背景简介

锆合金以其高强度、耐腐蚀和低热中子俘获截面等优点而被广泛应用于核反应堆燃料包壳材料。核反应堆部件的完整性对确保核反应堆的安全运行和经济效益至关重要。然而，锆合金中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。氢化物是核反应堆中锆合金部件局部损伤的源头，因此研究氢化锆合金的变形行为对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两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。

成果介绍

（1）对比研究了三种不同类型（不含氢化物的锆合金微柱、含氢化物但无错配应变的锆合金微柱、含氢化物同时考虑错配应变的锆合金微柱）的微柱B（有利于基面滑移）的压缩变形行为。正如实验所展示的，模拟结果同样表明基面滑移主导了微柱B的塑性变形。氢化物的加入显著增强了微柱B的应变局部化，而错配应变进一步放大了这种增强效果（图1(a-c)）。局部化的塑性应变带主要出现在氢化物-基体的下界面，与实验观察到的现象（图1(e)）相一致。

图1 微柱B的等效塑性应变分布的三维和横截面视图：(a) 无氢化物，(b) 含有氢化物，(c) 含有氢化物并考虑错配应变。微柱B变形后的SEM图像：(d) 无氢化物，(e) 含有氢化物。

（2） 对比研究了三种不同类型（不含氢化物的锆合金微柱、含氢化物但无错配应变的锆合金微柱、含氢化物同时考虑错配应变的锆合金微柱）的微柱P（有利于柱面滑移）的压缩变形行为。与实验一致（图2(g)），模拟结果同样表明柱面滑移主导了微柱P的塑性变形。不同于微柱B，氢化物的加入并没有增强微柱P的应变局部化，氢化物会在一定程度上阻碍局部滑移（图2(a-f)），这些结果也被实验现象所反映（图2(h)）。氢化物对锆基体局部滑移的增强或阻碍本质上取决于滑移面与氢化物间的几何关系。

图2 微柱P中P2滑移系的累积滑移分布的三维和横截面视图：(a, d) 无氢化物, (b, e) 含有氢化物, (c, f) 含有氢化物并考虑错配应变。微柱P变形后的SEM图像：(g) 无氢化物, (h) 有氢化物。

（3）图3(a-c)和(d-f)展示了在15%拉伸应变下三个试样的等效塑性应变和Mises应力分布。在图3(a)-(c)中，所有试样都展示了与加载方向大约呈45°角的塑性变形带。然而，不同试样的局部塑性变形程度存在明显差异。与纯锆合金试样（图3(a)）相比，含氢化物的锆合金试样（图3(b)和(c)）表现出更高水平的局部塑性变形。值得注意的是，在含氢化物的试样中，氢化物内的塑性变形明显低于基体内的变形。尽管图3(b)中的锆基体内的等效塑性应变分布整体上类似于图3(c)，但在氢化物周围，由于错配应变的影响，等效塑性应变大小有非常明显的差异。在氢化试样中，应力集中现象比纯锆试样更为普遍。错配应变进一步增强了氢化物及其周围的锆基体内的应力集中。正如图4所示，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。

图3 多晶锆合金的等效塑性应变（a-c）和Mises应力（d-f）分布：(a, d) 无氢化物, (b, e) 含有氢化物, 以及 (c, f) 含有氢化物并考虑错配应变。

图4 (a)局部区域内的等效塑性应变的演化，(b) G1-G7区域内等效塑性应变的分布，(c) G1-G7区域内P1、P2和P3滑移系的累积滑移分布，(d) 局部区域内由HRDIC获得的最大剪切应变分布。

致谢

该研究工作得到了国家重点研发计划（no. 2018YFC0808800）以及美国国家自然科学基金（no. CMMI-1162431）的支持。本文通讯作者：郭翔（天津大学）。

本期小编：郭　翔（整理）

昝晓东（整理）

闵　琳（发布）