線掙脫純位錯(cuò)環(huán)(a)和Cr偏析量為50%的位錯(cuò)環(huán)(b)后的示意圖Fig.5 Schematic diagram of edge dislocation line after breaking away from dislocation loop with no Cr segregation (a) and 50%Cr segregation (b)

圖6 MD模擬位錯(cuò)環(huán)與刃型位錯(cuò)線相互作用時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve for interaction between edge dislocation line and dislocation loop during MD simulation

圖7 不同Cr偏析量的位錯(cuò)環(huán)與刃型位錯(cuò)線相互作用的CRSS與溫度的關(guān)系Fig.7 CRSS for edge dislocation line breaking away from dislocation loop with different Cr segregations at different temperatures

2.4 Cr偏析對(duì)位錯(cuò)環(huán)和位錯(cuò)環(huán)硬化作用的影響

圖8 刃型位錯(cuò)線在低溫(a)和高溫(b)下掙脫位錯(cuò)環(huán)前、后示意圖Fig.8 Schematic diagram of edge dislocation line before and after breaking away from dislocation loop at lower temperature (a) and high temperature (b)

圖9 MD模擬的刃型位錯(cuò)線掙脫位錯(cuò)環(huán)時(shí)臨界示意圖Fig.9 Critical line shape for edge dislocation line just breaking away from loop

圖10 MD模擬的刃型位錯(cuò)線掙脫位錯(cuò)環(huán)時(shí)臨界示意圖Fig.10 Critical line shape for edge dislocation line just breaking away from loop

圖11 不同Cr偏析量的位錯(cuò)環(huán)與刃型位錯(cuò)線相互作用的CRSS與溫度的關(guān)系Fig.11 CRSS for edge dislocation line breaking away from dislocation loop with different Cr segregations at different temperatures

圖12 不同Cr偏析量的位錯(cuò)環(huán)與刃型位錯(cuò)線相互作用的CRSS與溫度的關(guān)系Fig.12 CRSS for edge dislocation line breaking away from dislocation loop with different Cr segregations at different temperatures

3 結(jié)論

本研究表明Cr在位錯(cuò)環(huán)上的偏析會(huì)引起硬化增強(qiáng)。在預(yù)測(cè)材料長(zhǎng)期服役后低溫輻照硬化、脆化性能時(shí)，需注意合金元素在微觀結(jié)構(gòu)偏析引起的改變。