Zan X D, Guo X, Weng G J. Simulation of fracture behaviors in hydrogenated zirconium alloys using a crystal plasticity coupled phase-field fracture model[J]. International Journal of Plasticity, 2025, 188: 104304.
Zan, X. D., X. Guo, and G. J. Weng. "Simulation of fracture behaviors in hydrogenated zirconium alloys using a crystal plasticity coupled phase-field fracture model." International Journal of Plasticity 188 (2025): 104304.
Zan, X. D., Guo, X., & Weng, G. J. (2025). Simulation of fracture behaviors in hydrogenated zirconium alloys using a crystal plasticity coupled phase-field fracture model. International Journal of Plasticity, 188, 104304.
背景简介
锆合金因其高强度、优异的耐腐蚀性和低热中子俘获截面，被广泛应用于核反应堆的燃料包壳材料。燃料包壳的完整性对核反应堆的安全运行和经济效益至关重要。然而，在服役过程中，锆合金不可避免地会吸氢并形成氢化物沉淀。由于氢化物的延性远低于锆基体，当其体积分数达到一定程度时，将对包壳材料的力学性能和结构完整性产生不利影响。因此，深入研究氢化物对锆合金断裂行为的影响，对优化核燃料组件的维护策略，以及准确预测反应堆服役寿命和乏燃料储存寿命具有重要意义。
尽管已有研究探讨氢化物在锆合金氢脆过程中的作用，但氢化物沉淀诱导的错配应变对断裂行为的影响仍未完全厘清。此外，氢化物-锆基体构成的两相微观结构复杂（图1(a)），给断裂行为的研究带来了挑战。晶体塑性耦合相场断裂模型结合了晶体塑性模型对各向异性变形行为的描述能力和相场断裂模型对复杂断裂模式的刻画能力。因此，采用该模型研究氢化锆合金的断裂行为，将有助于深入理解其微观断裂机制。
成果介绍
（1）本研究利用晶体塑性耦合相场断裂模型，分别模拟了多晶锆合金、不考虑错配应变的多晶氢化锆合金以及考虑错配应变的多晶氢化锆合金的拉伸断裂过程。结果表明，氢化锆合金的韧性明显低于纯锆合金，而错配应变的存在会进一步加剧氢化锆合金的脆化（图1(b)）。相比于不考虑错配应变的情况，错配应变的引入使得氢化物内部更早萌生裂纹，并导致裂纹在氢化物内快速扩展，形成长的氢化物裂纹。此外，裂纹更倾向于沿垂直于加载方向的路径贯穿整个氢化物（图2）。这一机制使得在考虑错配应变时，氢化锆合金在较低的应变下便出现优势主裂纹，导致在整体微结构断裂前，仅有少量区域承担变形，进而显著降低了材料的延性。
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图1 (a) 锆合金中的氢化物分布；(b) 不同配置下锆合金的应力-应变响应
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图2 拉伸过程中氢化锆合金的等效塑性应变分布：(a) 不考虑错配应变；(b) 考虑错配应变
（2）对比分析两种不同氢化物取向（环向和径向）的氢化锆合金的损伤与断裂演化过程，结果表明，环向氢化物和径向氢化物导致的微观断裂特征存在显著差异（图3、图4）。在含有环向氢化物的试样中，氢化物内部容易形成孔洞，导致韧性断裂，其断裂模式主要由孔洞的成核及孔洞间的相互融合主导。而在含径向氢化物的试样中，裂纹往往沿氢化物内扩展并形成长的氢化物裂纹，导致脆性断裂，其断裂模式主要由氢化物裂纹的萌生及基体剪切带诱导的不稳定裂纹扩展主导。这种微观断裂机制的差异，使得含径向氢化物的试样表现出显著低于含环向氢化物试样的延性。
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图3 (a) 含环向氢化物的锆合金在拉伸过程中的等效塑性应分布；(b) 加载应变为10.2%的相场损伤变量分布；(c) 加载应变为10.2%的拉伸方向应力分布
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图4 含径向氢化物的锆合金在拉伸过程中的等效塑性应分布
（3）进一步研究了不同氢化物体积分数对氢化锆合金拉伸断裂行为的影响。结果表明，氢化物体积分数的增加会显著降低锆合金的延性，尤其是对于含径向氢化物的试样，随着氢化物含量的增加，其延性和韧性均呈现显著下降的趋势（图5）。
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图5 氢化锆合金的应力-应变曲线：(a) 环向氢化物试样；(b) 径向氢化物试样
本研究揭示了氢化物沉淀诱导的错配应变在锆合金氢脆机制中的关键作用，并系统探讨了氢化物取向和体积分数对微观断裂行为的影响。这些结果为优化核燃料包壳材料的设计提供了理论支持，同时也为精确模拟氢化锆合金的断裂行为提供了可靠的建模工具。
致谢
该研究工作得到了国家重点研发计划（no. 2018YFC0808800）以及中国国家自然科学基金（no. 52475162）的支持。本文第一作者：X.D. Zan（天津大学），本文通讯作者：郭翔（天津大学）。
本期小编 郭 翔（整理）
董乃健（校对）
程 航（审核）
董乃健（发布）
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