体心立方（bcc）Fe空位簇中应变调控的He–H相互作用：首次原理研究

《Physica B: Condensed Matter》：Strain-modulated He–H interactions in vacancy clusters of bcc Fe: A first-principles study

　　

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  研究了氦（He）、氢（H）和单轴压缩对体心立方（BCC）铁（Fe）中空位的影响。
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  氦原子占据空位中心，而氢原子则聚集在晶界附近，这一现象与应变无关。
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  总体而言，氦原子的影响比氢原子更为显著。
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  应变显著影响晶体的几何结构、空位的捕获能量以及空位的膨胀程度。
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  单轴压缩会轻微改变VacHe_nH_m团簇的电子结构。

引言

在核聚变反应堆中，结构材料会受到强烈的中子辐照、机械应力以及高温的影响，并且这些因素会持续作用[1]。在各种结构材料中，低活化 ferritic/martensitic（RAFM）钢因其优异的热性能、机械强度、低活化率以及抗辐照引起的膨胀能力而受到青睐[2],[3],[4],[5],[6]。然而，影响这些材料长期性能的一个最关键因素是氦（He）和氢（H）所导致的膨胀和协同脆化现象。这两种元素在14 MeV的中子通量下，通过(n, p)和(n, α)变反应大量产生[7],[8],[9]。由于氦和氢在铁（Fe）基体中的溶解度极低，它们倾向于聚集在晶格缺陷处，包括空位、位错和晶界[10],[11]。例如，一旦氦原子被捕获在空位中，就会形成稳定的氦-空位团簇，这些团簇会进一步吸引更多的氦和氢原子[12],[13]。此外，氦-空位团簇之间还会相互结合，这种相互作用会导致复杂气泡的形成，从而引发辐照硬化、孔洞膨胀以及机械性能的显著下降[14],[15]。

已知氦和氢的共同作用造成的损伤比它们单独作用更严重，这种现象通常被称为氦/氢的协同效应[16]。Tanaka等人的研究表明，同时辐照氦和氢离子会导致比单独辐照任一元素更大的孔洞尺寸和更显著的膨胀[17]。Jin等人进一步指出，辐照顺序对微观结构的演化有重要影响，具体而言，先辐照氦再辐照氢会导致更严重的空位聚集和气泡生长[18]。他们还观察到，先后辐照氦和氢会显著提高材料的压痕屈服应力，这表明氦和氢的协同效应增强了材料的硬化程度[19]。Huang等人指出，氦-空位复合物的形成会促进铁中氢片层的形成，这些氢片层的出现会促使铁从体心立方（BCC）结构转变为面心立方（FCC）结构，从而显著影响铁的微观结构和机械性能[20]。

机械应变会显著影响氦和氢在初次壁材料中的行为。这种应变可能来源于使用过程中的外部加载或制造过程。先前的研究表明，应变可以改变氦和氢的扩散行为、溶解能量以及与缺陷的结合特性[21]。Li等人发现，在不同的单轴拉伸和压缩应变下，氢原子更倾向于占据α-Fe中的四面体间隙位点（T位点）。他们的结果表明，拉伸应变会增加氢的溶解度，而压缩应变则会降低氢的溶解度。Zhong等人利用第一性原理计算发现，压缩应变会促进钨（W）中单空位的形成，而拉伸应变则会增强现有空位之间的相互作用[23]。Kundu等人证明，外部应力可以改变调制马氏体的相变顺序和电子结构[24]。此外，Zhou等人观察到，各向异性应变（无论其正负）都能显著提高某些BCC金属中氢的溶解度，从而促进气泡的生长[25]。基于这些发现，我们之前的研究利用第一性原理计算研究了BCC铁在单轴压缩应变作用下的氦相关缺陷的行为[26]。结果表明，随着压缩应变的增加，晶格会持续收缩；当应变达到15%时，会观察到明显的结构畸变，并且理想强度会显著下降。在存在间隙氦的情况下，这种效应更为明显。压缩应变还能增强氦原子之间的结合，并促进无缺陷铁中的团簇形成；而对于含有空位的系统，由于空位的强捕获能力，压缩应变对其影响相对较弱。此外，间隙氦的迁移障碍在压缩作用下变得具有方向性，表明应变显著改变了局部迁移环境和缺陷传输行为。这些发现突显了机械应力在调控氦-氢相互作用中的关键作用。

全面理解应力场和氦/氢的协同效应对于全面评估RAFM钢的性能和可靠性至关重要。在这项研究中，我们进行了系统性的第一性原理分析，以探讨单轴压缩应变对BCC铁中氦和氢原子协同效应的影响。通过分析不同应变条件下VacHe_nH_m复合物的几何构型、捕获能量、空位结合能量以及电子结构，本研究旨在阐明应变如何影响氦/氢诱导的缺陷演化。这些发现将有助于我们更全面地理解辐照损伤机制。

章节摘要

计算方法和模型

本研究基于密度泛函理论（DFT）进行第一性原理计算，以探讨氦和氢在单轴应变作用下的协同效应[26]。模拟使用维也纳从头算模拟包（VASP）进行，交换相关泛函采用广义梯度近似（GGA）和Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）表达式[27],[28]。考虑了Fe（3d⁷4s¹）、H（1s¹）和He（1s²）的价电子。

团簇几何结构

为了研究不同单轴压缩应变下VacHe_nH_m（n=0–6, m=0–6）团簇的结构演化，我们在0%、5%和10%的应变水平下进行了完整的原子松弛计算。每个应变水平下获得了49个优化模型，详见支持信息。图1展示了某些代表性的超胞，包括Fe₁₂₇VacHe₁H₁、Fe₁₂₇VacHe₁H₆、Fe₁₂₇VacHe₆H₁和Fe₁₂₇VacHe₆H₆。结果显示，无论应变如何，氦原子都会

结论

本研究利用第一性原理计算系统地研究了氦和氢原子在单轴压缩应变作用下对BCC铁中空位稳定性的协同效应。结果表明，应变并不影响氦或氢原子的主要占据位置。具体而言，氦原子倾向于占据空位中心，而氢原子则聚集在空位的内壁附近。然而，氦和氢原子可以显著破坏材料的各向同性应变特性。

作者贡献声明

秦琴：研究工作、数据整理。 刘一良：软件开发、资源准备、方法论设计。 吴美迪：研究工作、数据分析、形式分析。 金硕学：写作、审稿与编辑、监督、资金申请、概念构思。 华亚文：写作、审稿与编辑、监督、数据整理、概念构思。 刘轩：研究工作、数据整理。 姜思琪：研究工作、数据分析。 海 luoyao：初稿撰写、验证、研究工作、概念构思。

利益冲突声明

我们声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了深地探测和矿产资源勘探-国家重点科技项目（2025ZD1005505）、国家自然科学基金（12275298）、中央高校基本科研业务费、西南民族大学（ZYN2026053）以及中国科学院的战略先导科技专项（项目编号XDA0410000）的财政支持。本研究还利用了高性能计算平台。

Luyao Hai | Meidie Wu | Liu Yiliang | Qin Qin | Jiang Siqi | Liu Xuan | Hua Yawen | Jin Shuoxue