材料遭受高能粒子（如中子、离子）辐照时，会生成空位-自间隙原子缺陷对，即“辐照损伤”。这些缺陷经过长时间的扩散、聚集和复合等形成缺陷团簇、空洞等，使材料的力学、热学等性能退化，如肿胀、脆化等。近年来人们在实践中发现纳米晶金属具有较佳的抗辐照损伤性能。针对纳米晶的“辐照损伤自修复”现象人们先后提出了几种微观机理。其中主流的观点认为这与纳米晶中具有高体积分数的晶界吸收辐照缺陷有关，因为晶界通常作为各种类型的缺陷的“阱”。然而这种观点解释不了部分实验结果：在较低温度实验条件下活性低的空位尚未被激活时，纳米晶相对于大块多晶材料依然表现出抗辐照特性。近年理论模拟发现辐照过程中优先偏聚在晶界处的自间隙原子可以重新发射出来，复合晶界附近的空位。这种“自间隙发射”机理能够在较低温度下工作，解释了纳米晶的低温抗辐照损伤特性。然而这种机理却较难理解，因为通常自间隙原子由于与晶界有较大的结合能，而很难从晶界“缺陷阱”发射出来。特别是晶界内部的原子过程对修复辐照损伤起到何种作用尚未引起关注。
科研人员采用自主开发的一套纳米晶材料辐照损伤跨尺度模拟程序（综合分子动力学、静态计算和实体动力学蒙特卡洛方法），系统地考察了铁纳米晶中辐照点缺陷与晶界基本相互作用的跨尺度演化。重点关注块体和晶界内部的缺陷扩散、复合过程及其之间的耦合作用。研究发现，铁纳米晶抗辐照性能与其晶界附近和内部耦合的辐照缺陷偏聚、复合过程有关（图1和2）。当自间隙原子处于块体或晶界附近时，在其周围均形成空位-自间隙低能垒复合湮灭区域，有利于空位-自间隙复合。复合湮灭涉及两个基本的耦合过程。在自间隙原子和空位偏聚到晶界前，它们在块体中复合了相当高的比例。未在块体中复合的自间隙原子偏聚至晶界处，以沿晶扩散、巡游的方式复合晶界附近的空位，而不必发射出去。这两种机理均能在低温下起作用。该工作给出了铁纳米晶微观和宏观的辐照损伤自修复图像，如图3所示。
该研究工作得到国家磁约束聚变项目、中科院战略先导专项、国家自然科学基金项目、国际原子能机构（IAEA）国际合作项目和合肥大科学中心等项目的资助。
【文章情况】
成果论文发表在Acta Materialia (2016,109,115-127)
题目：Radiation resistance of nano-crystalline iron: Coupling of the fundamental segregation process and the annihilation of interstitials and vacancies near the grain boundaries
链接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645416301021
详细数据支持结果发表在 Data in Brief (2016,7,798-813)
题目：Energetic and kinetic dataset on interaction of the vacancy and self-interstitial atom with the grain boundary ina-iron
链接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352340916301603
图1. 分子动力学（molecular dynamics，MD）模拟1000K时铁∑5(310)/[001]倾侧对称晶界附近辐照缺陷产生与演化过程。(a)和(b)给出了初级碰撞原子（PKA）能量3keV，分别距晶界52和23Å的情形。(c)给出了辐照产生的间隙(SIA）、空位(V)与晶界基本相互作用过程。包括间隙原子和空位在块体区域的扩散、复合过程1，在晶界附近偏聚过程2和2’，晶界附近复合过程3和3’，以及在晶界内部扩散、复合过程4。刻画这些过程的参数有激活能(Ea)和相应的激活温度(Ta)、偏聚能(Eseg)和晶界与缺陷作用范围(W)。在(a)和(b)中原子用其势能着色，颜色范围从蓝到红对对应势能最小和最大值。标出的时刻时间单位为皮秒。
图2. 静态计算（molecular statics，MS）考察0K下辐照缺陷与晶界基本相互作用的能量学和动力学性质。（a）块体中（b-d）晶界附近和内部。（d）表明自间隙（SIA）和空位（V）在块体、晶界附近和内部具有不同的“激发能级”，然而复合湮灭均释放大量能量。说明空位-自间隙复合具有多条可能的路径。
图3.合有限温度下MD模拟、 0K下MS计算和OKMC模拟计算给出的辐照缺陷与晶界作用导致辐照损伤自修复图像。图中过程编号与图1(c)一致。绿色球代表自间隙原子；红色立方体代表空位。围绕绿色球的红色椭球代表间隙原子周围形成的空位-间隙低能垒复合湮灭区域。
