BCC-Fe中螺位錯(cuò)與[010]間隙位錯(cuò)環(huán)相互作用分子動(dòng)力學(xué)模擬

王 瑾，賀新福，曹 晗，王東杰，豆艷坤，楊 文

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

1 模型與方法

圖1 單純螺位錯(cuò)滑移模型(a)和螺位錯(cuò)與[010]位錯(cuò)環(huán)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)

后續(xù)的可視化分析采用開源可視化工具OVITO[26]，不同位錯(cuò)類型的識(shí)別采用位錯(cuò)提取算法DXA，其中1/2〈111〉和〈100〉位錯(cuò)分別用綠色和紅色線條表示。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 剪切應(yīng)力應(yīng)變行為

2.2 1.5 nm位錯(cuò)環(huán)與螺位錯(cuò)相互作用

a——2 K和823 K；b——300 K和600 K圖2 不同溫度下所有模型剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線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圖3 螺位錯(cuò)與1.5 nm位錯(cuò)環(huán)交互作用滑移模型在2 K不同應(yīng)變量下的構(gòu)型圖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圖4 螺位錯(cuò)與1.5 nm位錯(cuò)環(huán)交互作用滑移模型在300 K不同應(yīng)變量下構(gòu)型圖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圖5 螺位錯(cuò)與1.5 nm位錯(cuò)環(huán)交互作用滑移模型在600 K不同應(yīng)變量下構(gòu)型圖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圖6 螺位錯(cuò)與1.5 nm位錯(cuò)環(huán)交互作用滑移模型在823 K不同應(yīng)變量下構(gòu)型圖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位錯(cuò)環(huán)與螺位錯(cuò)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圖7 螺位錯(cuò)與4 nm位錯(cuò)環(huán)交互作用滑移模型在不同溫度下構(gòu)型圖Fig.7 Configuration of slip model of interaction between screw dislocation and 4 nm dislocation loop at different temperatures

綜上所述，隨位錯(cuò)環(huán)尺寸增加，[010]位錯(cuò)環(huán)在自身穩(wěn)定性及其對(duì)螺位錯(cuò)滑移阻礙作用存在兩方面不同：一方面，[010]位錯(cuò)環(huán)穩(wěn)定性會(huì)隨位錯(cuò)環(huán)尺寸增加而增加，小尺寸1.5 nm位錯(cuò)環(huán)僅在2 K下穩(wěn)定存在，而大尺寸4 nm位錯(cuò)環(huán)在2 K和300 K下均能穩(wěn)定存在；另一方面，位錯(cuò)環(huán)尺寸增加，其對(duì)螺位錯(cuò)的阻礙作用會(huì)加強(qiáng)，在300～823 K下，1.5 nm位錯(cuò)環(huán)對(duì)螺位錯(cuò)滑移阻礙作用不明顯，剪切應(yīng)力增量最高僅為0.03 GPa左右，而4 nm位錯(cuò)環(huán)模型的剪切應(yīng)力增量可增加至0.10 GPa。

3 結(jié)論

利用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)BCC-Fe中螺位錯(cuò)與[010]間隙位錯(cuò)環(huán)相互作用機(jī)制進(jìn)行了模擬，揭示了不同溫度下[010]位錯(cuò)環(huán)穩(wěn)定性及位錯(cuò)環(huán)尺寸對(duì)螺位錯(cuò)滑移行為的影響，得到如下結(jié)論：

3) 溫度高達(dá)823 K時(shí)，位錯(cuò)環(huán)更不穩(wěn)定，自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)?/2〈111〉位錯(cuò)環(huán)，螺位錯(cuò)與位錯(cuò)環(huán)始終無接觸，剪切應(yīng)力無變化；

4) 當(dāng)位錯(cuò)環(huán)尺寸由1.5 nm增大到4 nm時(shí)，[010]位錯(cuò)環(huán)穩(wěn)定性會(huì)增加，位錯(cuò)環(huán)對(duì)螺位錯(cuò)滑移阻礙作用也會(huì)增強(qiáng)。