一种锆合金氧化膜应力及开裂的计算方法、装置和设备制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种锆合金氧化膜应力及开裂的计算方法、装置和设备，本发明专利技术属于锆合金腐蚀动力学技术领域；方法包括基于统计物理和脆性材料统计强度原理，建立锆合金氧化膜应力统计模型和锆合金氧化膜开裂统计模型；采用所述锆合金氧化膜应力统计模型和锆合金氧化膜开裂统计模型计算锆合金氧化膜应力及开裂情况。本发明专利技术从氧化膜的生长触发，基于统计物理和脆性材料统计强度原理，建立锆合金氧化膜应力与开裂的统计模型，获得氧化膜应力与开裂行为的变化规律，为锆合金腐蚀动力学奠定了坚实的基础。的基础。的基础。

【技术实现步骤摘要】
一种锆合金氧化膜应力及开裂的计算方法、装置和设备


[0001]本专利技术属于锆合金腐蚀动力学
，具体涉及一种锆合金氧化膜应力及开裂的计算方法、装置和设备。

技术介绍

[0002]锆合金由于具有较低的热中子吸收截面，且锆及其合金具有良好的耐高温高压水腐蚀性能、良好的综合力学性能和较高的导热性能等特点，长期作为反应堆燃料元件的基体和包壳材料。燃料元件在堆内处于中子辐照、高温、高压冷却介质冲刷等极端苛刻的工况环境中，导致锆合金包壳发生失效的主要过程有腐蚀、氢脆、疲劳和辐照损伤等以及交互作用。其中锆的腐蚀不但直接引起包壳强度降低、传热性能下降，还产生吸氢、可能引起氢脆、并影响疲劳寿命，随着燃料元件向长寿期、深燃耗方向发展，对锆合金的腐蚀性能提出了更高的要求。
[0003]由于辐照试验条件限制，目前锆合金腐蚀行为研究主要采用堆外高压釜或回路的方式，模拟燃料元件处于满功率状态运行1到2年的情形，尚缺乏长期腐蚀试验(20年～30年)的结果来评价新型锆合金是否满足预定的指标要求。同时开展长期腐蚀试验的时间周期长，成本高，从研究进度及研究成本来看很难满足现有的研发要求，因此，有必要开展锆合金腐蚀动力学研究，建立锆合金腐蚀动力学预测模型，缩短锆合金长期腐蚀性能的评价周期，同时也能深化对锆合金腐蚀行为的机理性研究，以锆合金短期腐蚀试验为基础，预测锆合金在较长时间周期的腐蚀行为。这对筛选和设计具有更优异耐腐蚀性能的锆合金，对提高燃料元件的使用寿期和安全可靠性，对我国核动力装置的发展具有十分重要的意义。
[0004]锆合金氧化膜中的内应力是锆合金腐蚀动力学中的重要研究内容，氧化膜中的内应力在腐蚀速率上起着重要的作用，导致氧化膜中裂纹形成及开裂，影响相结构的转变或影响氧在氧化膜中的扩散速率等，是深入研究的焦点。
[0005]氧化膜中内应力的影响因素较多且复杂，众多学者采用不同的实验方法测试得到应力大小，采用仿真手段模拟氧化膜中内应力变化，对理解氧化膜内应力产生的机制有一定帮助，但目前缺少从科学角度来表达氧化膜内应力产生机制的模型，且缺少关键必要的氧化膜性质参量，还达不到定量计算的程度。

技术实现思路

[0006]为了解决现有锆合金氧化膜内应力测试技术无法实现氧化膜内应力定量计算的问题，本专利技术提供了解决上述问题的一种锆合金氧化膜应力及开裂情况分析方法、装置和设备。本专利技术从氧化膜的生长触发，基于统计物理和脆性材料统计强度原理，建立锆合金氧化膜应力与开裂的统计模型，获得氧化膜应力与开裂行为的变化规律，为锆合金腐蚀动力学奠定了坚实的基础。
[0007]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0008]一种锆合金氧化膜应力及开裂的计算方法，包括：
[0009]基于统计物理和脆性材料统计强度原理，建立锆合金氧化膜应力统计模型和锆合金氧化膜开裂统计模型；
[0010]采用所述锆合金氧化膜应力统计模型和锆合金氧化膜开裂统计模型计算锆合金氧化膜应力及开裂情况。
[0011]作为优选实施方式，本专利技术建立的所述锆合金氧化膜应力统计模型为：
[0012][0013][0014][0015][0016]e
xx
＝(Ω
2j
‑
Ω
1i
)/2Ω
1i
[0017][0018][0019]ε
xx
＝(Ω
3k
‑
Ω
2j
)/2Ω
2j
[0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026][0027][0028]式中，R为普适常数，T为腐蚀温度K，f
ijk
表示晶粒结合方式(i,j,k)出现的几率，N
1p
为α
‑
Zr的晶面种数，N
2p
为c
‑
ZrO的晶面种数，N
3p
为t
‑
ZrO2的晶面组数，U
ijk
为晶粒总能量，A
α
锆合金氧化膜的面积，R
t
‑
ZrO2
为t
‑
ZrO2的平均晶粒半径，U
e1ij
是相应单个c
‑
ZrO晶粒的弹性能，U
s1ij
是其界面能；U
e2jk
是相应单个t
‑
ZrO2晶粒的弹性能，U
s2jk
是其界面能；V
1ij
是晶面j与α
‑
Zr晶面i结合的c
‑
ZrO晶粒体积，E
1ij
是其在结合平面的弹性模量；e
xx
是c
‑
ZrO晶面j与α
‑
Zr晶面i结合时结合面的平均错配应变，Ω
2j
是c
‑
ZrO晶面j的锆原子面积，Ω
1i
是α
‑
Zr晶面i的锆原子面积；S
c11ij
是c
‑
ZrO晶面j与α
‑
Zr晶面i结合面的面积，Γ
c11ij
是其比表面能；S
c21ij
是c
‑
ZrO晶粒的侧面积，Γ
c21ij
是其比表面能；S
c31ij
是c
‑
ZrO晶面j与t
‑
ZrO2晶面k结合面的面积，Γ
c31ij
是其比表面能；V
2jk
是以晶面k与c
‑
ZrO晶面j结合的t
‑
ZrO2晶粒体积，ε
xx
是t
‑
ZrO2晶面k与c
‑
ZrO晶面j组合时结合面的平均错配应变，Ω
3k
是t
‑
ZrO2晶面k的锆原子面积；S
t12jk
是c
‑
ZrO晶面j与t
‑
ZrO2晶面k结合面的面积，Γ
t12jk
是其表面能；S
t22jk
是t
‑
ZrO2晶粒的侧面积，Γ
t22jk
是其表面能；S
t32jk
是t
‑
ZrO2晶粒的顶面积，Γ
t32jk
是其表面能；ε
ijkxx
是每个晶粒的错配应变，E
xxijk
是每个晶粒的的弹性系数；σ
ijkxx
是单个晶粒XOY平面应力，σ
fxx
是氧化膜在XOY平面的等效应力，E
f
是氧化膜的等效弹性模量，ε
fxx
是晶粒在XOY平面的等效线应变；H
ijk
为晶粒的生长高度，B
v
为Zr变成ZrO2的PB值，H
ox
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锆合金氧化膜应力及开裂的计算方法，其特征在于，包括：基于统计物理和脆性材料统计强度原理，建立锆合金氧化膜应力统计模型和锆合金氧化膜开裂统计模型；采用所述锆合金氧化膜应力统计模型和锆合金氧化膜开裂统计模型计算锆合金氧化膜应力及开裂情况。2.根据权利要求1所述的一种锆合金氧化膜应力及开裂的计算方法，其特征在于，建立的所述锆合金氧化膜应力统计模型为：的所述锆合金氧化膜应力统计模型为：的所述锆合金氧化膜应力统计模型为：的所述锆合金氧化膜应力统计模型为：e
xx
＝(Ω
2j
‑
Ω
1i
)/2Ω
1i1i
ε
xx
＝(Ω
3k
‑
Ω
2j
)/2Ω
2j2j2j2j2j2j2j
式中，R为普适常数，T为腐蚀温度K，f
ijk
表示晶粒结合方式(i,j,k)出现的几率，N
1p
为α
‑
Zr的晶面种数，N
2p
为c
‑
ZrO的晶面种数，N
3p
为t
‑
ZrO2的晶面组数，U
ijk
为晶粒总能量，A
α
锆合金氧化膜的面积，R
t
‑
ZrO2
为t
‑
ZrO2的平均晶粒半径，U
e1ij
是相应单个c
‑
ZrO晶粒的弹性能，U
s1ij
是其界面能；U
e2jk
是相应单个t
‑
ZrO2晶粒的弹性能，U
s2jk
是其界面能；V
1ij
是晶面j与α
‑
Zr晶面i结合的c
‑
ZrO晶粒体积，E
1ij
是其在结合平面的弹性模量；e
xx
是c
‑
ZrO晶面j与α
‑
Zr晶面i结合时结合面的平均错配应变，Ω
2j
是c
‑
ZrO晶面j的锆原子面积，Ω
1i
是α
‑
Zr晶面i的锆原子面积；S
c11ij
是c
‑
ZrO晶面j与α
‑
Zr晶面i结合面的面积，Γ
c11ij
是其比表面能；S
c21ij
是c
‑
ZrO晶粒的侧面积，Γ
c21ij
是其比表面能；S
c31ij
是c
‑
ZrO晶面j与t
‑
ZrO2晶面k结合面的面积，Γ
c31ij
是其比表面能；V
2jk
是以晶面k与c
‑
ZrO晶面j结合的t
‑
ZrO2晶粒体积，ε
xx
是t
‑
ZrO2晶面k与c
‑
ZrO晶面j组合时结合面的平均错配应变，Ω
3k
是t
‑
ZrO2晶面k的锆原子面积；S
t12jk
是c
‑
ZrO晶面j与t
‑
ZrO2晶面k结合面的面积，Γ
t12jk
是其表面能；S
t22jk
是t
‑
ZrO2晶粒的侧面积，Γ
t22jk
是其表面能；S
t32jk
是t
‑
ZrO2晶粒的顶面积，Γ
t32jk
是其表面能；ε
ijkxx
是每个晶粒的错配应变，E
xxijk
是每个晶粒的弹性系数；σ
ijkxx
是单个晶粒XOY平面应力，σ
fxx
是氧化膜在XOY平面的等效应力，E
f
是氧化膜的等效弹性模量，ε
fxx
是晶粒在XOY平面的等效线应变；H
ijk
为晶粒的生长高度，B
v
为Zr变成ZrO2的PB值，H
ox
为平衡高度，E
zzijk
是晶粒在Z向的弹性模量，σ
ijkzz
是单个晶粒所受Z向应力。3.根据权利要求2所述的一种锆合金氧化膜应力及开裂的计算方法，其特征在于，建立的锆合金氧化膜开裂统计模型为：当当当当当当式中，σ
f
是晶粒的断裂强度，H
(1)ijk
是开裂后晶粒的高度、ε
ijk(1)xx
是开裂后的平面应变、H
(1)ox
是开裂后氧化膜的平衡厚度、ρ
f
是开裂后氧化膜中的总孔隙率、以及ρ
z
是开裂后垂直裂纹空隙率。4.根据权利要求3所述的一种锆合金氧化膜应力及开裂的计算方法，其特征在于，晶粒的断裂强度可通过下式得到：x是晶粒长度；当x<1μm时，σ
f
>1317MPa；x＝2μm时，σ
f
＝631MPa；
x＝5μm时，σ
f
＝238MPa；x＝10μm时，σ
f
＝114MPa。5.根据权利要求3所述的一种锆合金氧化膜应力及开裂的计算方法，其特征在于，采用所述锆合金氧化膜应力统计模型和锆合金氧化膜开裂统计模型计算锆合金氧化膜应力及开裂情况，具体包括：通过测定锆合金的织构，得到各晶面数量和晶面比例的值，计算得到锆晶粒总数和晶面数；根据α
‑
Zr、c
‑
ZrO、t
‑
ZrO2的点阵参数，计算相对应的锆原子面积；计算t
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：张君松，龙冲生，赵毅，吕俊男，韦天国，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：