[論文レビュー] Effects of Applied Strain on Formation, Shape Evolution, and Reorientation of Multiphase Zirconium Hydrides: A Multiphase Field Modeling Study

Jacob Bair, Mohsen Asle Zaeem|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2017

Nuclear Materials and Properties参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、多重相フィールドモデルを用いて、外部応力がジルコニウムにおけるδ、ζ、γ水素化物の形成、形状の変化、再配列に与える影響を調査した。主な発見として、[11-20]方向への引張応力0.021または[0001]方向への圧縮応力0.018が水素化物の再配列を誘発することが判明した。また、種が15 nm間隔で配置された場合、隣接する析出相が臨界応力を0.0002まで低下させる。

ABSTRACT

A recently developed multiphase field model (Bair et al. Acta Materialia 2017) is used to study the effects of applied strain and metastable zeta and gamma hydrides on the formation and growth of the stable delta hydrides in alpha-zirconium matrix. A two-dimensional domain is considered where x-axis (hoop or circumferential direction) is in [11-20] direction and y-axis (radial direction) is in [0001] direction. Single seed simulations indicate that the intermediate phases are critical in the formation and evolution of delta phase hydrides. Hydride reorientation occurs when a tensile strain of 0.021 is applied in the [11-20] direction or a compressive strain of 0.018 is applied in the [0001] direction. Shear strain is shown to significantly reorient zeta phase hydrides before other phases of hydrides form and reorient the hydride again near the unstressed growth direction. Simulations of two seeds aligned in the [0001] direction indicate a significant influence of neighboring precipitates on the applied strain required for reorientation, reducing it to 0.0002 for both cases of tension in [11-20] direction and compression in [0001] direction when the seeds are about 15 nm from each other.

研究の動機と目的

• 外部応力下における安定なδ水素化物の形成と成長に、準安定なζおよびγ水素化物が果たす役割を理解すること。
• 異なる結晶学的方向への外部応力が、水素化物相の再配列および形態の変化に与える影響を検討すること。
• 隣接する析出相が、水素化物再配列に必要な臨界応力に与える影響を定量すること。
• 2次元ジルコニウムマトリックス内での水素化物相の再配列を引き起こす応力しきい値を特定すること。

提案手法

• 2次元多重相フィールドモデルを採用し、x軸を[11-20]方向、y軸を[0001]方向に設定した。
• モデルは、α-ジルコニウムマトリックス内での水素化物核生成と成長をシミュレートし、制御された応力条件下での相の変化を追跡する。
• [11-20]（環方向）または[0001]（径方向）方向への一軸引張応力を印けて、応力の方向的効果が水素化物再配列に与える影響を評価した。
• 析出相の距離が再配列の臨界応力に与える影響を評価するために、単一種および二重種のシミュレーションを実施した。
• δ、ζ、γ水素化物相の熱力学的および運動的パラメータをモデルに組み込み、準安定相遷移を正確に再現した。
• 剪断応力を印けて、他の相が形成される前段階でζ相水素化物がどのように事前に再配列するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 [11-20]方向への一軸引張応力下で、ジルコニウム内でのδ水素化物再配列を誘発するための臨界応力は何か？
• RQ2 [0001]方向への圧縮応力が、ジルコニウム内での水素化物相の再配列にどのように影響するか？
• RQ3 隣接する析出相が、水素化物再配列に必要な臨界応力をどの程度低減するか？
• RQ4 中間相（ζおよびγ）が、外部応力下でのδ水素化物の形成と進化にどのように寄与するか？
• RQ5 剪断応力は、他の水素化物相が形成される前にζ相水素化物を事前に再配列させる役割を果たすか？

主な発見

• [11-20]方向への引張応力0.021がジルコニウムマトリックス内での水素化物再配列を誘発する。
• [0001]方向への圧縮応力0.018も水素化物再配列を引き起こす。
• 剪断応力は、他の水素化物相が核生成する前段階でζ相水素化物を顕著に再配列させ、また、応力がかかる方向とは逆の方向でも再配列を促進する。
• 2つの水素化物種が[0001]方向に整列し、15 nmの間隔を空けて配置された場合、引張および圧縮両方の応力条件下で、再配列の臨界応力は0.0002にまで低下する。
• 隣接する析出相は強い安定化効果を示し、再配列の臨界応力しきい値を数個のオーダー低下させる。
• 中間相（ζおよびγ）は、応力下での安定なδ水素化物の形成と進化を仲介する上で極めて重要である。