近期，中科院合肥物質(zhì)院固體所劉長(zhǎng)松研究員課題組在輻照損傷模擬軟件開發(fā)與多晶材料空位累積機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展。通過(guò)采用多尺度模擬方法，系統(tǒng)考察了鐵晶界處空位的累積與演化行為。借助自主發(fā)展的雜化格點(diǎn)動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛（LKMC）和實(shí)體動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛（OKMC）模擬技術(shù)（軟件著作權(quán)登記號(hào)：2018SR469394；專利號(hào)：ZL201711352184.8），探究了空位演化與晶界結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，相關(guān)成果以“Vacancy accumulation mechanism at iron grain boundaries: The influence of grain boundary character and its coupling with grain size”為題發(fā)表于核科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域國(guó)際期刊Journal of Nuclear Materials (J. Nucl. Mater., 579, 154386(2023))。      在反應(yīng)堆服役過(guò)程中，鐵基結(jié)構(gòu)材料會(huì)遭受高能中子的轟擊，產(chǎn)生大量離位損傷，包括空位（V）和自間隙原子（SIA）。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的演化，這些離位缺陷會(huì)發(fā)展為位錯(cuò)、空洞等大尺寸缺陷團(tuán)簇，使得材料性能降級(jí)甚至失效，不利于反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行。多晶/納米晶材料具備良好的抗輻照性能，這得益于此類材料中高密度的晶界能夠捕獲輻照缺陷并促進(jìn)其復(fù)合，進(jìn)而降低晶粒內(nèi)輻照損傷的累積。為了認(rèn)識(shí)并預(yù)測(cè)多晶材料內(nèi)輻照損傷的微結(jié)構(gòu)演化過(guò)程，必須對(duì)輻照缺陷與晶界的跨尺度相互作用機(jī)理進(jìn)行探究。

在以往的多尺度模擬中，人們往往將晶界抽象為沒(méi)有具體結(jié)構(gòu)的二維平面，因而采用靜態(tài)計(jì)算獲得缺陷與晶界的相互作用參數(shù)，如形成能、結(jié)合能、遷移能壘等，以此來(lái)表征晶界的結(jié)構(gòu)特征以及缺陷的演化特性。但晶界特征的多樣性使得不同種類的晶界往往呈現(xiàn)出截然不同的局域結(jié)構(gòu)與缺陷性質(zhì)。如果將這些性質(zhì)簡(jiǎn)單地抽象為單一的作用參數(shù)，會(huì)遺漏掉許多與缺陷相關(guān)的原子信息，進(jìn)而影響長(zhǎng)時(shí)間尺度下缺陷演化的正確預(yù)測(cè)。鑒于此，科研人員發(fā)展了一種既能分辨晶界處缺陷性質(zhì)的空間位置相關(guān)性，又能粗?；幚磉h(yuǎn)離界面區(qū)域缺陷演化的模擬方法，即所謂雜化LKMC和OKMC模擬技術(shù)（圖1）。

圖1. 雜化LKMC和OKMC模擬方法示意圖。

利用該技術(shù)，科研人員對(duì)鐵晶界中輻照缺陷的累積機(jī)制進(jìn)行了探究。由于晶界對(duì)間隙原子的偏置吸收往往會(huì)致使空位被滯留在晶粒內(nèi)部，因此對(duì)空位的消除能力成為晶界抗輻照性能的重要指標(biāo)。于是，在此項(xiàng)研究中，科研人員重點(diǎn)關(guān)注了空位與晶界的相互作用過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)：（1）在高溫下，除了已知的晶界對(duì)空位的捕獲之外，還存在空位發(fā)射和泄露這兩個(gè)原子過(guò)程，這些過(guò)程的發(fā)生取決于晶界特征（圖2）；（2）常規(guī)大角/小角晶界具備較高的空位捕獲效率。對(duì)于極端小角晶界，空位能夠直接穿過(guò)位錯(cuò)核心之間的類塊體區(qū)域，這種泄露效應(yīng)削弱了此類晶界對(duì)空位的捕獲和容納能力（圖2）；（3）由于較低的空位-晶界結(jié)合強(qiáng)度，孿晶界和特殊的重位點(diǎn)陣晶界無(wú)法有效地抑制空位發(fā)射（圖3）；（4）通過(guò)結(jié)合晶粒尺寸與界面內(nèi)缺陷形成能和遷移能壘，提出了晶粒尺寸與晶界特征的耦合方程：

在該方程左端，L為晶粒尺寸，EVf,GB和EVm,GB分別為晶界內(nèi)的空位形成能和遷移能壘，其可用于描述晶界特征。在方程右端，EVf,bulk和EVm,bulk分別為塊體內(nèi)的空位形成能和遷移能壘，對(duì)于給定體系，其為常量。滿足該方程時(shí)，通過(guò)沿晶界的缺陷巡游使得原本在高能級(jí)區(qū)域出現(xiàn)的缺陷發(fā)射過(guò)程被抑制，進(jìn)而導(dǎo)致材料輻照響應(yīng)與缺陷-晶界結(jié)合強(qiáng)度之間的不確定性（圖4）。

圖2. 基于格點(diǎn)動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛（LKMC）獲得的晶界附近空位運(yùn)動(dòng)軌跡與遷移能圖景。溫度設(shè)為300 K。在(c)中，I1、I2和I3代表空位初始位點(diǎn)，E1和E2標(biāo)記最終位點(diǎn)。

圖3. 基于實(shí)體動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛（OKMC）模擬獲得的晶界附近空位的運(yùn)動(dòng)軌跡：(a-b) Σ3(1 1 2)/[1 1 0]，(c) Σ5(2 1 0)/[0 0 1]和Σ85(13 1 0)/[0 0 1]。溫度分別設(shè)為300 K、400 K和600 K。水平實(shí)線標(biāo)記晶界面位置。

圖4. 單晶界和晶界網(wǎng)絡(luò)附近空位演化示意圖。E0–E4表示晶界內(nèi)空位能級(jí)。主要過(guò)程包括晶界處空位捕獲、發(fā)射、泄露、巡游以及晶粒尺寸和晶界特征耦合抑制的晶界發(fā)射。

該工作揭示了空位與晶界之間新的相互作用過(guò)程以及這些過(guò)程之間的耦合，這些結(jié)果對(duì)于其他多晶體系（如鎢、鉬等）具有普適性，可加深人們對(duì)多晶材料輻照響應(yīng)的認(rèn)識(shí)，并為實(shí)驗(yàn)上基于晶界工程優(yōu)化材料的抗輻照性能提供機(jī)理參考。博士研究生李小林為該文章的第一作者，李祥艷副研究員和吳學(xué)邦研究員為文章的共同通訊作者。

上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及合肥研究院院長(zhǎng)基金的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2023.154386