[논문 리뷰] 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)|2017. 06. 04.

Nuclear Materials and Properties참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다상장 모델을 사용하여 외부 응력이 지르코늄에서 델타, 제타, 감마 수소화물의 형성, 형태 변화 및 재정렬에 미치는 영향을 조사한다. 주요 발견은 [11-20] 방향에서 인장 응력 0.021 또는 [0001] 방향에서 압축 응력 0.018가 수소화물의 재정렬을 유도하며, 씨앗 간 거리가 15 nm일 경우 인접한 침전상이 임계 응력 값을 0.0002로 감소시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외부 응력 하에서 안정한 델타 수소화물의 형성과 성장을 이끄는 준안정상 제타 및 감마 수소화물의 역할을 이해하기 위해.
• 다양한 결정학적 방향에서의 외부 응력이 수소화물 상의 재정렬 및 형태 변화에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 이웃한 침전상이 수소화물 재정렬을 위한 임계 응력에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 이중 지르코늄 행렬에서 수소화물 상의 재정렬을 유도하는 응력 한계를 규명하기 위해.

제안 방법

• x축을 [11-20] 방향에, y축을 [0001] 방향에 맞춘 2차원 다상장 모델을 사용한다.
• 모델은 응력 조건을 통제하면서 알파-지르코늄 기질 내 수소화물 핵형성과 성장을 시뮬레이션하며, 상의 진화를 추적한다.
• [11-20] (환방) 또는 [0001] (경방) 방향으로 단축 응력을 가하여 수소화물 재정렬에 대한 방향성 영향을 평가한다.
• 침전상 간 거리가 미치는 영향을 평가하기 위해 단일 씨앗 및 이중 씨앗 시뮬레이션을 실시한다.
• 델타, 제타, 감마 수소화물 상의 열역학적 및 동역학적 파rameter를 모델에 통합하여 준안정 상 전이를 정확히 반영한다.
• 다른 상들이 형성되기 이전에 제타 상 수소화물의 사전 재정렬에 기여하는 전단 응력의 역할을 평가하기 위해 전단 응력을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 [11-20] 방향에서 단축 응력을 가했을 때 델타 수소화물 재정렬을 유도하기 위한 임계 응력은 얼마인가?
• RQ2 [0001] 방향에서의 압축 응력은 지르코늄에서 수소화물 상의 재정렬에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이웃한 침전상은 수소화물 재정렬을 위한 임계 응력 요구량을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 중간 상(제타 및 감마)은 외부 응력 하에서 델타 수소화물의 형성과 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다른 수소화물 상들이 형성되기 이전에 전단 응력은 제타 상 수소화물의 사전 재정렬에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• [11-20] 방향에서 인장 응력 0.021을 가하면 지르코늄 기질 내 수소화물 재정렬이 발생한다.
• [0001] 방향에서 압축 응력 0.018를 가하면 역시 수소화물 재정렬이 유도된다.
• 전단 응력은 다른 수소화물 상들이 핵형성하기 전에 제타 상 수소화물을 크게 재정렬시키며, 불응력 상태에서의 성장 방향 근처에서도 다시 재정렬을 유도한다.
• 두 개의 수소화물 씨앗이 [0001] 방향으로 정렬되어 있으며 상호 거리가 15 nm일 경우, 인장 및 압축 하에서 모두 임계 응력 값이 0.0002로 감소한다.
• 이웃한 침전상은 강력한 안정화 효과를 가지며, 재정렬을 위한 응력 한계를 수십만 배 수준으로 감소시킨다.
• 중간 상(제타 및 감마)은 응력 하에서 안정한 델타 수소화물의 형성과 진화를 매개하는 데 핵심적인 역할을 한다.