CN112906275A - 一种获取锆合金辐照变形单晶本构参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涉及重水堆材料设备设计及评价技术领域,特别涉及一种获取锆合金辐照变形单晶本构参数的方法,具体步骤为:收集锆合金因辐照变形导致的塑性变形试验或实测参数;基于辐照条件下多晶体辐照变形本构,采用有限元法或有限体积法模拟观察到的合金变形;基于模拟结果,计算出多晶体辐照塑性的各向异性系数;利用各向异性系数,结合基因遗传算法,获得表观单晶本构,本发明相比于现有技术,可较好解决利用介观力学模型进行核级锆合金辐照变形预测时单晶本构参数获得困难的问题,所获得的表观单晶本构参数可用于获得核级锆合金的辐照变形预测。
Description
技术领域
本发明涉及重水堆材料设备设计及评价技术领域,特别涉及一种获取锆合金辐照变形单晶本构参数的方法。
背景技术
锆合金用作重水堆结构材料长期服役时,几何外形会发生改变,称作辐照变形。在材料开发、结构设计、运营维护等阶段对后续一段时间内锆合金的辐照变形进行预测是确保核安全的根本需求。
目前锆合金辐照变形的预测主要基于两类模型:
1)宏观经验模型,主要是建立实测结果与工况参数间的关系并加以运用。例如,专利CN105808910B在归纳秦山三期压力管用锆合金辐照变形行为的基础上提出了计算辐照变形的计算公式。专利KR101139640B1利用基因遗传算法得到了温度、压力、中子注量率等与辐照蠕变程度间关联参数的最优解,并进一步运用于辐照蠕变的预测。
2)介观力学模型,主要是基于位错滑移、点缺陷扩散等微观机制描述锆合金内单个晶粒的辐照变形本构(称单晶本构),并进一步计算出多晶体锆合金的辐照变形。例如:Cobel提出,核级锆合金内单个晶粒的热蠕变率可表示为:
δ指晶界宽度,需要通过透射电镜等测得。在获得单个晶粒的基础上,进一步通过介观力学模型(如自限性模型)得到多晶体的宏观变形。
上述两种模型中,宏观经验模型的适用性受工况、载荷条件等因素影响较大。而介观力学模型的单个晶粒本构中,部分参数需通过针对材料内微小区域的测试手段(如透射电镜、EBSD)或其他更小尺度的模拟方法(如晶体塑性有限元、位错动力学、分子动力学等)计算得到。
由于微观结果往往观察区间较小,辐照过后材料的微观测试(如透射电镜)等不易开展,且更小尺度的模拟结果验证更为困难,使得介观力学模型无法运用于实际工程需求。
因此,现有技术仍需要改进。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术难以获得单晶本构参数的问题。
为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:
本发明提供一种获取锆合金辐照变形单晶本构参数的方法,包括下列步骤:
1)获取锆合金因辐照变形导致的塑性变形的试验参数或实测参数;
2)基于辐照条件下多晶体辐照变形本构,采用有限元法或有限体积法模拟观察到的合金变形;
3)基于模拟结果,计算出多晶体辐照塑性形变的各向异性系数;
4)利用各向异性系数,结合基因遗传算法,获得锆合金的辐照变形表观单晶本构参数。
进一步的,步骤1)中所述的试验参数或实测参数包括锆合金结构辐照变形前后的尺寸、辐照变形过程中的载荷及约束情况、辐照过程中所承受的累积辐照剂量。
进一步的,步骤2)中所述的多晶体辐照变形包括辐照蠕变、辐照生长、辐照热蠕变中的一种或多种。
进一步的,所述辐照蠕变的速率、应力和温度之间的关系表达形式为:
所述辐照生长的速率、应力和温度之间的关系表达为:
所述辐照热蠕变的速率、应力和温度之间的关系表达为:
进一步的,步骤3)中,对于辐照蠕变和热蠕变,各向异性系数包括蠕变各向异性系数F、G、H,其计算方式为:
其中,σ为等效应力,σ22、σ11、σ33分别为在锆合金在横向、轧制方向、厚度方向的应力;
对于辐照生长,各向异性系数包括生长各向异性系数D,D为锆合金因辐照生长导致的在轧向与横向两个方向的应变比。
进一步的,步骤4)包括下列步骤:
41)初始化锆合金单晶本构参数K0;
42)基于K0,通过VPSC方法计算各向异性系数;
43)读取步骤3)中计算得到的各向异性系数,并将步骤42)中计算得到的各向异性系数与步骤3)中计算得到的各向异性系数进行比对;
44)若步骤43)中比对的差值小于一阈值,则将K0作为表观单晶本构参数输出,否则进入步骤45);
45)使用基因遗传算法对K0进行处理,处理后移动至步骤42)。
进一步的,步骤45)所述的基因遗传算法具体包括下列步骤:
451)将K0转化为二进制数;
452)对二进制的K0中的各位数的排序进行随机变换,得到二进制数Ki;
453)将Ki转变为十进制数;
454)将K0的值替换为Ki的值,并返回至步骤42)。
进一步的,步骤4)中所述表观单晶本构参数是与多晶辐照变形种类(辐照蠕变、辐照生长、热蠕变)相关的一组参数(分别表示为k、τ、ε)。
进一步的,步骤42)中所述的VPSC方法引自论文《Self-consistent calculationof steady-state creep and growth in textured zirconium》(PhilosophicalMagazine A,1993,VOL.67,No.4,917-930,作者C.N.Tome,C.B.So and C.H.Woo)
本发明的有益效果在于:可较好解决利用介观力学模型进行核级锆合金辐照变形预测时单晶本构参数获得困难的问题,所获得的表观单晶本构参数可用于获得核级锆合金的辐照变形预测。
附图说明
图1是本发明步骤4)的具体步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中,术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述和简化操作,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分,并没有特殊的含义。
本发明提供一种获取锆合金辐照变形单晶本构参数的方法,包括下列步骤:
1)利用名义成分为Zr-2.5Nb-0.1O的无缝管(长度L0=46.4mm,外径D0=10.0mm,壁厚0.45mm)两端封焊住后冲入一定压力的氩气制成内压盒。此时,该无缝管材料同时承受两端轴向应力及壁厚上的环向应力。分别在快中子注量率为2.0×1018nm-2s-1(E>1MeV)、温度为282℃的条件下,进行20000-24000h的辐照试验,然后测量其直径最大值及平均长度的变化。内压盒环向应变按下式计算:
轴向应变按下式计算:
获得的试验参数如下表:
2)利用商用软件进行该过程的有限元模拟。通过不断调整采用的多晶辐照变形本构参数,从而使得有限元模拟结果与实测值相符。最终获得的多晶体辐照变形本构为:
热蠕变:
辐照蠕变:
辐照生长:
即,最终确定出K1=1.1×10-23,K2=9.8×10-28,K3=2.0×106.
3)基于模拟结果,计算出多晶体辐照塑性形变的各向异性系数为:
热蠕变:Fth=0.33,Gth=0.82,Hth=0.35
辐照蠕变:F=0.378,G=0.198,H=0.924
辐照生长:D=-1.05
4)利用各向异性系数,结合基因遗传算法,获得锆合金的辐照变形表观单晶本构。
如图1,步骤4)包括下列步骤:
41)初始化锆合金单晶本构参数K0;
42)基于K0,通过VPSC方法计算各向异性系数;
43)读取步骤3)中计算得到的各向异性系数,并将步骤42)中计算得到的各向异性系数与步骤3)中计算得到的各向异性系数进行比对;
44)若步骤43)中比对的差值小于0.1%时,则将K0作为表观单晶本构参数输出,否则进入步骤45);
45)使用基因遗传算法对K0进行处理,处理后移动至步骤42)。
进一步的,步骤45)所述的基因遗传算法具体包括下列步骤:
451)将K0中的每一个参数(表示为k01、k02、k03)分别转化为二进制数;
452)对二进制的每个参数中的各位数的排序进行随机变换,得到二进制数组Ki;
453)将Ki中的每个二进制数转变为十进制数;
454)将K0的值替换为Ki的值,并返回至步骤42)。
基于步骤4)的方法,获得的表观单晶本构参数K0可以是如下:
热蠕变:
τ1=100MPa、τ2=120MPa、τ3=240MPa
辐照蠕变:
k1=0.204×10-9h-1MPa-1,k2=3.81×10-9h-1MPa-1,k3=1.96×10-9h-1MPa-1
辐照生长:
ε1=-1.42×1029m2/n,ε2=2.13×1029m2/n,ε3=-0.71×1029m2/n
某重水反应堆压力管所用材质为Zr-2.5Nb合金无缝管(外径113.4,壁厚4.9mm,长6.7m),其微观结构与上述内压盒的结构特点十分相近,因此可将上述步骤4)所获得的表观单晶本构,运用于介观力学模型,从而对该重水堆压力管的在使用时间为25年后的辐照变形结果进行预测。
预测结果如下:
预测值(mm) | 实测值(mm) | |
轴向伸长 | 114.4 | 113.5 |
直径增大最大值 | 3.916 | 3.56 |
壁厚简报 | 0.242 | 0.218 |
该预测结果精度满足工程应用需求。
注意,上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解,本发明不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (7)
1.一种获取重水堆锆合金辐照变形单晶本构参数的方法,其特征在于,包括下列步骤:
1)获取锆合金因辐照变形导致的塑性变形的试验参数或实测参数;
2)基于辐照条件下多晶体辐照变形本构,采用有限元法或有限体积法模拟观察到的合金变形;
3)基于模拟结果,计算出多晶体辐照塑性形变的各向异性系数;
4)利用各向异性系数,结合基因遗传算法,获得锆合金的辐照变形表观单晶本构。
2.根据权利要求1所述的获取锆合金辐照变形单晶本构参数的方法,其特征在于,步骤1)中所述的试验参数或实测参数包括锆合金结构辐照变形前后的尺寸、辐照变形过程中的载荷及约束情况、辐照过程中所承受的累积辐照剂量、辐照变形过程中的温度等。
3.根据权利要求1所述的获取锆合金辐照变形单晶本构参数的方法,其特征在于,步骤2)中所述的多晶体辐照变形包括辐照蠕变、辐照生长、辐照热蠕变中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的获取锆合金辐照变形单晶本构参数的方法,其特征在于,步骤4)包括下列步骤:
41)初始化锆合金单晶本构参数K0;
42)基于K0,通过VPSC方法计算各向异性系数;
43)读取步骤3)中计算得到的各向异性系数,并将步骤42)中计算得到的各向异性系数与步骤3)中计算得到的各向异性系数进行比对;
44)若步骤43)中比对的差值小于某一阈值,则将K0作为表观单晶本构参数输出,否则进入步骤45);
45)使用基因遗传算法对K0进行处理,处理后移动至步骤42)。
7.根据权利要求6所述的获取锆合金辐照变形单晶本构参数的方法,其特征在于,步骤45)所述的基因遗传算法具体包括下列步骤:
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: No. 29 Hong Cao Road, Xuhui District, Shanghai Applicant after: Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co.,Ltd. Address before: No. 29 Hong Cao Road, Xuhui District, Shanghai Applicant before: SHANGHAI NUCLEAR ENGINEERING RESEARCH & DESIGN INSTITUTE Co.,Ltd. |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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