揭示面心立方结构中位错环形态特征与间隙/空位本质的关联机制

为破解这一难题，国外研究团队通过系统实验与模拟，揭示了面心立方(fcc)金属中Frank位错环形态与本质的普适关联规律。研究发现：圆形Frank环在所有fcc材料中均为间隙型；而多边形（如六边形）环在高堆垛层错能(SFE)合金（如Ni、Al）中必为空位型，在低SFE材料（如Cu、Au）和高熵合金(HEA)中则可能为混合型。该研究通过离子/电子辐照实验结合分子动力学(MD)模拟，发现空位环的多边形特征源于a₀/3<111>位错分解为a₀/6<112> Shockley不全位错和a₀/6<110> stair-rod位错，这种分解能显著降低体系能量；而间隙环需外力刺激才能触发位错运动。相关成果以封面论文形式发表于《Science Advances》。

关键技术方法包括：1) 采用2-MeV Fe⁺和5-MeV Ni²⁺离子辐照Ni基合金及HEA（Cr₁₆Fe₃₇Mn₁₃Ni₃₄等）；2) 利用TEM弱束暗场(WBDF)和动力学明场(KBF)技术结合"内外衬度法"鉴定位错环本质；3) 基于EAM势函数的MD模拟计算不同形状Frank环形成能；4) 4D-STEM应变映射验证位错环应力场分布。

主要研究结果：

1. 辐照Ni中空位型Frank环的形貌特征
   通过510°C自离子辐照Ni样品，发现空位型Frank环呈现典型六边形，其棱边平行<110>方向。TEM衬度分析结合立体投影证实，这种多边形构型源于位错线沿低指数晶向的择优排列。

2. 间隙型Frank环在Ni与HEA中的形貌
   电子辐照Ni（450°C）和Fe离子辐照HEA（550°C）中，间隙型Frank环主要呈圆形/椭圆形。值得注意的是，在低SFE的HEA（ES1）中部分间隙环出现分段特征，提示SFE对形态的影响。

3. fcc材料中Frank环的形态-本质关联
   综合文献数据建立关联图谱：高SFE材料（Al/Ni/ASS）中多边形环必为空位型；低SFE材料（Cu/Au）和HEA中该关联具有变异性。MD模拟显示六边形空位环的形成能最低，而间隙环则以圆形最稳定。

4. 位错分解驱动的形态演化机制
   MD模拟揭示空位环形成时，局部高剪切应力触发a₀/3<111>位错分解为Shockley不全位错和stair-rod位错，这种自发分解导致多边形构型。而间隙环的应力场集中于层错面内部，需外部能量（如高温）才能诱发分解。

5. SFE对关联规律的影响
   通过γ_isf/γ_usf（本征/非稳态SFE比值）分析发现：低比值材料（如Cu, γ_isf=45 mJ/m²）更易发生位错分解，导致间隙环也可能呈现多边形；而HEA虽本征SFE低，但因非稳态SFE极高（>400 mJ/m²），多数间隙环仍保持圆形。

这项研究建立了fcc材料位错环形态判据的"指纹图谱"，首次从能量学角度阐明间隙/空位环的形貌不对称性。其重要意义在于：1) 为辐照损伤研究提供单张TEM图像即可鉴定位错环本质的高效方法；2) 修正了"辐照位错环均为间隙型"；3) 揭示SFE通过调控位错分解影响缺陷演化的新机制；4) 为设计抗辐照材料（如核用HEA）提供理论指导。该发现可能推广至hcp等其它晶体结构，为理解材料辐照损伤开辟新视角。