楊 莉，孫慶強(qiáng)，2，祖小濤

（1.電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，成都 610054；2.淮海工學(xué)院理學(xué)院，江蘇　連云港 222005）

鐵中氦原子行為的計(jì)算機(jī)模擬研究

楊 莉1，孫慶強(qiáng)1，2，祖小濤1

（1.電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，成都 610054；2.淮海工學(xué)院理學(xué)院，江蘇連云港 222005）

惰性元素氦在材料中的行為是核材料科學(xué)與核技術(shù)中備受關(guān)注的特殊問(wèn)題。本文從三個(gè)方面介紹了采用分子動(dòng)力學(xué)模擬Fe中氦原子的行為，以及氦原子對(duì)基體結(jié)構(gòu)的影響。Bcc Fe的體相中氦原子加劇了輻照初期缺陷的形成。在較高溫度下，氦原子遷移聚集踢出自間隙原子，形成氦泡-位錯(cuò)環(huán)復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于氦原子與位錯(cuò)有很強(qiáng)的結(jié)合力，而且氦團(tuán)越大結(jié)合力越強(qiáng)，使得位錯(cuò)難以穿過(guò)較大氦團(tuán)。氦團(tuán)對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用導(dǎo)致穿過(guò)氦團(tuán)的位錯(cuò)出現(xiàn)了攀爬現(xiàn)象。氦原子在晶界附近的行為及其對(duì)晶界結(jié)構(gòu)的影響主要與原晶界結(jié)構(gòu)、溫度和氦濃度有關(guān)。

氦；鐵；位錯(cuò)；晶界；計(jì)算機(jī)模擬

0 引 言

裂變堆、聚變堆內(nèi)部核反應(yīng)產(chǎn)生的中子與結(jié)構(gòu)材料的（n，α）反應(yīng)會(huì)在材料中產(chǎn)生氦；聚變反應(yīng)堆第一壁材料表面不斷受到氘、氚等離子體中聚變產(chǎn)物粒子的轟擊也會(huì)造成氦的積累。在聚變反應(yīng)堆中，當(dāng)高通量的快中子不斷穿過(guò)第一壁時(shí)，中子與核的碰撞產(chǎn)生的高能反沖粒子在第一壁內(nèi)的級(jí)聯(lián)碰撞將產(chǎn)生大量的離位原子和空位，這些點(diǎn)缺陷會(huì)演變?yōu)榭斩础⑽诲e(cuò)和晶界等。由于氦不溶于材料基體，而且間隙氦原子的遷移能很低，包殼材料中的氦原子易于遷移，并與材料中缺陷相互作用，形成氦泡，從而引起材料的腫脹和脆化，最終導(dǎo)致等離子體的包容實(shí)效［1-3］。因此，氦在材料中的行為在核材料科學(xué)與核技術(shù)中長(zhǎng)期備受關(guān)注。

不銹鋼是裂變反應(yīng)的包殼材料和聚變反應(yīng)堆第一壁結(jié)構(gòu)材料的候選者之一，而鐵是不銹鋼的主要元素，因此鐵中氦的行為研究已有很多報(bào)道。早期研究手段主要是不同的實(shí)驗(yàn)方法，并輔助理論分析，后來(lái)由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和計(jì)算能力的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬成為研究材料中氦行為的重要手段之一。我們采用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)鐵中氦的行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，本文主要介紹3個(gè)方面的研究進(jìn)展：1）氦對(duì)體相鐵中的輻照初期產(chǎn)生的缺陷的影響［4-11］；2）氦原子與鐵中位錯(cuò)的相互作用［12-14］；3）氦原子與鐵中晶界的相互作用［15，16］。

1 氦對(duì)體相鐵中的輻照初期產(chǎn)生的缺陷的影響

應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了不同He濃度下（1—5at.%）Fe中缺陷的性質(zhì)（包括空位，間隙粒子，以及缺陷團(tuán)）；模擬了不同PKA能量下（0.5—20 keV）的級(jí)聯(lián)碰撞，關(guān)注缺陷的產(chǎn)生，缺陷的幾何結(jié)構(gòu)和缺陷的產(chǎn)生率；模擬了不同輻照溫度下（100K，600K）的級(jí)聯(lián)碰撞，關(guān)注缺陷的產(chǎn)生隨溫度的變化，缺陷團(tuán)隨溫度的變化，分析了在不同溫度、不同級(jí)聯(lián)能和不同氦濃度時(shí)級(jí)聯(lián)中氦-空位（HemVn）團(tuán)的形成機(jī)制［4-11］。

分子動(dòng)力學(xué)模擬中準(zhǔn)確描述出晶體中粒子間的相互作用至關(guān)重要。本節(jié)中Fe與Fe之間的相互作用采用了Ack land基于Finnis-Sinclair形式修正后的勢(shì)函數(shù)來(lái)描述。對(duì)于Fe-He和He-He之間的相互作用，分別采用了 W ilson的勢(shì)函數(shù)和 Beck的對(duì)勢(shì)。所用的程序（MOLDY）采用了連接胞方法來(lái)處理原子之間的相互作用。采用了周期性邊界條件和固定胞體體積。用不同濃度的He隨機(jī)替代bcc Fe中的Fe原子，并根據(jù)級(jí)聯(lián)能的大小調(diào)整模擬胞體的尺寸。為了避免溝道效應(yīng)，初級(jí)撞擊原子（PKA）的方向都選高指數(shù)方向＜135＞。首先在一定溫度下弛豫 10ps，建立一個(gè)平衡狀態(tài)下的晶體，級(jí)聯(lián)碰撞后再模擬11—20ps。為了讓模擬結(jié)果接近真實(shí)情況，每種He濃度和PKA能量下模擬了5-10個(gè)位移級(jí)聯(lián)事件，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。

圖1　溫度為100K，PKA能量為10keV時(shí)，級(jí)聯(lián)碰撞后純鐵和含有5%氦的鐵的缺陷分布

圖2　不同溫度下含氦鐵的級(jí)聯(lián)中產(chǎn)生的Frenkel對(duì)隨級(jí)聯(lián)能的變化

圖1給出了溫度為100K，PKA能量為10keV的級(jí)聯(lián)碰撞后純鐵與含5at.%He鐵中的缺陷分布情況。從圖1中可以看出純鐵中缺陷主要是點(diǎn)缺陷，空位集中在缺陷區(qū)域中心，而間隙原子分布在其周?chē)?；含氦鐵中缺陷明顯比純鐵中多，而且除了點(diǎn)缺陷，還有大量的氦-空位團(tuán)形成。這是我們?cè)阼F中首次發(fā)現(xiàn)輻照初期已經(jīng)形核的小氦泡［4］。分別對(duì)點(diǎn)缺陷和氦-空位團(tuán)的形成進(jìn)行了分析。圖2給出了點(diǎn)缺陷Frenkel缺陷對(duì)（包括氦和鐵）的數(shù)目在不同溫度下隨級(jí)聯(lián)能E p的變化。從擬合曲線的斜率可以看出，在兩種溫度下氦使得鐵中的Frenkel對(duì)隨級(jí)聯(lián)能增加的增加率比純鐵的降低了。隨著PKA能量的增加，離位Fe原子容易形成自間隙原子團(tuán)，自間隙原子團(tuán)的形成會(huì)降低He間隙原子的產(chǎn)生，而總的Frenkel對(duì)主要由He貢獻(xiàn)，所以Frenkel對(duì)隨級(jí)聯(lián)能增加的增加率比純鐵的降低了。

圖3　100K和600K時(shí)含有1at.%、5at.%He的鐵的級(jí)聯(lián)中HenVm（m n，m＞1）團(tuán)的分布

圖3給出了100K和600K時(shí)含有1at.%、5at.%He的鐵的級(jí)聯(lián)中HenVm（n≤m，m＞1）團(tuán)的分布情況。從圖3可見(jiàn)在所模擬的 PKA能量范圍內(nèi)，對(duì)相同的 PKA能量，在低氦濃度（～1at.%He）時(shí)級(jí)聯(lián)中形成的最大的He-V團(tuán)中空位的數(shù)目隨輻照溫度的變化很小，但當(dāng)氦濃度增加到5at.%時(shí)，對(duì)于低PKA能量（≤1keV），最大的He-V團(tuán)中空位的數(shù)目隨溫度的增加而增加，對(duì)高PKA能量（≥5keV），最大的He-V團(tuán)中空位的數(shù)目隨輻照溫度的增加而降低。在確定的輻照溫度下，在低氦濃度時(shí)，最大He-V團(tuán)的尺寸對(duì)PKA能量的依賴很小，相反，在高氦濃度時(shí)，它隨PKA能量的增加而增加，除了含有5at.%He的20keV級(jí)聯(lián)以外。在整個(gè)模擬的級(jí)聯(lián)能和溫度范圍內(nèi)，級(jí)聯(lián)中形成的最大的He-V團(tuán)中空位的數(shù)目在1at.%He濃度時(shí)低于10，在2at.%He濃度時(shí)增加到20，在5at.%He時(shí)增加到50左右。由50個(gè)空位形成的He-V團(tuán)已經(jīng)是一個(gè)小氦泡（～0.5nm）。

在早期模擬研究鐵中氦行為中，主要研究的是貧氦的情況，即如前所述的以氦替換鐵中原子，或者在空位團(tuán)中引入較少數(shù)量氦原子，最近幾年較多研究集中在富氦的情況，即在鐵中引入間隙氦原子。而且早期的Fe-He作用勢(shì)得出的八面體間隙氦比四面體間隙氦更穩(wěn)定，但是后來(lái)的從頭算顯示四面體間隙氦比八面體間隙氦更穩(wěn)定［17］。因此，描述Fe-He相互作用的Fe-He作用勢(shì)不斷更新。我們采用2011年高飛等［18］提出的基于從頭算結(jié)果的Fe-He作用勢(shì)模擬了鐵中隨著氦原子不斷增加后氦的遷移和聚集［11］。為了加速氦原子的遷移過(guò)程，溫度選為800K。采用的胞體含有182 250個(gè)Fe原子，考慮到實(shí)際鐵中氦原子的濃度，首先加入了125個(gè)氦原子，模擬了1.2ns，然后每隔0.6ns加入125個(gè)氦原子。圖4給出了在胞體中加入125個(gè)氦原子和500個(gè)氦原子后弛豫足夠時(shí)間后缺陷的穩(wěn)定分布情況。從圖4中可以看出加入125個(gè)氦原子后只有少量小的自間隙原子團(tuán)和氦團(tuán)形成，而且大部分的氦原子與間隙原子團(tuán)分開(kāi)；然而直到500個(gè)氦原子引入后，有大量的鐵間隙原子團(tuán)，氦泡則依附在這些自間隙原子周?chē)纬珊づ?間隙原子團(tuán)復(fù)合體，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象一致。

圖4　Fe中加入125個(gè)He弛豫1.2ns（a）和500個(gè)He弛豫0.6ns（b）后缺陷的分布

2 氦原子與鐵中位錯(cuò)的相互作用

位錯(cuò)是晶體中常見(jiàn)的一類(lèi)結(jié)構(gòu)缺陷，屬于線形缺陷。常見(jiàn)的位錯(cuò)有兩種：刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。由核嬗變產(chǎn)生的不溶于基體的氦會(huì)與結(jié)構(gòu)材料中的位錯(cuò)相互作用，形成氦泡，從而引起材料的腫脹和脆化。因此，近年來(lái)，有人采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)氦原子與Fe中位錯(cuò)的相互作用進(jìn)行了一定研究［19，20］，模擬發(fā)現(xiàn)間隙氦原子在Fe的a/2〈111〉｛110｝刃型位錯(cuò)附近是吸附還是被排斥與它靠近位錯(cuò)芯的方向有關(guān)。在刃型位錯(cuò)芯附近，氦原子以擠列子形式被吸附，間隙氦與位錯(cuò)芯的最大結(jié)合能為2.3eV，而且氦以擠列子形式沿著刃型位錯(cuò)以0.4—0.5eV的遷移能遷移。在Fe的螺型位錯(cuò)的研究中發(fā)現(xiàn)，間隙氦原子與位錯(cuò)芯的結(jié)合能約為1eV，大約是氦與刃型位錯(cuò)結(jié)合能的一半。然而，間隙氦原子沿著螺型位錯(cuò)芯遷移的遷移能為0.4—0.5eV，這與刃型位錯(cuò)中間隙氦的遷移能相同。在對(duì)單個(gè)氦原子與位錯(cuò)相互作用研究的基礎(chǔ)上，我們對(duì)小的氦-空位團(tuán)與Fe中刃位錯(cuò)的相互作用進(jìn)行了更詳細(xì)的研究。圖5是模擬刃位錯(cuò)與氦團(tuán)相互作用的模型，圖中F是固定區(qū)域，B是可以整體平移，M中所有原子可以自由運(yùn)動(dòng)。氦團(tuán)的初始位置根據(jù)研究需要而改變。

計(jì)算了不同氦/空位比例的氦-空位團(tuán)與位錯(cuò)的相互結(jié)合能，圖6僅給出了HenV（n≥1）與位錯(cuò)的結(jié)合能：（a）在過(guò)位錯(cuò)芯從擴(kuò)張到壓縮方的直線上，在距滑移面不同距離處與位錯(cuò)的結(jié)合能；（b）在滑移面上，沿著伯格斯矢量方向，在距位錯(cuò)芯不同距離處與位錯(cuò)的結(jié)合能。從圖 6（a）可以看出所有的HenV（n≥1）團(tuán)在滑移面的擴(kuò)張方的結(jié)合能均為正（離滑移面的距離為負(fù)值），而在壓縮方的結(jié)合能為負(fù)值，這意味著HenV（n≥1）在Fe里被很強(qiáng)地吸附在刃型位錯(cuò)的擴(kuò)張方，而在壓縮方受到排斥。而且HenV（n≥1）與位錯(cuò)的結(jié)合能隨著He/V比例增加而增加，而在壓縮方隨著He/V比例增加而降低。當(dāng)He/V比例相等時(shí)，氦-空位團(tuán)與位錯(cuò)的結(jié)合能隨著氦-空位團(tuán)尺寸增加而增大。從圖6（b）中可以看出在位錯(cuò)芯里馳豫后的He-V團(tuán)具有最大的結(jié)合能，隨著離位錯(cuò)芯距離的增加，結(jié)合能降低，當(dāng)距離大于1.3nm后，結(jié)合能降低到趨于 0。在滑移面上，在伯格斯線上位錯(cuò)芯兩邊的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此在位錯(cuò)芯附近2.6nm內(nèi)，HenV（n≥1）以較大的結(jié)合能被位錯(cuò)捕陷，而在2.6nm外，位錯(cuò)對(duì)HenV（n≥1）的作用很微弱。

圖5　模擬刃位錯(cuò)與氦團(tuán)相互作用的模型

圖6　Fe的a/2〈111〉｛110｝刃型位錯(cuò)中，HenVm（n≥m）團(tuán)與位錯(cuò)的結(jié)合能

我們除了研究氦-空位團(tuán)與位錯(cuò)的靜態(tài)相互作用，還對(duì)氦-空位團(tuán)與位錯(cuò)的動(dòng)力學(xué)相互作用進(jìn)行了研究。將不同尺寸和氦/空位比例的氦-空位團(tuán)放置在滑移面上距離位錯(cuò)芯一定距離的地方，然后對(duì)圖5中B區(qū)域施加一個(gè)平行于滑移方向的應(yīng)變。隨著應(yīng)變的逐漸增加，觀測(cè)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和氦-空位團(tuán)的運(yùn)動(dòng)情況?？紤]了溫度的影響（0k，100k，300k和 600k）。圖 7給出了300K時(shí)He16V4團(tuán)和位錯(cuò)線的分布。圖中僅給出了氦原子和位錯(cuò)線。圖7（a）是施加應(yīng)變前的初始結(jié)構(gòu)，此刻氦團(tuán)距離位錯(cuò)線距離約為3.5nm，施加應(yīng)變后，位錯(cuò)線先勻速靠近氦團(tuán)，然后以一個(gè)很大速度運(yùn)動(dòng)到氦團(tuán)處。這是因?yàn)槌跏茧A段，位錯(cuò)離氦團(tuán)較遠(yuǎn)，它們之間相互作用很弱，當(dāng)位錯(cuò)靠近氦團(tuán)時(shí)，受到氦團(tuán)的吸引作用，則以較大加速度跳到氦團(tuán)。繼續(xù)施加應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)線的兩端繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，而中間部分由于氦原子的阻礙作用而停留在原地，因此出現(xiàn)了如圖7（b）中的彎曲位錯(cuò)線。當(dāng)應(yīng)變施加到足以克服氦原子的阻礙，位錯(cuò)穿過(guò)氦原子繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，氦原子則停留在原地，見(jiàn)圖7（c）。穿過(guò)氦原子的位錯(cuò)與初始結(jié)構(gòu)比較發(fā)現(xiàn)中間部分發(fā)生了變化，出現(xiàn)了位錯(cuò)的攀爬現(xiàn)象。

為了定量描述氦團(tuán)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙程度，計(jì)算了鐵中刃形位錯(cuò)穿過(guò)不同尺寸氦團(tuán)的臨界應(yīng)力，位錯(cuò)穿過(guò)氦團(tuán)所需的最大應(yīng)力為臨界應(yīng)力，臨界應(yīng)力越大表示位錯(cuò)越難穿過(guò)該氦團(tuán)。圖8給出了位錯(cuò)穿過(guò)氦團(tuán)的臨界應(yīng)力。圖 8（a）表明在相同溫度下，臨界應(yīng)力隨著He/V比例增加而增加，直到He/V=3。臨界應(yīng)力依賴于 He/V比例和氦團(tuán)的尺寸。圖8（b）表明臨界應(yīng)力主要與 He/V比例有關(guān)，溫度對(duì)其影響很小。深入分析發(fā)現(xiàn)臨界應(yīng)力取決于氦團(tuán)與位錯(cuò)芯的結(jié)合能大小。氦團(tuán)與位錯(cuò)的結(jié)合能越大，臨界應(yīng)力越大，位錯(cuò)越難穿過(guò)氦團(tuán)。

圖7　300K，F(xiàn)e的a/2〈111〉｛110｝刃型位錯(cuò)中，He16V4團(tuán)和位錯(cuò)線的分布

圖8　位錯(cuò)穿過(guò)HenVm團(tuán)的臨界應(yīng)力

3 氦原子與鐵中晶界的相互作用

晶界是輻照后材料中形成的一種常見(jiàn)缺陷之一，其與輻射誘導(dǎo)的氦雜質(zhì)的協(xié)同作用會(huì)導(dǎo)致腫脹、高溫晶間脆化、表面粗化和起泡。這些現(xiàn)象會(huì)顯著降低材料的力學(xué)性能。因此鐵中氦與晶界的相互作用在材料輻照領(lǐng)域備受關(guān)注。我們主要研究了Fe的兩種晶界結(jié)構(gòu)：（a）∑3和（b）∑73b，它們代表了不同傾斜角度的晶界結(jié)構(gòu)。圖9是模擬中采用的模型，（a）∑3晶界，（b）∑73b晶界。為了模擬晶界對(duì)氦行為的影響，一種方式是在晶界附近應(yīng)力區(qū)域內(nèi)隨機(jī)引入不同數(shù)量的氦原子，然后在不同溫度下觀察氦原子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及其對(duì)晶界結(jié)構(gòu)的影響。

圖9　晶界的原子結(jié)構(gòu)模型

模擬顯示在∑3晶界中由于受到晶界的吸引作用，氦原子向晶界面靠近，并形成團(tuán)簇。在較低氦濃度下（局域濃度為1%He），僅有很小的氦團(tuán)形成，它們對(duì)晶界結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有影響。然而對(duì)于局域 He濃度為5%時(shí)，大量氦原子聚集形成氦團(tuán)，并同時(shí)發(fā)射出大量的自間隙原子，在600K和800K時(shí)多個(gè)氦團(tuán)的協(xié)同作用導(dǎo)致其周?chē)拈g隙原子形成位錯(cuò)，見(jiàn)圖10。圖10（a）中可以看出氦原子聚集后形成了較大氦團(tuán)，最大的氦團(tuán)包含了33個(gè)氦原子，氦團(tuán)周?chē)腇e原子結(jié)構(gòu)非?；靵y。為了分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，把圖（a）中矩形框中部分放大后投影在xoy面內(nèi)，見(jiàn)（b）圖。（b）中圓環(huán)內(nèi)明顯可以看出形成了沿＜100＞方向的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)的位置如白色垂線所示。繼續(xù)增加氦原子濃度，發(fā)現(xiàn)10%的He在遷移聚集過(guò)程中，踢出了大量自間隙原子導(dǎo)致晶界附近結(jié)構(gòu)混亂。圖11給出了模擬過(guò)程中不同時(shí)刻∑3晶界附近的原子結(jié)構(gòu)，為了清晰起見(jiàn)，沒(méi)有給出He原子。圖11顯示相對(duì)于初始結(jié)構(gòu)，3ps時(shí)晶界已經(jīng)很混亂，隨著模擬時(shí)間增加，自間隙原子開(kāi)始重組，形成了一層新的原子層，而且原晶界面沿y軸向上攀移。然而這一晶界結(jié)構(gòu)重組現(xiàn)象在大角晶界∑73b晶界中并沒(méi)有出現(xiàn)。

圖11　800K，∑3晶界中摻入10%He后晶界附近的原子在不同時(shí)刻分布結(jié)構(gòu)

圖12　不同溫度下∑73b晶界中摻入10%He后晶界附近的原子結(jié)構(gòu)

在低氦濃度時(shí)，∑73b晶界中只有較少的氦原子成團(tuán)，大量單個(gè)氦原子出現(xiàn)在晶界附近。究其原因是因?yàn)椤?3b晶界是大角晶界，在晶界面上有一排排平行的固有位錯(cuò)線。這些位錯(cuò)線附近有較大的空隙，這些空隙對(duì)氦原子有很強(qiáng)的吸引作用，氦原子一旦被吸引到位錯(cuò)線上就難再遷移，所以就難以形成較大的氦團(tuán)簇。隨著氦濃度增加，雖然∑73b晶界中有更多的較大氦團(tuán)形成，但相對(duì)∑3晶界，氦團(tuán)尺寸仍然較小，而且沒(méi)有出現(xiàn)晶界重組的現(xiàn)象。當(dāng)氦濃度增大到10%時(shí)，發(fā)現(xiàn)較大氦團(tuán)在位錯(cuò)線上的形成導(dǎo)致晶界面上的位錯(cuò)線向著x軸的負(fù)方向［-1-121］移動(dòng)，見(jiàn)圖12，其中白色豎直線標(biāo)出了其中一個(gè)位錯(cuò)線位置。溫度越高，白色線條越靠近左邊，這意味著溫度越高位錯(cuò)線移動(dòng)越明顯。

為了探究氦原子的出現(xiàn)對(duì)晶界結(jié)構(gòu)的具體影響，常溫下在晶界附近逐一加入氦原子，每加入一個(gè)氦原子，弛豫100 ps，這樣反復(fù)加入氦原子，觀察晶界結(jié)構(gòu)的變化。為了比較，bcc鐵的體相中也逐一加入氦原子。圖13是加入一定數(shù)量氦原子后位錯(cuò)發(fā)射前的缺陷或原子結(jié)構(gòu)。圖13（a）顯示加入35個(gè)氦原子后發(fā)射出的間隙原子形成了一個(gè)近乎完美的由16個(gè)自間隙原子構(gòu)成的位錯(cuò)環(huán)，見(jiàn)13（a）中左下小插圖。圖13（b）顯示∑3晶界中97個(gè)氦原子才發(fā)射出一個(gè)位錯(cuò)環(huán)，不過(guò)該位錯(cuò)環(huán)比體相中的尺寸更大。而∑73b晶界中加入83個(gè)He原子后只將位錯(cuò)線在晶界面上演著 x軸負(fù)方向推進(jìn)了，如圖13（c）中的白色虛線所示。這是因?yàn)椤?3b晶界中的氦原子沿著晶界中固有的位錯(cuò)線方向形成橢圓形，從而釋放了氦泡中壓力，而且由氦泡踢出的自間隙原子也沿著位錯(cuò)線方向而難以形成位錯(cuò)環(huán)。由此可知在體相和小角晶界中隨著氦泡的長(zhǎng)大，會(huì)發(fā)射出位錯(cuò)環(huán)，而在大角晶界中氦泡并不會(huì)發(fā)射位錯(cuò)環(huán)?？傊?，氦在晶界附近的行為及其對(duì)晶界的影響跟晶界結(jié)構(gòu)、溫度和氦濃度有關(guān)。

圖13　300K，F(xiàn)e的體相和晶界中加入一定數(shù)量He原子后缺陷分布

4 結(jié) 論

本文從3個(gè)方面介紹了采用分子動(dòng)力學(xué)模擬Fe中氦原子的行為，以及氦原子對(duì)基體結(jié)構(gòu)的影響：

（1）在Fe的體相中由于氦原子的出現(xiàn)，在輻照初期就有大量的小氦核出現(xiàn)，而且點(diǎn)缺陷增多，即氦原子加劇了輻照初期缺陷的形成。此外，在較高溫度下，氦原子會(huì)遷移聚集踢出自間隙原子，這些自間隙原子形成團(tuán)簇或更大的位錯(cuò)環(huán)，而氦泡就附著在位錯(cuò)環(huán)四周形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。

（2）在Fe的位錯(cuò)中由于氦原子與位錯(cuò)有很強(qiáng)的結(jié)合力，而且氦團(tuán)越大結(jié)合力越強(qiáng)，導(dǎo)致位錯(cuò)難以穿過(guò)氦團(tuán)。氦團(tuán)對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用使得穿過(guò)氦團(tuán)的位錯(cuò)出現(xiàn)了攀爬現(xiàn)象。

（3）Fe的兩種晶界都表現(xiàn)出對(duì)氦原子有較強(qiáng)的吸引作用，氦原子在∑3晶界中的聚集形成的大氦泡導(dǎo)致晶界結(jié)構(gòu)重組和晶界面攀爬，而在∑73b晶界中的聚集形成的氦泡較小，小氦泡和單個(gè)氦原子主要沿著晶界上固有的位錯(cuò)線分布，使得位錯(cuò)線沿著［-1-121］方向有微小爬移。逐漸長(zhǎng)大的單個(gè)氦泡在Fe的體相和∑3晶界中呈現(xiàn)球形，并發(fā)射出位錯(cuò)環(huán)，而在∑73b晶界中的氦泡呈現(xiàn)橢球形，而且無(wú)位錯(cuò)環(huán)形成。

致謝：在本研究工作中，美國(guó)密歇根大學(xué)高飛教授給予了悉心指導(dǎo)，在此致謝！

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Computer Simulation Study on the Helium Behavior in Iron

YANG Li1，SUN Qingqiang1，2，ZU Xiaotao1
（1.School of Physical Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China；2.School of Science，Huaihai Institute of Technology，Lianyungang Jiangsu 222005，China）

The behavior of inertial helium in materials has been a research focus.In this study，a computer simulation on the helium behavior in iron was run and the effects of helium on thematrix structure are reported.The helium atoms enhanced the production of defects in early radiation stage.Helium cluster-loop complexes were formed due to the migration and nucleation of helium atoms.The binding energies between helium and dislocations increased with the size of helium clusters.This strong binding energy of large helium clusters impeded the motion of dislocations，resulting in the climbing of the dislocations.The experiment showed that the behavior of helium and the effects of helium on the structures of grain boundariesmainly depend on the initial structure of grain boundaries，temperature and helium concentration.

helium；iron；dislocation；grain boundary；computer simulation

O469；O77

A

10.16246/j.issn.1673-5072.2016.01.0012

1673-5072（2016）01-0082-09

2016-01-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1430109）

楊 莉（1974—），女，四川渠縣人，博士，教授，主要從事材料性能的計(jì)算機(jī)模擬研究。

楊 莉，E-mail：yanglildk@utestc.edu.cn