萬(wàn)發(fā)榮

北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083

1 材料的輻照損傷

材料輻照損傷是核反應(yīng)堆材料、尤其是核聚變堆材料所面臨的重要問(wèn)題.在氘氚核聚變堆中，所產(chǎn)生的14 MeV的中子是聚變能量的載體，然而這一能量卻不能夠像熱能那樣立刻得到利用，需要讓中子與聚變堆結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行相互作用，從而將中子的動(dòng)能傳遞給聚變堆結(jié)構(gòu)材料.也就是說(shuō)，聚變堆結(jié)構(gòu)材料必然要承受高劑量的中子輻照.

材料的輻照損傷有許多表現(xiàn)形式，人們比較熟悉的有輻照脆性和輻照腫脹.輻照脆性是輻照劑量較低的核電站壓力容器鋼所面臨的重要問(wèn)題.而對(duì)于輻照劑量更高的快中子反應(yīng)堆和核聚變堆的材料來(lái)說(shuō)，除了輻照脆性外，更要面對(duì)輻照腫脹的問(wèn)題.

在核能開(kāi)發(fā)的初期，人們就開(kāi)始關(guān)注材料輻照損傷問(wèn)題，60余年來(lái)獲得了大量的信息和數(shù)據(jù).目前已有一些關(guān)于材料輻照損傷的書(shū)籍[1-4]，尤其是Was的著作具有較大影響，其新版著作[1]較之舊版增加了20%左右的內(nèi)容，比較全面地介紹了材料輻照損傷的知識(shí).郭立平等[3]的著作的特點(diǎn)則主要是從位錯(cuò)環(huán)的角度來(lái)介紹材料輻照損傷.然而，仍有許多新的研究結(jié)果未能包含在這些書(shū)籍之中.在輻照損傷理論、材料輻照實(shí)驗(yàn)、以及抗輻照腫脹材料開(kāi)發(fā)等方面，也還存在許多重大問(wèn)題有待解決.其中，自間隙原子團(tuán)簇的一維遷移現(xiàn)象近來(lái)比較受人關(guān)注，正在成為材料輻照損傷基礎(chǔ)研究領(lǐng)域中新的熱點(diǎn).

2 點(diǎn)缺陷與點(diǎn)缺陷團(tuán)簇

高能粒子的輻照在材料中會(huì)產(chǎn)生弗倫克爾點(diǎn)缺陷對(duì)（Frenkel pair），即間隙原子（Interstitial atom）和空位（Vacancy）.這些間隙原子與材料基體原子相同，又可稱為自間隙原子（Self interstitial atom,SIA），以區(qū)別由那些尺寸更小的雜質(zhì)原子形成的間隙原子.高能粒子輻照產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷是產(chǎn)生材料輻照損傷的根源.對(duì)于形成點(diǎn)缺陷的級(jí)聯(lián)碰撞過(guò)程，以分子動(dòng)力學(xué)為主的計(jì)算機(jī)模擬研究做出了很大貢獻(xiàn)[5].但是，除了點(diǎn)缺陷的形成過(guò)程之外，人們更需要知道，這些點(diǎn)缺陷形成之后是如何演化的.

2.1 偏壓對(duì)點(diǎn)缺陷演化的影響

在輻照過(guò)程中，自間隙原子與空位是成對(duì)產(chǎn)生的，二者的總數(shù)量相等.自間隙原子與空位相互結(jié)合后，晶體則會(huì)恢復(fù)到生成點(diǎn)缺陷之前的狀態(tài).假如自間隙原子與空位的性能基本相同，它們之間就會(huì)很容易復(fù)合以至湮滅，這些點(diǎn)缺陷就難以進(jìn)一步演化成缺陷團(tuán)簇，材料輻照損傷也就不會(huì)成為嚴(yán)重的問(wèn)題.從這個(gè)思路來(lái)說(shuō)，盡量提高弗倫克爾點(diǎn)缺陷對(duì)的復(fù)合比例，是提高材料抗輻照性能的關(guān)鍵.

不巧的是，自間隙原子與空位的特性有很大不同.例如，自間隙原子的形成能遠(yuǎn)大于空位的形成能，而自間隙原子的遷移能又遠(yuǎn)小于空位的遷移能.在輻照缺陷的形成與演化過(guò)程中，有不少因素使得這兩種點(diǎn)缺陷呈現(xiàn)很不相同的行為.這種差異一般稱為偏壓（Bias）.關(guān)于點(diǎn)缺陷的偏壓有兩種，產(chǎn)生偏壓（Production bias）和陷阱偏壓（Sink bias）.在輻照級(jí)聯(lián)過(guò)程所產(chǎn)生的自間隙原子與空位的分布區(qū)域中，有一個(gè)很明顯的特征.在這個(gè)區(qū)域中心附近的點(diǎn)缺陷主要是大量的空位，而自間隙原子則分布在空位區(qū)域的周圍.這樣形成的空位和自間隙原子的濃度差異，稱為產(chǎn)生偏壓.產(chǎn)生偏壓的存在，對(duì)于輻照腫脹時(shí)的空洞形核具有重要意義.材料中能夠大量吸收點(diǎn)缺陷的地方稱為“缺陷陷阱”（Sink，有的文獻(xiàn)稱為“缺陷位閭”）.一般來(lái)說(shuō)，缺陷陷阱吸收自間隙原子的數(shù)量要多于空位的數(shù)量，表征這一差異的量是陷阱偏壓.陷阱偏壓越大，意味著該陷阱吸收的自間隙原子越多，從而導(dǎo)致殘留的空位濃度遠(yuǎn)大于自間隙原子濃度.

2.2 點(diǎn)缺陷團(tuán)簇的類型

由于點(diǎn)缺陷周圍存在著的應(yīng)變場(chǎng)，如果點(diǎn)缺陷聚集在一起形成團(tuán)簇，與單個(gè)的點(diǎn)缺陷相比，將能降低應(yīng)變能.空位團(tuán)簇與自間隙原子團(tuán)簇的行為也有著很大差異.

空位團(tuán)簇的形式比較復(fù)雜，一般有空洞、層錯(cuò)四面體、位錯(cuò)環(huán)等幾種.除了輻照方法之外，通過(guò)淬火方法形成的肖特基缺陷就是點(diǎn)缺陷空位，這些肖特基缺陷也可以形成空位團(tuán)簇.

在較高溫度（0.3Tm～0.6Tm，Tm為熔點(diǎn)）下，空位點(diǎn)缺陷聚集在一起，可以形成尺寸更大的三維的空洞（Void）.伴隨空洞的出現(xiàn)，宏觀上就會(huì)出現(xiàn)材料密度降低，體積膨脹，即所謂輻照腫脹（Irradiation swelling）.有關(guān)材料輻照空洞及其引起的輻照腫脹的研究數(shù)量非常浩大，工作也十分深入.一般認(rèn)為，高濃度空位是空洞形核與長(zhǎng)大的主要的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，而影響這一空位濃度的主要是來(lái)自位錯(cuò)等陷阱對(duì)自間隙原子的吸收（偏壓）.在偏壓驅(qū)動(dòng)體系中，對(duì)于空位聚集及其輻照腫脹來(lái)說(shuō)，位錯(cuò)起著主要的作用.另外一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，有時(shí)輻照空洞的分布狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)三維超點(diǎn)陣形式[6].有關(guān)空洞超點(diǎn)陣的形成機(jī)制也是材料輻照損傷的熱點(diǎn)之一.空洞點(diǎn)陣的對(duì)稱性和晶體學(xué)方向與基體晶體點(diǎn)陣相一致，空洞點(diǎn)陣大多在級(jí)聯(lián)損傷條件（中子或離子輻照）下出現(xiàn)，在純弗倫克爾點(diǎn)缺陷對(duì)（電子輻照）的情況下很少出現(xiàn).這一現(xiàn)象說(shuō)明，它與級(jí)聯(lián)過(guò)程中出現(xiàn)的自間隙原子團(tuán)簇的一維遷移有很大關(guān)聯(lián).

由于中子輻照實(shí)驗(yàn)的困難，在輻照實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常通過(guò)加速器的離子輻照實(shí)驗(yàn)來(lái)分析材料輻照腫脹行為.傳統(tǒng)的離子輻照實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單方便，容易控制，且能夠?qū)崿F(xiàn)很高的劑量率，但需要對(duì)輻照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仔細(xì)規(guī)劃，對(duì)輻照結(jié)果進(jìn)行小心處理，才有可能與低劑量率的中子輻照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量對(duì)比[7].尤其是驗(yàn)證新材料的抗輻照腫脹性時(shí)，更應(yīng)該在完全相同的離子輻照條件下對(duì)已知具有大腫脹量的材料（例如316奧氏體不銹鋼等）進(jìn)行對(duì)比，才有數(shù)據(jù)的可靠性.

在常溫或低溫輻照時(shí)，層錯(cuò)四面體（Stacking fault tetrahedra）是面心立方晶體中常見(jiàn)的一種空位團(tuán)簇，而體心立方晶體則不會(huì)出現(xiàn)層錯(cuò)四面體.如果三個(gè)空位組成一個(gè)平面三角形，以此三角形作為四面體的底面，位于四面體頂點(diǎn)位置的原子則往下移動(dòng)一點(diǎn)位置，就形成了一個(gè)最原始的三空位四面體的晶體缺陷.淬火、塑性變形以及各種輻照都能夠產(chǎn)生層錯(cuò)四面體.層錯(cuò)四面體的四個(gè)面占據(jù)面心立方結(jié)構(gòu)中的四個(gè){111}面，因此一般情況下層錯(cuò)四面體一旦形成，便非常穩(wěn)定.受到層錯(cuò)能的限制，層錯(cuò)四面體的尺寸有一個(gè)上限，不能無(wú)限制長(zhǎng)大.一般情況下，層錯(cuò)四面體的邊長(zhǎng)不超過(guò)50 nm.通常組成層錯(cuò)四面體的都是空位型層錯(cuò)環(huán).雖然理論上并未排除由間隙型層錯(cuò)環(huán)組成層錯(cuò)四面體的可能性，但實(shí)驗(yàn)上還未觀察到這種層錯(cuò)四面體.雖然時(shí)有研究說(shuō)觀察到了間隙型層錯(cuò)四面體，但進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)仍然給予了否定.可以說(shuō)到現(xiàn)在為止，所觀察到的層錯(cuò)四面體都是空位型[8].關(guān)于層錯(cuò)四面體的形成機(jī)制至少有法蘭克（Frank）空位型位錯(cuò)的滑移、空位團(tuán)簇長(zhǎng)大以及空洞坍塌（Void collapse）3種說(shuō)法，一直存在爭(zhēng)議[9-10].

2.3 空位型位錯(cuò)環(huán)

空位型位錯(cuò)環(huán)常見(jiàn)形成于碰撞級(jí)聯(lián)過(guò)程的空位團(tuán)簇坍塌過(guò)程，但此時(shí)的空位型位錯(cuò)環(huán)的尺寸一般很小，只有幾個(gè)納米[11].當(dāng)數(shù)量更多的空位聚集時(shí)，更趨向于形成表面能較小的三維尺寸的空洞，而不是表面能較大的二維尺寸的空位型位錯(cuò)環(huán).然而作者的課題組研究發(fā)現(xiàn)，在氫離子輻照鐵的實(shí)驗(yàn)中，那些捕獲有氫原子的空位通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散，能夠沿著一定的二維平面，聚集成尺寸很大的空位型位錯(cuò)環(huán)[12].此時(shí)位錯(cuò)環(huán)的尺寸可達(dá)100 nm以上.通過(guò)透射電鏡的內(nèi)襯-外襯法（Inside-outside法），確認(rèn)了這些空位型位錯(cuò)環(huán)的性質(zhì)和柏氏矢量[12].該空位型位錯(cuò)環(huán)具有兩種柏氏矢量，b=＜100＞和b=1/2＜111＞，前者的數(shù)密度比后者高一個(gè)數(shù)量級(jí).在高壓電鏡的原位輻照觀察實(shí)驗(yàn)中，可以看到由于吸收電子束輻照產(chǎn)生的自間隙原子，這些空位型位錯(cuò)環(huán)會(huì)不斷縮小以至消失，如圖1所示[13].這與一般間隙型位錯(cuò)環(huán)在電子束輻照下不斷長(zhǎng)大的現(xiàn)象，形成了鮮明對(duì)比.要指出的是，這里的高壓電鏡輻照實(shí)驗(yàn)的作用是驗(yàn)證是否為空位型位錯(cuò)環(huán).除了氫原子外，捕獲了氘原子的空位也能形成這種空位型位錯(cuò)環(huán)[14-15].不過(guò)由氘原子與空位的復(fù)合體形成的空位型位錯(cuò)環(huán)，在電子束輻照下出現(xiàn)的縮小速度比氫的情況要小一個(gè)數(shù)量級(jí)[16-17].這一現(xiàn)象表明，氘與空位的復(fù)合體形成的位錯(cuò)環(huán)的陷阱偏壓要小于氫與空位的復(fù)合體形成的位錯(cuò)環(huán)的陷阱偏壓.根據(jù)這一氫同位素效應(yīng)，可以推測(cè)氚原子與空位的復(fù)合體形成的空位型位錯(cuò)環(huán)，將具有更小的偏壓.這對(duì)于研究在核聚變堆環(huán)境下服役的鐵素體鋼來(lái)說(shuō)，當(dāng)然是一個(gè)好消息.對(duì)于純鐵來(lái)說(shuō)，這種空位型位錯(cuò)環(huán)的形成溫度為500 ℃.然而，加入合金元素Ni會(huì)降低空位型位錯(cuò)環(huán)的形成溫度，而Cr則會(huì)提高空位型位錯(cuò)環(huán)的形成溫度.根據(jù)合金元素對(duì)于空位型位錯(cuò)環(huán)形成溫度的影響不同，可以提出一種新的對(duì)于鋼中合金元素影響進(jìn)行分類的方法[13,18].氫原子在形成這種空位型位錯(cuò)環(huán)時(shí)所起的作用，是一個(gè)令人感興趣的問(wèn)題.另外，除了上述氫離子注入鐵的情況，還不清楚在其它情況下是否也會(huì)形成這種尺寸為100 nm的空位型位錯(cuò)環(huán).

圖1 電子束輻照時(shí)的位錯(cuò)環(huán)變化Fig.1 Change of dislocation loops under electron irradiation

2.4 間隙型位錯(cuò)環(huán)

與空位相比，自間隙原子更容易擴(kuò)散遷移，也更容易聚集形成團(tuán)簇.與多種形式的空位團(tuán)簇不同，自間隙原子形成的團(tuán)簇形式比較單一，只有間隙型位錯(cuò)環(huán).只有通過(guò)輻照的方法才可以形成間隙型位錯(cuò)環(huán).對(duì)于致密度高的金屬材料來(lái)說(shuō)，除了輻照實(shí)驗(yàn)外，還沒(méi)有什么其它方法能夠在材料中大量形成點(diǎn)缺陷自間隙原子.也就是說(shuō)，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究自間隙原子的性質(zhì)，輻照實(shí)驗(yàn)是唯一的方法.如果利用一般的熱時(shí)效方法來(lái)模擬研究諸如核電站壓力容器鋼的輻照脆性問(wèn)題，則需要格外注意那些由于自間隙原子引起的特殊現(xiàn)象.

輻照產(chǎn)生的間隙型位錯(cuò)環(huán)是輻照損傷過(guò)程中的陷阱偏壓的主要來(lái)源.不同柏氏矢量的間隙型位錯(cuò)環(huán)所具有的陷阱偏壓也不同.例如，在體心立方結(jié)構(gòu)材料中的間隙型位錯(cuò)環(huán)，主要有兩種柏氏矢量，b=1/2＜111＞和b=＜100＞.影響這樣兩種位錯(cuò)環(huán)的數(shù)量比例的因素有很多，例如合金成分、輻照溫度、輻照方式（中子、電子、不同離子）等.

Konobeev等對(duì)Fe-Cr二元合金在400 °C進(jìn)行高劑量中子輻照（離位原子概率即dpa等于25.8）[19]，發(fā)現(xiàn)所有位錯(cuò)環(huán)均為b=＜100＞類型.Lavrentiev等[20]通過(guò)第一性原理計(jì)算方法，研究了Fe-Cr合金中空位及空位與Cr原子的相互作用.研究結(jié)果顯示，Cr原子可以和空位結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，Cr原子在該結(jié)構(gòu)中占據(jù)能量最低的位置.在其中的一種Cr與空位組成的結(jié)構(gòu)中包含兩個(gè)Cr原子和兩個(gè)空位，此時(shí)兩個(gè)Cr原子沿＜100＞方向排列能量最低.他們的計(jì)算結(jié)果在一定程度上與本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致.另一方面，F(xiàn)e-Cr合金在450 °C以上溫度電子輻照產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)類型主要是b=＜100＞型.但是也有不同的研究結(jié)果.有研究[21]通過(guò)鐵離子輻照實(shí)驗(yàn)研究了高純鐵和Fe-9Cr樣品中的兩種位錯(cuò)環(huán)的數(shù)量比例，發(fā)現(xiàn)純鐵中b=＜100＞的位錯(cuò)環(huán)更多，并認(rèn)為這是b=1/2＜111＞的位錯(cuò)環(huán)更容易滑移的結(jié)果.而在鐵鉻中，鉻的存在阻礙了b=1/2＜111＞的位錯(cuò)環(huán)的滑移，使得所觀察到的b=＜100＞的位錯(cuò)環(huán)的數(shù)量比例降低.作為核聚變堆材料的候選材料，釩合金受到關(guān)注[22].對(duì)于同樣為體心立方結(jié)構(gòu)的釩，分析了氫離子輻照后形成的位錯(cuò)環(huán)，發(fā)現(xiàn)在所分析的76個(gè)位錯(cuò)環(huán)中，b=1/2＜111＞的位錯(cuò)環(huán)有70個(gè)，柏氏矢量b=＜110＞的位錯(cuò)環(huán)只有6個(gè)[23].

間隙型位錯(cuò)環(huán)的形成，與自間隙原子的結(jié)構(gòu)、如啞鈴型（Dumb-bell）、擠列型（Crowdion）、以及它們的取向有關(guān).通過(guò)研究不同類型的間隙型位錯(cuò)環(huán)的比例與材料輻照腫脹量的關(guān)系，是提高材料的抗輻照腫脹性能的思路之一.

晶體缺陷理論一直是金屬物理中的傳統(tǒng)內(nèi)容，而對(duì)于非輻照環(huán)境的傳統(tǒng)材料中來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)位錯(cuò)理論已經(jīng)發(fā)展到非常成熟的階段.但是，輻照環(huán)境下的位錯(cuò)，尤其是由自間隙原子團(tuán)簇構(gòu)成的位錯(cuò)環(huán)，具有許多特殊問(wèn)題，需要認(rèn)真分析.

3 自間隙原子團(tuán)簇的一維遷移

最近，自間隙原子團(tuán)簇的一維遷移（One dimension motion）是一個(gè)比較熱門(mén)的話題[24].作為單個(gè)點(diǎn)缺陷，自間隙原子與空位的遷移能之間存在巨大差異，這種差異也是引起材料輻照損傷的主要原因.關(guān)于點(diǎn)缺陷團(tuán)簇的情況，一般來(lái)說(shuō)空位團(tuán)簇的遷移性能遠(yuǎn)低于單個(gè)的空位.但是，自間隙原子聚集在一起形成團(tuán)簇后，會(huì)出現(xiàn)一維遷移現(xiàn)象，它所具有的自間隙原子輸送能力遠(yuǎn)超過(guò)單個(gè)點(diǎn)缺陷的三維擴(kuò)散所能夠?qū)崿F(xiàn)的自間隙原子輸送能力，因此有可能持續(xù)地將自間隙原子移送到晶界或材料表面，從而加劇了基體內(nèi)兩種點(diǎn)缺陷濃度之間的不平衡，對(duì)材料輻照損傷的影響不容忽視.

上述提到的兩種偏壓、即“陷阱偏壓”與“產(chǎn)生偏壓”的區(qū)別在于，前者是通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)吸收單個(gè)的自間隙原子，后者則通過(guò)一維遷移方式吸收自間隙原子團(tuán)簇.在中子輻照時(shí)，兩種偏壓都會(huì)發(fā)揮作用，但二者作用各占的比例大小則與材料基體狀態(tài)有關(guān).按照從純金屬、簡(jiǎn)單合金、實(shí)用鋼種的順序，自間隙原子團(tuán)簇的一維遷移的平均距離會(huì)逐漸減小，因此“產(chǎn)生偏壓”的重要性也隨之降低.

圖2表示的是在輻照級(jí)聯(lián)過(guò)程中出現(xiàn)的自間隙原子團(tuán)簇的一維遷移現(xiàn)象[25].當(dāng)自間隙原子團(tuán)簇通過(guò)一維移動(dòng)離開(kāi)級(jí)聯(lián)損傷區(qū)域后，自間隙原子濃度與空位濃度之間的差距進(jìn)一步增大，其結(jié)果是增大了所謂的“產(chǎn)生偏壓”.此時(shí)，空位的擴(kuò)散方式是單個(gè)空位逐個(gè)晶格的隨機(jī)運(yùn)動(dòng).而自間隙原子成為團(tuán)簇，以直線的一維遷移方式從級(jí)聯(lián)區(qū)域迅速擴(kuò)散出去.這樣，空位更加容易殘留在級(jí)聯(lián)區(qū)域，從而使得空洞更容易形核和長(zhǎng)大.以前一般認(rèn)為，刃型位錯(cuò)具有的位錯(cuò)偏壓效應(yīng)才是空洞形成的主要原因.然后實(shí)際上在那些沒(méi)有觀察到刃型位錯(cuò)的地方，也可能有空洞形成，此時(shí)的空洞形成原因就是自間隙原子團(tuán)簇的一維遷移.

雖然自間隙原子團(tuán)簇會(huì)形成一個(gè)位錯(cuò)環(huán)，但一維遷移現(xiàn)象中所包含的原子協(xié)同擴(kuò)散機(jī)制在傳統(tǒng)的位錯(cuò)理論中并沒(méi)有涉及.因?yàn)橐粋€(gè)位錯(cuò)環(huán)中相向部分的位錯(cuò)線段的性質(zhì)總是相反的，因此不可能在剪應(yīng)力作用下，整個(gè)位錯(cuò)環(huán)朝著同一個(gè)方向滑移.由于位錯(cuò)環(huán)各處的柏氏矢量相同，如果對(duì)于位錯(cuò)環(huán)的左右兩端施加剪應(yīng)力，位錯(cuò)環(huán)會(huì)隨著應(yīng)力方向變形，而位錯(cuò)環(huán)的重心則不能移動(dòng).然而在一維遷移過(guò)程中，由于熱激活的原因，構(gòu)成位錯(cuò)環(huán)的自間隙原子（擠列）沿著柏氏矢量方向移動(dòng).這種一維遷移的方向，在面心立方金屬中為＜110＞方向，而在體心立方金屬中則為＜111＞方向.另外，在傳統(tǒng)的位錯(cuò)理論中，認(rèn)為位錯(cuò)的移動(dòng)需要克服皮爾斯－納巴羅（Peierls-Nabarro）阻力.這一看法也阻礙了對(duì)于自間隙原子團(tuán)簇的一維遷移現(xiàn)象的理解.有研究發(fā)現(xiàn)，即使沒(méi)有用以驅(qū)動(dòng)位錯(cuò)環(huán)的應(yīng)力，α鐵中的b=1/2＜111＞的納米尺度的位錯(cuò)環(huán)也會(huì)出現(xiàn)一維遷移[26].團(tuán)簇尺寸與一維遷移之間存在密切的關(guān)系，只有那些尺寸很小的自間隙位錯(cuò)環(huán)才能夠發(fā)生一維遷移，其遷移性與團(tuán)簇中的自間隙原子數(shù)量的平方根成反比[27].單質(zhì)金屬如α鐵中，尺寸較大（大于5.9 nm）的自間隙位錯(cuò)環(huán)在熱激發(fā)下也能發(fā)生一維遷移[26].

一般來(lái)說(shuō)，很難在實(shí)驗(yàn)中觀察到圖2所示的級(jí)聯(lián)過(guò)程中的一維遷移現(xiàn)象.現(xiàn)在的一維遷移研究大多采用分子動(dòng)力學(xué)等計(jì)算機(jī)模擬方法[27-28].Kuramato（藏元英一）[29]利用靜態(tài)弛豫法計(jì)算了自間隙原子位錯(cuò)環(huán)的遷移能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)位錯(cuò)環(huán)很小時(shí)，其遷移能小于單個(gè)的自間隙原子的遷移能，表明這種位錯(cuò)環(huán)的移動(dòng)確實(shí)屬于熱激活過(guò)程的原子團(tuán)簇運(yùn)動(dòng).

對(duì)于自間隙位錯(cuò)團(tuán)簇的一維遷移與空洞長(zhǎng)大之間的相關(guān)性，實(shí)驗(yàn)上的直接證明不多.以前發(fā)現(xiàn)附近沒(méi)有位錯(cuò)的晶界旁邊也會(huì)出現(xiàn)空洞長(zhǎng)大，因?yàn)闊o(wú)法利用位錯(cuò)偏壓的機(jī)制來(lái)說(shuō)明，從而需要利用一維遷移機(jī)制來(lái)解釋.還有，對(duì)于目前比較熱門(mén)的高熵合金，Lu等[30-31]認(rèn)為，自間隙型位錯(cuò)環(huán)的一維遷移性能的降低，即自間隙原子團(tuán)簇從長(zhǎng)程一維遷移變?yōu)槎坛倘S遷移，將會(huì)抑制輻照損傷.這是高熵合金抗輻照性能得以提高的原因.關(guān)于高熵合金中的自間隙原子團(tuán)簇一維遷移現(xiàn)象，除了計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算研究[30-31]，也在原位離子輻照實(shí)驗(yàn)中獲得了初步結(jié)果[32].

超高壓透射電鏡在自間隙原子團(tuán)簇的一維遷移觀察實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了很大作用.此時(shí)利用電子束輻照產(chǎn)生自間隙原子團(tuán)簇（位錯(cuò)環(huán)），然后利用錄像原位觀察這些位錯(cuò)環(huán)的變化.對(duì)于鐵等一般材料來(lái)說(shuō)，使用的是加速電壓為1000 keV的高壓電鏡.而對(duì)于鎢，由于其離位能高（Ed＞40 eV），需要使用加速電壓為2000 keV的高壓電鏡[33].在鐵試樣電子輻照實(shí)驗(yàn)中，觀察到自間隙原子團(tuán)簇會(huì)出現(xiàn)瞬發(fā)的不規(guī)則的一維遷移（沿一個(gè)方向的移動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)）.產(chǎn)生這種一維遷移現(xiàn)象的原因是，在自間隙原子團(tuán)簇處被捕獲的雜質(zhì)原子（柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)，Cottrell atmosphere）受到高能電子輻照后，從這些團(tuán)簇脫離出去，從而使得原本靜止的自間隙原子團(tuán)簇能夠遷移.通過(guò)不同純度的鐵試樣，發(fā)現(xiàn)這種一維遷移受到雜質(zhì)原子的影響[34-35].就鐵中合金元素的影響來(lái)說(shuō)，硅和銅都會(huì)減少這種一維遷移的頻率和行程[35].純釩和V-5Ti合金的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于自間隙原子位錯(cuò)環(huán)一維遷移的影響程度，V-5Ti合金要小于純釩[36].隨著溫度的降低，一維遷移的移動(dòng)距離顯著變短.在250～300 K范圍內(nèi)釘扎位錯(cuò)環(huán)的是雜質(zhì)原子，而在110～200 K范圍內(nèi)釘扎位錯(cuò)環(huán)的則是高濃度空位[37].

對(duì)于國(guó)內(nèi)缺乏超高壓透射電鏡實(shí)驗(yàn)條件的人來(lái)說(shuō)，普通的加速電壓為200 keV的低壓透射電鏡也有可能作為電子束輻照源.例如，純鋁的擊出閾值Ed為16 eV，而能量為200 keV的電子在鋁中能夠產(chǎn)生的最大損傷能量為19.5 eV[38].實(shí)際上利用低壓透射電鏡在鋁中觀察到了輻照產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)[39].從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，有可能利用一般的低壓透射電鏡和純鋁樣品，開(kāi)展自間隙原子團(tuán)簇的一維遷移實(shí)驗(yàn)的觀察實(shí)驗(yàn).

另一種觀察一維遷移現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)方法是利用離子加速器與低壓透射電鏡的聯(lián)機(jī)裝置進(jìn)行原位離子輻照.離子加速器的離子輻照用于產(chǎn)生位錯(cuò)環(huán)，并促進(jìn)位錯(cuò)環(huán)脫離釘扎位置進(jìn)行一維遷移.低壓透射電鏡則可以對(duì)位錯(cuò)環(huán)進(jìn)行原位觀察，記錄所發(fā)生的一維遷移現(xiàn)象[32].隨著國(guó)內(nèi)同類裝置的投入運(yùn)行[40]，將有可能推進(jìn)國(guó)內(nèi)的此項(xiàng)研究.

以前一般認(rèn)為，只有自間隙原子團(tuán)簇才會(huì)出現(xiàn)一維遷移現(xiàn)象.但是，現(xiàn)在也有關(guān)于空位型位錯(cuò)環(huán)的一維遷移現(xiàn)象的論文[41].該研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)空位團(tuán)簇在兩個(gè)空位型層錯(cuò)四面體之間來(lái)回進(jìn)行一維遷移，最后本身也形成為一個(gè)層錯(cuò)四面體.根據(jù)該論文的估算，金中的單個(gè)空位的遷移能為0.85 eV，空位型位錯(cuò)環(huán)一維遷移的有效遷移能為0.22～0.23 eV，可見(jiàn)空位型位錯(cuò)環(huán)一維遷移的有效遷移能遠(yuǎn)低于單個(gè)空位的遷移能，表明該空位型位錯(cuò)環(huán)的一維遷移確實(shí)與單個(gè)空位的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān).產(chǎn)生一維遷移的自間隙原子團(tuán)簇是由擠列構(gòu)成的，雖然空位型位錯(cuò)環(huán)不會(huì)有擠列，仍可以認(rèn)為它們會(huì)出現(xiàn)與擠列類似的（稀疏排列的“疏列”，Voidion）原子結(jié)構(gòu).

關(guān)于點(diǎn)缺陷團(tuán)簇的一維遷移，還存在太多的未知問(wèn)題，有待今后的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探明.

4 小結(jié)

材料輻照損傷的直接原因是高能粒子產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷.但是，點(diǎn)缺陷聚集在一起形成的點(diǎn)缺陷團(tuán)簇，更是影響材料輻照損傷性能的重要因素.空位團(tuán)簇種類較多，自間隙原子團(tuán)簇則只有位錯(cuò)環(huán)一種.納米尺度的空位型位錯(cuò)環(huán)多形成于空位團(tuán)簇的坍塌過(guò)程，如果滿足一定條件（例如氫原子的介入），也能夠通過(guò)空位沿二維平面聚集來(lái)形成尺寸大得多的空位型位錯(cuò)環(huán).另一方面，自間隙原子團(tuán)簇（位錯(cuò)環(huán)）的一維遷移行為，從深化材料物理基礎(chǔ)理論和開(kāi)發(fā)抗輻照損傷材料兩方面來(lái)說(shuō)，都是極具前沿性的課題，今后將會(huì)得到更廣泛的關(guān)注.

致謝

此論文修改時(shí)，武漢大學(xué)郭立平、西安交通大學(xué)盧晨陽(yáng)提出了寶貴意見(jiàn).