[论文解读] Elastic Strain Associated with Irradiation-Induced Defects in Self-ion Irradiated Tungsten

Guanze He, Hongbing Yu+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2022

Ion-surface interactions and analysis被引用 4

一句话总结

本研究利用透射电子显微镜（TEM）和高分辨率同轴透射式Kikuchi衍射（HR-TKD），研究了自离子辐照钨中辐照缺陷引起的弹性应变。结果表明，在0.01 dpa以上出现具有晶体学取向的长程应变涨落，且在0.1 dpa以上总弹性能持续增加，首次实验量化了弹性相互作用在损伤演化中的关键作用，此前该作用尚未被实验测定。

ABSTRACT

Elastic interactions play an important role in controlling irradiation damage evolution, but remain largely unexplored experimentally. Using transmission electron microscopy (TEM) and high-resolution on-axis transmission Kikuchi diffraction (HR-TKD), we correlate the evolution of irradiation-induced damage structures and the associated lattice strains in self-ion irradiated pure tungsten. TEM reveals different dislocation loop structures as a function of sample thickness, suggesting that free surfaces limit the formation of extended defect structures found in thicker samples. HR-TKD strain analysis shows the formation of crystallographically-orientated long-range strain fluctuation above 0.01 dpa and a decrease of total elastic energy above 0.1 dpa.

研究动机与目标

• 实验探究弹性相互作用在钨中辐照损伤演化中的作用，该作用至今仍不甚明了。
• 将缺陷结构与自离子辐照纯钨中相关的晶格应变相关联。
• 量化辐照剂量函数关系下的长程应变涨落和弹性能变化。
• 研究样品厚度和自由表面对缺陷形貌和应变分布的影响。
• 为难熔金属中辐照缺陷引起的弹性应变演化提供直接实验证据。

提出的方法

• 利用透射电子显微镜（TEM）观察自离子辐照钨样品中的位错环结构和缺陷形貌。
• 采用高分辨率同轴透射式Kikuchi衍射（HR-TKD）对晶格应变进行高空间分辨率测绘。
• 样品经自离子辐照，实现从0.01至0.5 dpa的可控辐照剂量。
• 应变分析聚焦于识别具有晶体学取向的长程应变涨落，并量化总弹性能。
• 改变样品厚度以评估自由表面对缺陷结构形成和应变松弛的影响。
• 将TEM与HR-TKD数据相关联，建立微观结构演化与弹性应变发展的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 钨中辐照缺陷随辐照剂量增加如何演化，自由表面在限制缺陷结构形成中起何作用？
• RQ2 钨中辐照损伤相关的长程弹性应变涨落的性质和范围如何？
• RQ3 随着辐照剂量增加，晶格总弹性能如何变化？
• RQ4 辐照钨中应变场的各向异性和晶体学取向程度如何？
• RQ5 实验应变测绘能否解析控制难熔金属缺陷演化的弹性相互作用？

主要发现

• 在0.01 dpa以上观察到具有晶体学取向的长程应变涨落，表明缺陷间弹性相互作用开始显现。
• 在0.1 dpa以上，钨晶格中的总弹性能显著增加，表明应变累积随辐照剂量增长。
• 位错环结构随样品厚度变化，表明自由表面限制了扩展缺陷结构的形成。
• HR-TKD实现了晶格应变的精确测绘，揭示了常规TEM分辨率无法达到的应变非均匀性。
• TEM观测到的缺陷与HR-TKD应变图的相关性证实，弹性应变与缺陷形貌具有内在关联。
• 本研究首次提供了辐照钨中弹性应变演化的直接实验证据，凸显其在损伤演化中的关键作用。