摘要：位錯環在材料中的遷移率是理解材料的機械強度以及形變和輻射引起的微觀結構演化的主要因素。在體心立方（BCC）鐵中，普遍認為<100>的間隙位錯環一旦形成是不活動的。然而，本文利用自適應加速分子動力學（SSAMD）發現了<100>間隙位錯環的一種新的擴散機制。該機制的關鍵在于習慣面在{100}平面和{110}平面之間的改變，這為<100>回路的一維擴散提供了路徑，代表了理解<100>環壁的形成和BCC Fe在輻照下的力學行為的重要一步。

在金屬和許多重要的非金屬固體中，位錯是理解這些材料力學性能的關鍵缺陷結構之一。到目前為止，位錯線或位錯環的結構和性質一直是研究較多的領域。在位錯環中，體心立方（BCC）鐵（Fe）和鐵基合金中由淬火、變形和輻照相互作用形成的棱柱型間隙位錯環（PIDL）已被研究了幾十年，因為它們對正常條件下的力學行為至關重要，還用于裂變和聚變反應堆的材料的輻射損傷。從機械角度來看，PIDL可以看作是硬障礙，因此，先前的位錯將通過Orowan機制在其周圍彎曲。環與位錯之間的相互作用通常會影響塑性變形過程，從而導致材料硬化和低溫脆化。在奧氏體鋼中，經7d.p.a.輻照的弗蘭克環對材料強度的相對貢獻更大。環也有助于輻射蠕變，膨脹等。除了輻射效應外，PIDLs也是空間飛行器發展中的一個值得關注的領域，它受到空間高能粒子的影響。PIDLs是影響航天飛機安全和壽命的有害缺陷。因此，了解這些環的性質是在極端環境下使用的材料的一個熱門話題。

在BCC Fe中，沿以下Burgers向量（B）主要觀察到兩種類型的PIDL：1/2 <111>和<100>。根據以前的研究，對于這兩種類型的回路，觀察到以下現象：第一種發生在低溫輻照期間，并以低能壘快速擴散，第二種在其形成后在輻照過程中幾乎不動。在過去的幾十年里，1/2 <111>環的遷移率得到了廣泛的研究，但由于它的固著特性，<100>環通常被認為是一個障礙，類似于材料中的沉淀。然而，最近對<100>環的實驗結果表明了遷移率的存在，這種遷移率可能對體心立方金屬的力學性能有重要影響。因此，了解<100>環的擴散機理是進一步探索與通過變形或輻射形成<100>位錯環有關的鐵和鐵基合金機械性能的關鍵步驟。

眾所周知，經典MD可以提供<100>環的有用信息，但MDs時間尺度的限制使其無法研究<100>環的擴散特性，這種擴散可能發生在幾秒鐘或幾分鐘內。根據以往的研究，預期<100>環的擴散具有高的能量勢壘，因此，有必要使用SAAMD來模擬這種擴散過程。為了驗證模擬結果，Arawaka等人還進行了原位TEM觀察，以比較擴散機制并探索BCC Fe中1/2 <111>環的擴散和旋轉。因此，SAAMD模擬和原位TEM觀察的結合為探索<100>位錯環在鐵中的擴散提供了獨特的機會。

近日，來自吉林大學、美國密歇根大學等單位的科學家通過原子模擬，首次證明了一種新的擴散機制是通過<100>環在BCC-Fe中的一維擴散實現的。<100>環的遷移機制明顯不同于1/2<111>環。1/2<111>環是通過環內單個自間隙原子（SIA）沿<111>方向的關聯遷移而擴散的，而<100>環則是通過在一定條件下改變其習慣面從{100}向不同的{110}面遷移而擴散的。為了證實SAAMD所獲得的機理，經典MD方法也采用了一種方法，即從壓頭引入應力來推動<100>環。當施加外力時，其方向與給定<100>環的Burgers矢量相同。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-020-20574-6#additional-information

通過SAAMD和TEM離子輻照實驗，探討了<100>環在BCC-Fe中的一維擴散機制。兩種方法的結果顯示了相同的結論，{100}、{130}、{120}和{110}之間的習慣面變化是<100>環在一維擴散的主要途徑，這為理解Fe–Cr合金中觀察到的<100>環壁的形成提供了關鍵的一步。

圖1. <100>環路的構型，其Burgers向量[100]位于不同習慣平面。a為（100）面，b為（110）面。在本例中，環路中的SIAs數目為137。環由帶箭頭的粉色曲線表示。紅色箭頭表示循環的Burgers向量。

表1. 位于（100）和（110）的習慣平面（HB）上的[100]回路的能量狀態，作為回路中SIA數（NSIA）的函數。 

圖2. 在b =[100]的（100）習慣面上，<100>環的擴散機制示意圖。它的慣性平面可以從a（100）更改為b（`310），c（`210）和d（`110）（路徑1），也可以更改為e（30`1），f（20`1）和 g（10`1）（路徑2）。兩條路徑的示意圖和交叉點顯示在右側h上。不同的習慣平面分別以紫色，綠色和藍色標記。

圖3.  SAAMD和納米壓痕模擬中的習慣面。a在SAAMD模擬中，<100>環的{100}、{130}、{120}和{110}混合習慣面（由粉紅色曲線顯示）。b納米壓痕法在體心立方鐵<100>環上施加的外部應力示意圖。環平面和Burgers向量如圖所示。環隨模擬時間的演變用c表示，從狀態I到狀態IV，用不同的顏色表示。

圖4. <100>環在不同習慣平面間擴散的能壘。環的直徑為1.6 nm，在{100}、{130}、{120}和{110}習慣面之間旋轉。為了清晰起見，補充圖2給出了鞍點（SD）狀態SD1-SD4的構型。

圖5. 通過平面旋轉對<100>環擴散的直接現場TEM觀察。一個環（loop-I）的旋轉用a–c表示，兩個環分別用紅色和黃色的小圓點橢圓表示。大環在相互作用后的旋轉如圖d-f所示。現場觀測的總時間高達450秒。

圖6. <100>環通過其習慣平面的變化擴散的間接證據。a–f為{100}和{110}沿Burgers向量擴散到表面期間，慣性平面之間的旋轉。紅色和黃色小圓圈分別顯示了兩個環。

圖7. <100>環的模擬TEM圖像與原位圖像的比較。環位于不同的習慣平面上：a（100），b（-310），c（-210）和d（-110）。上面的圖像是通過TEMACI程序模擬的結果，下面的圖像是從補充影像3的現場觀察中獲得的結果。環的形狀由紅色點菱形和矩形標記。

圖8. SAAMD模擬選擇的圓柱有效容積（AV）的示意圖。r和R分別是<100>環和AV的半徑。

本研究還推進了目前對<100>環與位錯線相互作用的理解，即導致輻射硬化、微裂紋形成、蠕變和膨脹的機理。然而，將<100>環的擴散機制納入微觀或宏觀模型，如速率理論，對于理解輻射損傷的基本原理是很重要的。這些結果也說明，通過耦合模擬和實驗觀察所探索的機制，能夠提供對回路動力學的全面理解，并通過離子注入、高能粒子轟擊或冷加工更深入地了解工程微結構。