[论文解读] Grain Boundary Softening from Stress Assisted Helium Cavity Coalescence in Ultrafine-Grained Tungsten

W. S. Cunningham, Y. Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2023

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一句话总结

本研究表明，在高温和低注量条件下，超细晶粒钨的晶界软化源于应力辅助的氦空洞聚集，其中晶界处优先形成气泡，导致局部塑性变形。原子尺度模拟证实，应力集中驱动协同变形机制（如原子重排、位错发射和不稳定孪生），加速空洞聚集并降低硬度。

ABSTRACT

The formation of helium cavities in coarse-grained materials produces hardening proportional to the number density and size of the cavities and due to the interaction of dislocations with intragranular helium defects. In nanostructured metals containing a high density of interfacial sinks, preferential cavity formation on the grain boundaries instead produces softening and often attributed to enhanced interfacial plasticity. Employing two grades of ultrafine-grained tungsten, we explore this effect using targeted implantation studies to map cavity evolution as a function of the irradiation conditions and quantify its impact on the mechanical response through nanoindentation. Softening is reported at implantation temperatures above the threshold for preferential grain boundary cavity formation but at a sufficiently low fluence prior to the growth of intragranular cavities. Collective changes in the mean cavity size, density, and morphology beneath a residual impression on an implanted surface indicate that cavity coalescence accompanied the reduction in hardness. Complementary atomistic simulations demonstrate that, in tungsten grain structures exhibiting softening, grain boundary bubble coalescence is driven by stress concentrations that further act to localize strain in the grain boundaries through cooperative deformation processes involving local atomic shuffling and sliding, dislocation emission, and even the nucleation of unstable twinning events.

研究动机与目标

• 研究超细晶粒钨在氦离子注入下的力学软化机制。
• 确定晶界在辐照条件下氦泡成核与演化中的作用。
• 将观测到的硬度降低与空洞聚集和形貌演化等微观结构变化相关联。
• 通过模拟阐明原子尺度下晶界处局部塑性变形的驱动机制。
• 通过纳米压痕和注入实验量化软化起始的阈值条件（温度、注量）。

提出的方法

• 对两种超细晶粒钨样品进行靶向氦离子注入，以控制注量和温度。
• 通过纳米压痕测量不同辐照条件下硬度的变化。
• 利用透射电子显微镜（TEM）分析压痕表面下方的空洞尺寸、密度和形貌。
• 采用原子尺度模拟模拟晶界处应力驱动的空洞聚集及变形机制。
• 追踪平均空洞尺寸、密度和形状的集体变化，以与力学软化相关联。
• 分析应力集中对晶界塑性的影响，包括位错发射和孪生成核。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种温度和注量下，超细晶粒钨中的晶界软化成为主导机制？
• RQ2 晶界处的应力集中如何影响氦空洞聚集和塑性变形？
• RQ3 在空洞聚集过程中，哪些原子尺度变形机制（如位错发射、孪生）被激活？
• RQ4 为何晶界处氦的富集导致软化而非硬化，与粗晶材料中的行为相反？
• RQ5 压痕表面下方空洞形貌和密度的变化如何与测得的硬度降低相关？

主要发现

• 在高于优先晶界空洞形成阈值温度但注量较低（晶内空洞尚未形成）的条件下，观察到超细晶粒钨的软化。
• 硬度降低与压痕区域下方平均空洞尺寸、密度及形貌变化的集体增加直接相关。
• 原子尺度模拟表明，晶界处的应力集中驱动空洞聚集，并促进涉及局部原子重排、位错发射和不稳定孪生成核的协同变形。
• 晶界软化归因于增强的界面塑性，与粗晶材料中因晶内缺陷相互作用通常导致的硬化形成对比。
• 软化起始与界面应变局域化现象同时出现，表明从缺陷强化机制向缺陷软化机制的转变。
• 发现空洞聚集是导致观测到的力学软化的主要机制，而非孤立气泡生长或位错钉扎。