锆合金中氢化物延迟开裂的多场耦合相场建模：机理与预测

《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》：A variational phase-field framework for multiphysics modeling of delayed hydride cracking in zirconium alloys

本工作首次建立了热力学一致的变分相场框架，统一耦合氢扩散、应力/温度调控氢化物演化、热弹塑性和韧脆转变，成功再现了延迟氢化物开裂(DHC)的间歇性扩展特征。该模型揭示了静水张力通过降低终端固溶度(TSS)和富集氢触发氢化物沉淀-断裂-溶解-再沉淀的自持循环，为核用锆合金包壳的寿命预测提供了物理基础。

　　

亮点

我们提出了一种变分相场框架，通过统一的自由能泛函耦合氢扩散、氢化物沉淀/溶解、热力学效应和断裂。该模型无需预设裂纹路径即可物理自洽地模拟完整DHC过程，捕捉实验观测到的间歇性裂纹扩展。进一步应用于工程尺度DHC问题，量化了应力与温度对氢化物形核和裂纹路径选择的耦合影响，揭示了扩散控制与沉淀控制启裂的竞争机制。该框架可无缝集成氧化模型，实现氧化-氢化物协同延迟开裂的预测性模拟。

理论

本节我们针对DHC建立变分多物理场相场框架，旨在预测应力集中区域的氢传输和氢化物沉淀-断裂-溶解-再沉淀(HPFDR)循环过程。考虑定义在n维空间（n=1,2,3）的域Ω，其外部边界为?Ω，单位外法向量为n。内部不连续集（裂纹表面）记为Γ。我们首先定义这些场及其容许空间（第2.1节），然后通过虚功原理推导控制方程（第2.2节），最后给出数值实现细节（第2.3节）。

弱形式

本章构建的DHC相场模型整合了力学变形、裂纹扩展、氢扩散、氢化物演化和热传导。它包括控制方程：力学平衡（式29）、相场断裂（式34）、氢扩散（式40）和热传导（式51）。考虑任意变分（δu, δ?_f, δc_H, δT），控制方程的弱形式推导如下：

∫_Ω[h(?_f)σ₀:δε - b·δu] dV - ∫_?Ωt(t?·δu) dS = 0

∫_Ωh'_f(?_f)Hδ?_fdV + ∫_ΩG^c...

结果

我们通过求解几个感兴趣的边值问题来展示所提理论和计算框架的能力。模拟结果与用于加拿大氘铀(CANDU)反应堆的Zr-2.5Nb压力管实验数据进行了校准[12,14,15,21]。我们首先考察平面应变、小范围屈服条件下紧凑拉伸试样的边界层表示中的DHC。随后分析预裂纹压力管构型中的DHC诱导失效。

结论

我们开发了一个用于模拟DHC的变分相场多物理场框架，在单一自由能泛函内统一了氢扩散、温度和应力辅助的氢化物沉淀/溶解、温度依赖性软化和断裂。通过将氢化物和断裂相场与热弹塑性及应力温度调控的TSS相结合，本工作提供了一个从趋势验证到定量预测的演示流程。