Effects of helium concentration on defect evolution and mechanical properties in single-crystal iron: Laws and microscopic correlation mechanisms
Year: 2025
Type: article
Abstract: 理解原子尺度下氦浓度对低活化钢缺陷演化和力学性能的内在关联是设计兼具优异抗肿胀和抗脆化性能聚变材料的关键。本文通过分子动力学模拟研究氦浓度对单晶铁的影响。结果表明NHe<3.0%时，弗伦克尔缺陷对（Frenkel Pairs, FPs）数量都表现为线性增长至峰值后稳定；而当NHe≥3.0%，间隙大团簇的形成会吸收间隙原子长大并降低湮灭速率，导致FPs数量二次增长，被空位环绕后，不再阻碍复位，数量二次稳定。当NHe增加到3.0%时，单晶铁的弹性模量，屈服强度和韧性分别下降了21%、88%和57%，此后氦浓度增加，力学性能不再降低。这是由于NHe<3.0%时，随着氦浓度上升，氦致缺陷增多，导致韧性降低，促进位错形核，使弹性模量和屈服强度下降；而当NHe≥3.0%时，初始缺陷存在位错，且团簇数量变化甚微，韧性不再降低，不影响位错形核，弹性模量和屈服强度随之稳定。NHe=3.0%时出现的大团簇阻碍滑移系滑移，改变滑移平面方向，削弱主滑移系作用，导致小滑移带增多，塑性变形机制由交滑移转变为滑移带相遇后分解为离散位错和点缺陷。研究揭示了氦浓度对单晶铁缺陷演化及力学性能的影响规律和关键机制，为聚变铁基材料设计提供理论依据。
Source: Acta Physica Sinica
Authors: Lusheng WANG, Liang SHEN, Long LUO, Yanhong PENG, Guoping YANG, Han ZHAO, Jun DING
Language: English
Subfield: Materials Chemistry
Field: Materials Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: diamond
OpenAlex ID: W7091286811