[论文解读] Characterisation of microstructural creep, strain rate and temperature sensitivity and computational crystal plasticity in Zircaloy-4

Yang Liu, Weifeng Wan+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2021

Nuclear Materials and Properties参考文献 49被引用 4

一句话总结

本研究通过结合弯曲蠕变试验、数字图像相关法、电子背散射衍射和晶体塑性建模，研究了Zircaloy-4在晶粒尺度上的应变率和温度敏感性。结果表明，缺口尖端附近的交叉滑移激活可导致微米尺度蠕变应变增加高达50%，晶粒尺度的应变率敏感性高度不均匀，且与位错滑移活动密切相关；而基面< c+a >滑移及位错塞积则主导了强度和加工硬化中的温度敏感性织构效应。

ABSTRACT

Crystal-level strain rate sensitivity and temperature sensitivity are investigated in Zircaloy-4 using combined of bending creep test, digital image correlation, electron backscatter detection and thermo-mechanical tensile tests with crystal plasticity modelling. Crystal rate-sensitive properties are extracted from room temperature microscale creep, and temperature sensitivity from thermal polycrystalline responses. Crystal plasticity results show that large microscale creep strain is observed near notch tip increased up to 50% due to cross-slip activation. Grain-level microscale SRS is highly heterogeneous, and its crystallographic sensitivity is dependent on plastic deformation rate and underlying grain-based dislocation slip activation. Pyramidal slip and total dislocation pileups contribute to temperature-sensitive texture effect on yielding and strength hardening. A faithful reconstruction of polycrystal and accurate rate-sensitive single-crystal properties are the key to capture multi-scale SRSs.

研究动机与目标

• 通过微米尺度蠕变试验量化室温下Zircaloy-4的晶粒尺度应变率敏感性。
• 通过热机械拉伸试验研究Zircaloy-4多晶响应的温度敏感性。
• 理解晶体学滑移系（尤其是基面< c+a >滑移）在控制微结构变形行为中的作用。
• 建立可用于多尺度晶体塑性建模的准确单晶应变速率敏感性参数。
• 将应变率敏感性的微结构异质性与底层位错滑移激活及晶粒取向关联起来。

提出的方法

• 对带缺口的Zircaloy-4试样进行微米尺度弯曲蠕变试验，以在受控载荷下测量局部蠕变应变。
• 采用数字图像相关法（DIC）监测蠕变过程中全场位移和应变演化。
• 利用电子背散射衍射（EBSD）表征晶粒取向和微结构，为晶体塑性模型提供输入。
• 在一系列温度下进行热机械拉伸试验，以提取温度依赖的屈服和加工硬化响应。
• 采用实验标定的单晶应变速率敏感性参数，实施晶体塑性有限元模型。
• 整合微米尺度蠕变与宏观拉伸数据，以验证和优化用于多尺度应变率敏感性分析的晶体塑性模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Zircaloy-4中，靠近缺口尖端等应力集中区域的微米尺度蠕变应变如何变化？
• RQ2 交叉滑移激活在晶粒尺度上如何增强局部蠕变应变？
• RQ3 晶粒尺度的应变率敏感性如何随晶体学取向和位错滑移活动而变化？
• RQ4 基面< c+a >滑移系及位错塞积在温度敏感性屈服和加工硬化中起多大作用？
• RQ5 基于实验获得的单晶参数，标定后的晶体塑性模型能否准确预测多尺度应变率敏感性？

主要发现

• 由于交叉滑移激活，缺口尖端附近的微米尺度蠕变应变最高增加50%，表明高应力区域存在局部应变增强。
• 晶粒尺度的应变率敏感性（SRS）高度不均匀，强烈依赖于塑性变形速率和主导的位错滑移系。
• 基面< c+a >滑移和总位错塞积被确定为温度敏感性织构效应在屈服和强度加工硬化中起关键作用。
• 准确重建多晶微结构并获得精确的单晶应变速率敏感性参数，是捕捉多尺度应变率敏感性的关键。
• 当结合微米尺度和宏观数据进行标定时，晶体塑性模型成功再现了实验的蠕变和拉伸响应。
• 强度的温度敏感性强烈受晶体学织构和位错动力学影响，尤其在高滑移活性晶粒中表现显著。