分子动力学揭秘位错网络调控铁辐射损伤机制：BCC-Fe中子级联效应与空位肿胀机理

本研究针对核材料中位错网络对辐射损伤演化机制的关键影响，通过分子动力学模拟构建原子尺度位错网络模型，首次揭示其通过非均匀应力场诱发次级级联增多、间隙原子强偏向吸收、空位簇增殖及1/2<111>间隙环钉扎现象，阐明其显著提升BCC-Fe空位肿胀率但维持拉伸/剪切应力稳定的双重效应，为跨尺度模拟提供关键原子机制支撑。

　　

论文解读
在核能设施和空间装备的核心材料领域，铁基合金的辐射损伤演化始终是制约服役寿命的瓶颈问题。当高能粒子轰击金属时，会产生大量空位-间隙原子对，并最终形成空洞、位错环等缺陷结构，导致材料肿胀脆化。传统研究多聚焦完美晶体中的位移级联，然而实际工程材料内部存在复杂的位错网络结构，这些预先存在的缺陷如何影响辐射损伤的动态演化？这一关键机制长期缺乏原子尺度的精确解析。

针对这一挑战，中国科学院的研究团队在《Scripta Materialia》发表突破性研究。他们创新开发耦合建模方法，首次构建含三维位错网络的体心立方铁（BCC-Fe）原子模型，通过分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟揭示位错网络对位移级联演化的调控机制。研究发现位错网络通过三重路径加剧辐射损伤：1）促进次级级联形成，使缺陷分布更弥散；2）作为"原子陷阱"强选择性吸收间隙原子（Biased Absorption），打破空位-间隙原子复合平衡；3）诱发高密度空位簇并钉扎1/2<111>型间隙位错环。这些效应源于位错网络引入的非均匀应力场，其梯度高达数GPa，显著改变缺陷迁移势垒。

关键技术方法
研究采用LAMMPS软件开展大规模MD模拟，关键技术包括：

1. 位错网络构建：通过Frank-Read源机制生成柏氏矢量交错的螺位错网络；
2. 级联模拟：以5 keV级联能量模拟初级撞出原子（PKA）事件，温度控制为300-700K；
3. 缺陷分析：应用Wigner-Seitz胞法量化空位/间隙原子，通过位错提取算法（DXA）表征缺陷结构；
4. 力学响应：采用动态拉伸/剪切模拟评估辐射后力学性能变化。

研究结果

1. 级联形态学转变
   位错网络使级联区体积扩大42%，诱发枝晶状次级级联，缺陷密度较完美晶体提升2.3倍。高分辨分析显示位错节点处应力集中达4.5 GPa，成为级联分叉的形核点。

2. 缺陷选择性吸收
   位错网络对间隙原子的捕获效率是空位的6.8倍。分子轨迹追踪表明间隙原子沿<111>方向以1.2 ps的超快速度被吸收，而空位在应力场驱动下聚集形成≥2 nm的稳定团簇。

3. 位错环钉扎效应
   在级联区边界观测到被位错网络钉扎的1/2<111>{110}型间隙环。这些环尺寸为3-5 nm，其柏氏矢量与网络位错发生反应形成不可动锁结结构，成为后续空洞形核的优先位点。

4. 力学性能演化
   经20次级联辐照后，位错网络模型的极限抗拉强度（UTS）仅下降7.2%，剪切强度保持率＞90%，显著优于完美晶体（强度损失＞25%）。这种反常的力学稳定性源于位错网络对塑性变形的约束效应。

5. 空位肿胀率对比
   位错网络使700K辐照后的空位肿胀率高达1.8%/dpa，较完美晶体（0.4%/dpa）提升3.5倍。空位超饱和聚集形成的纳米空洞（2-5 nm）主要分布在位错网络三角区。

结论与意义
本研究首次在原子尺度阐明位错网络作为"辐射损伤放大器"的核心机制：其通过应力梯度场调控缺陷动力学，在维持材料宏观力学性能的同时，显著加速空位肿胀进程。这一发现合理解释了工程合金中辐射肿胀率远高于单晶试样的实验现象，颠覆了"位错网络抑制辐射损伤"的传统认知。更重要的是，发现的1/2<111>间隙环钉扎机制为核材料中突发脆性断裂提供了微观解释。研究建立的位错网络-级联耦合模型填补了跨尺度模拟的关键空白，被国际同行评价为"核材料多尺度建模的新范式"。该成果直接应用于中国快中子反应堆包壳材料设计，为下一代抗辐照材料开发提供理论基石。