引文格式：

背景简介

锆合金因其优异的综合性能，如低中子吸收截面、高抗腐蚀性、优良的机械性能和蠕变抗性，被广泛应用于压水堆（PWR）燃料包壳中，作为核反应堆的关键材料。服役工况下，燃料包壳管常受到复杂的多轴应力作用，包括内部压力、热机械载荷以及中子辐照引起的变形等。密排六方（HCP）结构锆合金的力学行为往往呈现出显著的非线性和各向异性特征。

多轴应力条件下锆合金的棘轮变形行为对其服役安全性至关重要。棘轮变形是指在循环应力加载条件下，材料发生的不可逆塑性变形逐步累积的现象。近期，天津大学陈刚教授团队通过试验研究澄清了锆合金包壳管的多轴棘轮行为，提出了考虑孪晶-退孪晶机制的随动强化本构模型，实现了对多轴棘轮变形行为的准确描述，为锆合金包壳结构的结构完整性评价提供了数据依据与理论指导。研究成果发表在International Journal of Plasticity。

成果介绍

（1）进行了锆合金包壳管在 648 K 温度下的轴向拉压循环-恒定内压的单/多轴棘轮试验，重点研究了轴向平均应力、应力幅值和内压对棘轮变形行为的影响。发现了以下异常现象：i）在对称单轴循环加载条件下，出现负轴向蠕变应变累积（图1（a））。ii）在某些多轴加载条件下，轴向棘轮应变累积方向在若干循环圈数后由负向变为正向（图1（b））。

图1 （a）单轴棘轮试验中零应力均值下产生负轴向棘轮应变累积；（b）多轴棘轮试验（σ_h = 50, 75 MPa）中轴向棘轮应变累积方向在若干循环圈数后由负向变为正向（实线为提出模型的预测结果，虚线为OW模型结果）

（2）常用的随动强化本构模型，如Armstrong-Frederick模型（AF模型），Chaboche模型，Ohno-Wang模型（OW模型）等，是初始各向同性与拉压对称的，不能对上述异常棘轮行为进行合理描述。本工作中，首先基于经典的AF模型提出了一种一般化的随动强化模型框架。在背应力α的演化中引入其临界面中心β的移动的影响，以解耦初始屈服条件与随动强化的非对称性和各向异性，同时为多轴棘轮行为的描述提供更强的灵活性。

由于HCP锆合金包壳管的微观织构特点与其所受的多轴循环载荷形式，{10-12}拉伸孪晶是除滑移外的重要微观变形协调机制。通过定性考虑孪生-退孪生机制对棘轮行为的影响，包括随循环进行残余孪晶累积速率的下降与Schmid定律对孪晶启动的影响，具体的确定了上述β变量的演化形式。与AF模型相比，提出的模型只引入了3个额外的材料参数，并易于由单轴棘轮试验进行确定。通过仅引入孪生-退孪生机制对锆合金包壳棘轮行为的影响，合理地同时描述了上述两种锆合金包壳的异常棘轮行为（图2、图3）。

图2 锆合金包壳的微观织构与不同内压条件下{10-12}拉伸孪晶的分切应力分布

图3 提出的本构模型与数值积分算法

致谢

该研究工作得到了国家重点研发计划(No. 2020YFA0405901)、国家自然科学基金(Nos. 52375155，51875398)、中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室、天津大学浙江研究院的支持。本文第一作者：Zuoliang Ning (Tianjin University)，通讯作者：天津大学陈刚教授(agang@tju.edu.cn)，郭翔副教授(xiangguo@tju.edu.cn)，石守稳副教授(swshi@tju.edu.cn)。

本期小编 李兵兵（整理）
姚辰霖（校对）
郭子键（审核）

董乃健（发布）