基于晶體塑性有限元模型的氫化物沉淀誘導的鋯合金應變局部化研究

昝曉東a, 郭翔a,*, G.J. Weng b

a天津大學，機械工程學院，天津，300354；

b羅格斯大學，機械與航空工程系，美國新澤西州新伯朗士威，08903

鋯合金作為核反應堆燃料包殼材料，會不可避免地會形成氫化物。氫化物的延性低于周圍的鋯合金，當氫化物的體積分數達到一定程度時，將對包殼材料的完整性產生不利影響。因此，研究氫化鋯合金的變形行為對于改進核燃料組件維護計劃和準確預測反應堆以及隨后的乏燃料儲存的壽命至關重要。目前，關于氫化物及其誘導的錯配應變在氫化鋯合金塑性變形過程中的作用了解甚少。氫化物-鋯基體兩相材料的復雜微觀結構為研究其非均勻變形帶來了挑戰。晶體塑性模型具有捕捉多相材料各向異性和局部非均勻變形行為的潛力。通過采用晶體塑性有限元方法研究氫化物及其誘導的錯配應變對鋯合金局部變形行為的影響，有助于深入理解氫化物及其誘導的錯配應變在增強鋯合金局部變形方面的作用，并有助于進一步闡明氫化鋯合金的失效啟動機制。

單晶微柱壓縮的模擬結果表明，在包含與加載方向呈45°角的δ氫化物的微柱B中，由于在鋯合金中沿氫化物-基體界面的剪切和氫化物沉淀引起的錯配應變的協同作用，導致應變局部化。相反，在包含沿加載方向平行的δ氫化物的微柱P中，引入氫化物并沒有增強鋯合金的應變局部化，反而會阻礙局部柱面滑移。此外，對多晶試樣的模擬結果顯示，氫化物通過多種機制增強了鋯合金中的應變局部化：沿氫化物-基體界面的剪切應力促使沿接近該界面的方向發生塑性滑移；氫化物會阻礙特定滑移帶，導致局部變形不均勻；以及由氫化物沉淀引起的錯配應變，促使氫化物周圍發生局部塑性松弛。該研究為理解氫化鋯合金失效啟動機制提供了有價值的見解。

Zan XD et al. Hydride-enhanced strain localization in zirconium alloy: A study by crystal plasticity finite element method, Int. J. Plasticity, 2024, 174: 103911.

通訊作者：郭翔，E-mail: xiangguo@tju.edu.cn