近日，上海交通大学巴黎卓越工程师学院陈良副教授联合团队通过开发预辐照+原位二次辐照技术，成功实现了高剂量辐照下位错环动态演化的原位观测，该工作首次发现了反应堆压力容器材料中的非刃型位错环，并揭示了一种由位错环分裂与挤列迁移主导的惯习面转变机制，同时阐明了位错环通过一维迁移大环吃小环的规律，进而系统解析了合金元素对位错环形成与生长的影响机制。相关成果以“In situ irradiation study of orientation and dynamics of dislocation loop defects in Fe-based alloys”为题，发表于材料领域顶级期刊International Journal of Plasticity。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104659
上海交通大学为论文第一单位，巴黎卓越工程师学院陈良副教授为论文唯一第一作者、唯一通讯作者。研究工作获得了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中核集团科研项目以及上海交通大学全球倡议基金的资助。
成果速览
核反应堆关键材料在极端服役环境下的可靠性评估与寿命预测，已成为保障核能安全发展、长远发展的核心问题，也是提升反应堆运行经济性的关键所在。辐照产生的纳米尺寸位错环的动态演化是控制反应堆结构材料长时服役下宏观力学性能的重要因素。位错环由点缺陷团簇构成，会出现一维迁移现象，而且，不同取向的位错环所具有的劣化能力也不相同，然而，位错环尺寸与取向动态耦合演化方面仍缺乏机制性的理解。
研究团队采用二次辐照技术，聚焦辐照缺陷在长时演化基础上的后续短时演化行为，首先，使用块体样品进行高剂量、高温预辐照，产生位错环等辐照缺陷；然后，使用聚焦离子束从预辐照后的块体样品中制备透射电镜薄膜样品，通过开发一种毫秒级电化学闪抛技术及装置，完全去除了聚焦离子束在样品制备中引入的损伤层，避免了与预辐照产生的缺陷混淆；最后，使用加速器-透射电镜联机设施对薄膜样品追加高温条件下二次离子辐照，同时利用电子束实现了对高剂量预辐照产生的位错环在二次辐照下动态演化的原位观测，建立了辐照、高温等物理场作用下位错环一维迁移、尺寸与取向演化的分析技术。
本研究使用反应堆压力容器模型合金，对材料中Ni、Mn成分设定控制变量。研究首次在其中发现了非刃型1/2<111>位错环，而<100>位错环则为纯刃型，并揭示了位错环惯习面转变的新机制。借助该机制，1/2<111>{110}位错环首先分裂形成两个小位错环1/2<111>{110}和1/2<111>{111}，随后，通过位错环挤列的一维迁移，1/2<111>{110}位错环逐渐被1/2<111>{111}位错环完全吸收，实现位错环惯习面的转变。同时，研究观测到位错环可以通过吸收自由迁移缺陷线性生长，也可以通过一维迁移合并生长。合并生长驱动了位错环的一维迁移，在此过程中大环吃小环，保持大环的柏氏矢量不变，打破了柏氏矢量守恒定律。研究进而解析了合金元素对位错环吸收自由迁移缺陷能力、自由迁移缺陷浓度、辐照缺陷扩散的影响规律，发现其中Ni的主导作用为提高自由迁移缺陷浓度，而Mn的主导作用为阻碍辐照缺陷扩散，阐明了Ni 促进位错环形成与生长而Mn 抑制位错环生长的规律与机制。该研究为部件材料服役行为模型开发，以及材料成分设计与评价提供了理论依据和实验支撑。
图1:预辐照后、原位辐照开始（0dpa）时与原位辐照至0.15dpa时样品同一区域的TEM图像：(a)-(c) Fe-0.6Ni、(d)-(f) Fe-1.4Mn、(g)-(i) Fe-0.6Ni-1.4Mn
图2:原位辐照下不同成分合金中位错环生长速率
图3:原位辐照下Fe-0.6Ni-1.4Mn合金中位错环惯习面变化过程：(a1) 0.02 dpa、(a2) 0.03 dpa、(a3) 0.05 dpa、(a4) 0.06 dpa、(a5) 0.12 dpa时TEM图像， (b) 位错环所包含的缺陷总量
图4:原位辐照下Fe-0.6Ni合金中<100>位错环一维迁移过程：(a1-a3)、(b1-b3) TEM图像与示意图，(c) 位错环直径变化
来源｜科研办
文图｜陈良
排版｜谭笑
责编｜付雅宁