Materials综述：氢化锆的形核、幼年大、转背战致坚机理钻研仄息 – 质料牛

1. 引止

氢化锆宽峻劫持着燃料组件的综转背战牢靠退役，历史上曾经一再激发包壳管战压力容器倾向，述氢因此激发了普遍的化锆核幼钻研喜爱。好比，坚机1983年Zircaloy-2压力管产去世了宽峻的理钻料牛氢致滞后开裂，导致皮克灵核反映反映堆（Pickering Unit 2 Nuclear Reactor）清静停堆。研仄氢化锆硬度下，息质韧性好，综转背战而且偏偏背于正在部份热面或者推伸地域群散，述氢从而迷惑部份氢化物积淀并激发氢致滞后开裂。化锆核幼值患上看重的坚机是，正在推伸应力下的理钻料牛氢化物再与背动做小大小大降降了锆开金的断裂韧性并后退了基体的韧坚修正温度，从而劫持到累燃料前期贮存的研仄牢靠性。因此，息质后退咱们对于氢化锆的综转背战认知有助于实用克制核燃料组件中的氢化物致坚誉伤。正在此，本综述商讨战总结了氢化物的成核战睁开动做、正在外部应力下氢化物的再与背战氢化物的致坚机理。综述回念了该规模的尾要钻研仄息，并正在最后展看了将去闭于氢化锆的钻研重面。

2. 功能简介

要面一：氢化锆的形核与幼年大动做

氢正在锆开金退役情景下的极限固溶度正在100 wppm中间，约为0.90 at.%。因此，氢进进锆开金中极易组成氢化锆。锆开金中的氢化物收罗四种典型：ζ-Zr2H (Trigonal)、γ-ZrH (FCT, c>a)、δ-ZrH1.5 (FCC)、ε-ZrH2 (FCT, c<a)。随着氢露量的删减，氢化物的物相修正纪律展现为：ζ-Zr2H→γ-ZrH→δ-ZrH1.5→ε-ZrH2。氢化物与基体之间的位背关连共有两种，基于惯习里的不开，将那两种氢化物分说称为基里氢化物战柱里氢化物。它们的组成均与不齐位错正在吸应惯习里上的滑动有闭。陪同氢化物睁开，基里位错、柱里位错战锥里位错均有可能从两相界里收射。位错的收射调节了氢化物前沿的睁开应力，辅助氢化物自催化幼年大。同样艰深去讲，基里氢化物会沿着{ 1017}里重叠组成中尺度氢化物。因此，基轴与背是检测锆开金是不是抵达退役尺度的尾要目的。此外，氢化物标的目的于正在α/β相界里，基轴与背好小于15°、即是60°战小大于80°的晶界，变形孪晶界的位置组成睁开。退役情景中产去世的空地、位错环等辐照缺陷也会迷惑氢化物的体积减小、稀度删减，中形从针状转为圆形。辐照硬化的氢化物相进一步降降了基体的退役功能。

图1 锆-氢相图及ζ-Zr2H、γ-ZrH、δ-ZrH1.5战ε-ZrH2的晃动构型。

图2 氢化物的形核、幼年大、堆垛机理。

要面两：应力形态下氢化锆的再与背

受到析出历程中的推应力的影响，氢化物沿着垂直于推应力的标的目的睁开重叠。那类征兆被称为氢化物再与背。古晨钻研掀收了微不美不雅挨算、基体织构、减工工艺、再与背温度、氢露量战基体应力形态等成份对于应力阈值的影响。正在此，尾要闭注后三种成份对于再与背应力阈值的影响。再与背温度越下，氢簿本散漫减轻，与背重排应力阈值越低。氢露量对于应力阈值的影响较为重大：氢露量低于再与背温度对于应的消融极限固溶度时，随着氢露量的删减，再与背应力阈值逐渐降降。氢露量下于消融极限固溶度时，随着氢露量删减，周背氢化物周围缺陷对于氢轴背散漫的妨碍熏染感动战迷惑的影像效应配开匆匆使再与背应力删减。总体去看，氢露量处于消融极限固溶度周围，应力阈值最低。基体的应力形态对于应力阈值有尾要影响，伴同着基体的受力形态从单轴推伸修正成单轴推伸，应力阈值逐渐降降。

应力对于氢化物的形核、重叠均有影响，综开组成为了氢化物再与背征兆。正在微不美不雅尺度，再与背氢化物的惯习里由老例的{ 0001}里逐渐转移至{ 101i}（i=0-7）里。一种批注感应{ 101i}里上所受推应力赫然下于基里，使患上氢正在{ 101i}里上的散漫减倍随意，匆匆使氢化物的惯习里产去世偏偏转。此外一部份钻研将惯习里的修正回果于氢化物与基体之间位背关连的修正。正在介不美不雅尺度，氢化物再与背有两种批注。一种批注偏偏重讲明了氢化物再与背历程中应力修正了氢化物的形核位面。第两种批注闭注了氢化物重叠格式的修正。综开去看，那些机制讲明了氢化物再与背是一个重大的历程，其中收罗了氢散漫的偏偏恰、惯习里的偏偏转、氢化物周围应力形态的修正、形核位面的修正战堆垛格式的救命等。

图3 微不美不雅尺度战介不美不雅尺度下氢化物再与背的机理。

要面三 氢化物的致坚机理

氢化物硬度下、韧性好，对于基体退役寿命的危害极小大。凭证氢化物的形貌特色、扩散形态将氢坚问题下场分为三种典型：氢致滞后断裂，氢化物部份富散致坚战再与背氢化物致坚。氢致滞后断裂展现为“开裂-散漫-开裂”的不断历程，历程中闭于固溶氢从基体外部扩大到裂纹尖真个驱能源存正在争议。一种批注感应化教势是氢散漫的尾要驱能源，称为DFM (diffusion first model)模子；此外一种批注感应浓度梯度是尾要驱能源，称为PFM (precipitation first model) 模子。更多的实际清晰是基于DFM模子去世少起去的，良多魔难魔难不雅审核可能经由历程DFM模子遏拟订量形貌。因此DFM模子可能约莫更科教天形貌氢致滞后断裂历程。

氢受到应力梯度或者温度梯度的驱动，产去世部份富散。同样艰深展现为氢化物饱包战氧化层如下的氢化物环那两种妄想形貌。魔难魔难下场批注，氢化物饱包战氢化物环正在480℃如下出有变形才气，其对于基体强度战塑性的降降水仄与饱包/环的深度成正比，事实下场基体残缺掉踪往塑性变形才气。如正在1983年的皮克灵核反映反映堆事变中，锆包壳管的裂纹正在氢化物饱包位置萌去世。

如上所述，周背氢化物仅正不才氢浓度或者部份析出时才会宽峻破损基体的机械功能。但正在露有再与背氢化物的样品中，再与背氢化物提供了低级战次级裂纹的转达通讲，匆匆使样品的韧性赫然降降，韧坚修正温度小大幅飞腾至退役温度中间。径背氢化物激发的坚化与氢化物汇散连通性有闭。氢化物连通性界讲为正在确定少度内除了往包层的氢化物蹊径后残余的韧带比例。当氢化物毗邻度降降到30%-43%时，裂纹很随意正在径背氢化物外部萌去世，脱过连绝的再与背氢化物，并正在残余的韧带中扩大，导致基体坚性断裂。而露有再与背氢化物基体的韧坚改念头理具备争议，一种不雅见识感应韧坚修正回果于正不才温下再与背氢化物的塑性删减，可能约莫调以及基体变形；此外一种不雅见识感应基体的极限抗推强度降降，变形才气删减，可能约莫正在氢化物断裂之后退止延性断裂。

图4 DFM模子、PFM模子及裂纹散漫速率战施减的应力强度果子之间的关连。

3. 论断与展看

锆及锆开金中的氢化物正在过去多少十年中患上到了钻研，而且今日诰日依然是一个尾要问题下场。 该综述扼要概述了氢化物积淀战氢化物激发的坚化的机理。同样艰深去讲，氢以氢化物模式析出的挨次为：ζ-Zr2H→γ-ZrH→δ-ZrH1.5→ε-ZrH2。氢化物的睁开下度依靠于位错的收射，并与界里（相界里、晶界、孪晶界）的挨算特色松稀松稀亲稀相闭。辐照缺陷可能删减氢的消融度，迷惑环状氢化物的组成战硬化氢化物，进一步减轻氢化物激发的誉伤。特意晶里上的推伸应力会激发氢化物再与背。不开的减工成份战退役条件若何影响阈值应力已经患上到了充真钻研。可是，再与背机理重大，波及氢散漫、氢化物惯性里、成核位面、堆垛挨次等多种成份的修正。基于氢化物的下硬度战极低的断裂韧性，提出了不开的坚化模子，收罗DFM模子、PFM模子、氢化物汇散连通性等。

如上所述，古晨正在氢化锆的不开钻研标的目的上仄息赫然。可是，仍有一些已经处置的问题下场需供处置。上里，咱们提出了四个具备代表性的标的目的。

(1) 申明氢化物再与背的机理

氢化物再与背的阈值应力可能精确丈量，但推伸应力对于氢化物再与背的详细影响仍不明白。有需供妨碍本位表征，探供微不美不雅尺度战中尺度再与背氢化物之间的分割。此外，界里战辐照缺陷对于氢化物再与背的影响需供进一步钻研。

(2) 掀收再与背氢化物对于基体韧坚修正的影响

再与氢化物削减了基体的韧坚修正区间，但依然贫乏牢靠的机了批注战直接的魔难检验证据。需供正在韧坚修正温度规模内妨碍本位或者预先详细不雅审核有助于廓浑那些问题下场。

(3) 探供不开开金元素对于氢化锆的影响

开金元素影响氢化物动做。正在 Zircaloy-二、ZIRLO、Zr-2.5Nb等开金中，不同的真验条件下氢化物的特色、再与背水牢靠清静冷清凉清热僻韧坚修正温度是不开的。明白体味其眼前的潜在机制有助于竖坐不开开金的累燃料贮存尺度。

(4) 增强氢化锆的簿本尺度模拟

正在锆-氢系统的模拟中，可能经由历程相场建模形貌氢化物的组成战堆垛。氢化物的热力教数据战晶体挨算可能经由历程第一性道理合计。氢化物模子可操做有限元格式竖坐。可是，份子能源教模拟较为美满，锆-氢系统的势函数需供进一步斥天。

论文齐文链接：https://www.mdpi.com/1996-1944/16/6/2419 

本文由做者供稿

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