金属学报

作者：王小齐, 张金虎, 郭辉, 李学雄, 许海生, 柏春光, 徐东生, 杨锐

单位：1 中国科学院金属研究所 沈阳 110016；2 中国科学技术大学 材料科学与工程学院 沈阳 110016

关键词：锆合金,相场法,相变,裂纹,

基金：国家重点研发计划项目(2021YFB3702604);中科院网信专项项目(CAS-WX2021PY-0103)

锆合金因具有较低的热中子吸收截面、优良的耐腐蚀性能和力学性能，是轻水堆核电站中重要的核反应堆结构材料。然而，在高温及腐蚀条件下，锆合金表面会发生氧化腐蚀，当氧化膜厚度达2~3 μm时，其生长速率会急剧增大，即发生腐蚀动力学转变，限制了锆合金在反应堆中的使用寿命。本工作借助相场动力学方法对锆合金氧化膜中四方相ZrO2 (t-ZrO2)向单斜相ZrO2 (m-ZrO2)转变及氧化膜-金属体系中裂纹的扩展行为进行了研究。模拟结果表明，氧化膜中发生t-ZrO2→m-ZrO2转变时，生成的m-ZrO2相呈“芒果状”且主要受压应力作用，而基体在沿m-ZrO2晶粒的长轴和短轴方向上分别受到压应力和拉应力，且应力均随m-ZrO2的长大而增大。应力下裂纹扩展模拟发现，氧化膜中平行于其与金属界面的横向裂纹，可在垂直于界面的拉伸应力作用下扩展，并可与邻近的横向裂纹及缺陷相互连接，形成缺陷层。氧化膜中垂直于界面的纵向裂纹在扩展至界面后未向金属基体中继续扩展，而是向氧化膜中产生分叉，其继续扩展将促进氧化层从基体上剥落。

来源：2025年第7期

《金属学报》期刊编辑部

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