基于晶体塑性有限元模型的氢化物沉淀诱导的锆合金应变局部化研究

昝晓东a, 郭翔a,*, G.J. Weng b

a天津大学，机械工程学院，天津，300354；

b罗格斯大学，机械与航空工程系，美国新泽西州新伯朗士威，08903

锆合金作为核反应堆燃料包壳材料，会不可避免地会形成氢化物。氢化物的延性低于周围的锆合金，当氢化物的体积分数达到一定程度时，将对包壳材料的完整性产生不利影响。因此，研究氢化锆合金的变形行为对于改进核燃料组件维护计划和准确预测反应堆以及随后的乏燃料储存的寿命至关重要。目前，关于氢化物及其诱导的错配应变在氢化锆合金塑性变形过程中的作用了解甚少。氢化物-锆基体两相材料的复杂微观结构为研究其非均匀变形带来了挑战。晶体塑性模型具有捕捉多相材料各向异性和局部非均匀变形行为的潜力。通过采用晶体塑性有限元方法研究氢化物及其诱导的错配应变对锆合金局部变形行为的影响，有助于深入理解氢化物及其诱导的错配应变在增强锆合金局部变形方面的作用，并有助于进一步阐明氢化锆合金的失效启动机制。

单晶微柱压缩的模拟结果表明，在包含与加载方向呈45°角的δ氢化物的微柱B中，由于在锆合金中沿氢化物-基体界面的剪切和氢化物沉淀引起的错配应变的协同作用，导致应变局部化。相反，在包含沿加载方向平行的δ氢化物的微柱P中，引入氢化物并没有增强锆合金的应变局部化，反而会阻碍局部柱面滑移。此外，对多晶试样的模拟结果显示，氢化物通过多种机制增强了锆合金中的应变局部化：沿氢化物-基体界面的剪切应力促使沿接近该界面的方向发生塑性滑移；氢化物会阻碍特定滑移带，导致局部变形不均匀；以及由氢化物沉淀引起的错配应变，促使氢化物周围发生局部塑性松弛。该研究为理解氢化锆合金失效启动机制提供了有价值的见解。

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.

通讯作者：郭翔，E-mail: xiangguo@tju.edu.cn