·1538 工程科学学报，第42卷，第12期 Fe-Cr合金在450℃以上温度电子辐照产生的位 错环类型主要是<100>型.但是也有不同的研 究结果.有研究叫通过铁离子辐照实验研究了高 纯铁和Fe-9Cr样品中的两种位错环的数量比例， 发现纯铁中b=<100>的位错环更多，并认为这是 b=12<111>的位错环更容易滑移的结果.而在铁 铬中，铬的存在阻碍了b=1/2<111>的位错环的滑 移，使得所观察到的=<100>的位错环的数量比例 降低.作为核聚变堆材料的候选材料，钒合金受到 6 mi 关注2，对于同样为体心立方结构的钒，分析了氢 离子辐照后形成的位错环，发现在所分析的76个 位错环中，=1/2<111>的位错环有70个，柏氏矢量 100nm =<110>的位错环只有6个2 图1电子束镉照时的位错环变化 间隙型位错环的形成，与自间隙原子的结构、 Fig.I Change of dislocation loops under electron irradiation 如哑铃型(Dumb-bell)、挤列型(Crowdion)、以及 2.4间隙型位错环 它们的取向有关.通过研究不同类型的间隙型位 与空位相比，自间隙原子更容易扩散迁移，也 错环的比例与材料辐照肿胀量的关系，是提高材 更容易聚集形成团簇.与多种形式的空位团簇不 料的抗辐照肿胀性能的思路之一 同，自间隙原子形成的团簇形式比较单一，只有间 晶体缺陷理论一直是金属物理中的传统内 隙型位错环.只有通过辐照的方法才可以形成间 容，而对于非辐照环境的传统材料中来说，传统位 隙型位错环.对于致密度高的金属材料来说，除了 错理论已经发展到非常成熟的阶段.但是，辐照环 辐照实验外，还没有什么其它方法能够在材料中 境下的位错，尤其是由自间隙原子团簇构成的位 大量形成点缺陷自间隙原子也就是说，要通过实 错环，具有许多特殊问题，需要认真分析 验来研究自间隙原子的性质，辐照实验是唯一的 3 自间隙原子团簇的一维迁移 方法.如果利用一般的热时效方法来模拟研究诸 如核电站压力容器钢的辐照脆性问题，则需要格 最近，自间隙原子团簇的一维迁移(One dimen- 外注意那些由于自间隙原子引起的特殊现象 sion motion)是一个比较热门的话题作为单个 辐照产生的间隙型位错环是辐照损伤过程中 点缺陷，自间隙原子与空位的迁移能之间存在巨 的陷阱偏压的主要来源.不同柏氏矢量的间隙型 大差异，这种差异也是引起材料辐照损伤的主要 位错环所具有的陷阱偏压也不同.例如，在体心立 原因.关于点缺陷团簇的情况，一般来说空位团簇 方结构材料中的间隙型位错环，主要有两种柏氏 的迁移性能远低于单个的空位.但是，自间隙原子 矢量，b=1/2<111>和b=<100>.影响这样两种位错 聚集在一起形成团簇后，会出现一维迁移现象，它 环的数量比例的因素有很多，例如合金成分、辐照 所具有的自间隙原子输送能力远超过单个点缺陷 温度、辐照方式（中子、电子、不同离子）等 的三维扩散所能够实现的自间隙原子输送能力， Konobeev等对Fe-Cr二元合金在400C进行 因此有可能持续地将自间隙原子移送到晶界或材 高剂量中子辐照（离位原子概率即dpa等于 料表面，从而加剧了基体内两种点缺陷浓度之间 25.8),发现所有位错环均为=<100>类型 的不平衡，对材料辐照损伤的影响不容忽视 Lavrentiev等2o通过第一性原理计算方法，研究了 上述提到的两种偏压、即“陷阱偏压”与“产 Fe-Cr合金中空位及空位与Cr原子的相互作用. 生偏压”的区别在于，前者是通过三维运动吸收单 研究结果显示，Cr原子可以和空位结合在一起，形 个的自间隙原子，后者则通过一维迁移方式吸收 成稳定的结构，Cr原子在该结构中占据能量最低 自间隙原子团簇.在中子辐照时，两种偏压都会发 的位置.在其中的一种Cr与空位组成的结构中包 挥作用，但二者作用各占的比例大小则与材料基体 含两个Cr原子和两个空位，此时两个C原子沿 状态有关.按照从纯金属、简单合金、实用钢种的 <100>方向排列能量最低.他们的计算结果在一定 顺序，自间隙原子团簇的一维迁移的平均距离会 程度上与本实验的实验结果相一致.另一方面， 逐渐减小，因此“产生偏压”的重要性也随之降低.2.4    间隙型位错环 与空位相比，自间隙原子更容易扩散迁移，也 更容易聚集形成团簇. 与多种形式的空位团簇不 同，自间隙原子形成的团簇形式比较单一，只有间 隙型位错环. 只有通过辐照的方法才可以形成间 隙型位错环. 对于致密度高的金属材料来说，除了 辐照实验外，还没有什么其它方法能够在材料中 大量形成点缺陷自间隙原子. 也就是说，要通过实 验来研究自间隙原子的性质，辐照实验是唯一的 方法. 如果利用一般的热时效方法来模拟研究诸 如核电站压力容器钢的辐照脆性问题，则需要格 外注意那些由于自间隙原子引起的特殊现象. 辐照产生的间隙型位错环是辐照损伤过程中 的陷阱偏压的主要来源. 不同柏氏矢量的间隙型 位错环所具有的陷阱偏压也不同. 例如，在体心立 方结构材料中的间隙型位错环，主要有两种柏氏 矢量，b=1/2<111>和 b=<100>. 影响这样两种位错 环的数量比例的因素有很多，例如合金成分、辐照 温度、辐照方式（中子、电子、不同离子）等. Konobeev 等对 Fe–Cr 二元合金在 400 °C 进行 高 剂 量 中 子 辐 照 （ 离 位 原 子 概 率 即 dpa 等 于 25.8） [19] ， 发 现 所 有 位 错 环 均 为 b=<100>类 型 . Lavrentiev 等[20] 通过第一性原理计算方法，研究了 Fe–Cr 合金中空位及空位与 Cr 原子的相互作用. 研究结果显示，Cr 原子可以和空位结合在一起，形 成稳定的结构，Cr 原子在该结构中占据能量最低 的位置. 在其中的一种 Cr 与空位组成的结构中包 含两个 Cr 原子和两个空位，此时两个 Cr 原子沿 <100>方向排列能量最低. 他们的计算结果在一定 程度上与本实验的实验结果相一致. 另一方面， Fe–Cr 合金在 450 °C 以上温度电子辐照产生的位 错环类型主要是 b=<100>型. 但是也有不同的研 究结果. 有研究[21] 通过铁离子辐照实验研究了高 纯铁和 Fe–9Cr 样品中的两种位错环的数量比例， 发现纯铁中 b=<100>的位错环更多，并认为这是 b=1/2<111>的位错环更容易滑移的结果. 而在铁 铬中，铬的存在阻碍了 b=1/2<111>的位错环的滑 移，使得所观察到的 b=<100>的位错环的数量比例 降低. 作为核聚变堆材料的候选材料，钒合金受到 关注[22] . 对于同样为体心立方结构的钒，分析了氢 离子辐照后形成的位错环，发现在所分析的 76 个 位错环中，b=1/2<111>的位错环有 70 个，柏氏矢量 b=<110>的位错环只有 6 个[23] . 间隙型位错环的形成，与自间隙原子的结构、 如哑铃型（Dumb-bell）、挤列型（Crowdion）、以及 它们的取向有关. 通过研究不同类型的间隙型位 错环的比例与材料辐照肿胀量的关系，是提高材 料的抗辐照肿胀性能的思路之一. 晶体缺陷理论一直是金属物理中的传统内 容，而对于非辐照环境的传统材料中来说，传统位 错理论已经发展到非常成熟的阶段. 但是，辐照环 境下的位错，尤其是由自间隙原子团簇构成的位 错环，具有许多特殊问题，需要认真分析. 3    自间隙原子团簇的一维迁移 最近，自间隙原子团簇的一维迁移（One dimen￾sion motion）是一个比较热门的话题[24] . 作为单个 点缺陷，自间隙原子与空位的迁移能之间存在巨 大差异，这种差异也是引起材料辐照损伤的主要 原因. 关于点缺陷团簇的情况，一般来说空位团簇 的迁移性能远低于单个的空位. 但是，自间隙原子 聚集在一起形成团簇后，会出现一维迁移现象，它 所具有的自间隙原子输送能力远超过单个点缺陷 的三维扩散所能够实现的自间隙原子输送能力， 因此有可能持续地将自间隙原子移送到晶界或材 料表面，从而加剧了基体内两种点缺陷浓度之间 的不平衡，对材料辐照损伤的影响不容忽视. 上述提到的两种偏压、即“陷阱偏压”与“产 生偏压”的区别在于，前者是通过三维运动吸收单 个的自间隙原子，后者则通过一维迁移方式吸收 自间隙原子团簇. 在中子辐照时，两种偏压都会发 挥作用，但二者作用各占的比例大小则与材料基体 状态有关. 按照从纯金属、简单合金、实用钢种的 顺序，自间隙原子团簇的一维迁移的平均距离会 逐渐减小，因此“产生偏压”的重要性也随之降低. 0 min 100 nm 1 min 100 nm 2 min 100 nm 3 min 100 nm 4 min 100 nm 5 min 100 nm 5 min 30 s 100 nm 6 min 100 nm 6 min 30 s 100 nm 图 1 电子束辐照时的位错环变化 Fig.1 Change of dislocation loops under electron irradiation · 1538 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期