[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究采用多相场模型，研究外加应变对锆中δ、ζ和γ氢化物形成、形貌演化及取向重排的影响。关键发现表明，在[11-20]方向施加0.021的拉伸应变，或在[0001]方向施加0.018的压缩应变，可诱导氢化物取向重排；当种子间距为15 nm时，邻近析出相使临界应变降低至0.0002。

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.

研究动机与目标

• 理解亚稳态ζ和γ氢化物在拉伸应变下对稳定δ氢化物形成与生长的作用。
• 研究不同晶向外部应变对氢化物相取向重排及形貌演化的影响。
• 量化邻近析出相对氢化物取向重排所需临界应变的影响。
• 确定在二维锆基体中触发氢化物相取向重排的应变阈值。

提出的方法

• 采用二维多相场模型，x轴沿[11-20]方向，y轴沿[0001]方向。
• 模型模拟α-锆基体中氢化物成核与生长，追踪受控应变条件下相演化过程。
• 在[11-20]（周向）或[0001]（径向）方向单轴施加应变，评估不同方向应变对氢化物取向重排的影响。
• 开展单种子与双种子模拟，评估析出相间距对取向重排临界应变阈值的影响。
• 模型整合δ、ζ和γ氢化物相的热力学与动力学参数，以捕捉亚稳相转变过程。
• 施加剪切应变，评估其在其他相成核前预重排ζ相氢化物的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在[11-20]方向单轴加载下，锆中δ氢化物取向重排所需的临界应变是多少？
• RQ2 在[0001]方向施加的压缩应变如何影响锆中氢化物相的取向重排？
• RQ3 邻近析出相对氢化物取向重排所需临界应变的降低程度如何？
• RQ4 在外部应变作用下，中间相ζ和γ氢化物如何影响δ氢化物的形成与演化？
• RQ5 剪切应变在其他氢化物相成核前，对预重排ζ相氢化物起何作用？

主要发现

• 在[11-20]方向施加0.021的拉伸应变可诱导锆基体中氢化物取向重排。
• 在[0001]方向施加0.018的压缩应变同样可触发氢化物取向重排。
• 剪切应变显著重排ζ相氢化物，且在其他相成核前及无应力生长方向附近均产生显著影响。
• 当两个氢化物种子沿[0001]方向排列且间距为15 nm时，取向重排的临界应变对拉伸和压缩加载均降至0.0002。
• 邻近析出相具有显著稳定作用，使取向重排的应变阈值降低数个数量级。
• 中间相（ζ和γ）在应变下对稳定δ氢化物的形成与演化起关键中介作用。