RPV钢在辐照和温度作用下的细观力学行为研究

Fracture failure of the reactor pressure vessel (RPV) steels is strongly related to the neutron irradiation, temperature and the microstructure of material. Ihis project intends to use a combination methods of experiment, theory and numerical calculation. From the plastic behavior of material caused by the movement of the dislocation, a crystal plasticity constitutive model is established based on thermal activation mechanism, which can take into account irradiation effects and temperature effects, and reflect the evolution morphology of RPV steel microstructure. This model is used to study the mechanical behavior of RPV steels under irradiation and temperature effects. In this project, firstly, the crystal plastic constitutive used for RPV steel should be developed and improved, in which the flow and hardening parameters are obtained by optimization algorithm. Secondly, the effect of RPV steel microstructure on the mechanical behavior is researched, and the emphasis is on the grain size, crystal orientation and texture. In this section, scale effect, anisotropy and non-uniform deformation of mechanical behavior of the RPV steel are studied, and the effect of the evolution of microstructure caused by irradiation on the mechanical behavior is also considered. Finally, from microscopic view, the failure mechanism and ductile-brittle transition mechanism of RPV steel under the effect of irradiation and temperature are studied, and the competition mechanism between grain damage and destruction along the grain boundary is established. By thermal activation theory criterion, ductile-brittle transition mechanism is studied under the two aspects of temperature and irradiation of RPV steel, which is used to identify the changes of ductile-brittle transition temperature under the irradiation.

核反应堆压力容器（RPV）钢的断裂失效与中子辐照、温度以及材料的微观结构密切相关。本项目拟采用试验、理论和计算相结合的方法，从位错运动引起的材料塑性行为出发，建立基于热激活机制的、反映位错运动的晶体塑性本构模型，考虑辐照效应和温度影响，体现RPV钢的微结构演化形态，来研究RPV钢在辐照和温度作用下的力学行为。首先，需要发展改进应用于RPV钢的晶体塑性本构模型，通过优化算法得到材料参数；进一步，研究RPV钢的微结构对力学行为的影响，重点考察晶粒大小、晶向以及织构等的作用，研究尺度效应、各向异性和变形非均匀性，并且考虑由于辐照引起的微结构的演化，对RPV钢力学行为的影响；最后，从微观角度研究RPV钢在辐照和温度作用下的失效机制和韧脆转变机制，建立晶粒损伤和沿晶界破坏的竞争机制；通过热激活理论判据，从温度和辐照两个方面研究RPV钢的韧脆转变机制，找出在辐照情况下，韧脆转变温度的变化。

辐照是影响金属材料力学性能的重要因素，核反应堆压力容器（RPV）长期工作在高温、高辐照的恶劣环境中，其材料用钢的断裂失效与中子辐照、温度以及材料的微观结构密切相关。本项目组在晶体塑性理论的基础上，将晶体的微观滑移机制与宏观的塑性变形行为有机结合起来，在大变形晶体塑性理论框架下，建立了一种有效的考虑辐照效应的晶体塑性本构模型，并且进行了数值实现，在此基础上，研究了多晶材料的力学行为，研究了多晶材料在辐照作用下的尺寸效应。主要研究内容如下：.（1）以面心立方（FCC）金属为研究对象，根据晶体内位错的产生与湮灭机制，建立了基于位错密度的晶体塑性本构模型；在此基础上，研究辐照效应产生的微观物理过程和辐照缺陷与位错运动的相互作用，在基于位错密度的晶体塑性本构模型的基础上，发展了考虑辐照效应的晶体塑性本构模型。.（2）将晶界作为纯几何面，根据真实晶界三晶相交的情况，建立OFHC铜的多晶模型，为每个晶粒随机赋予不同的空间取向，研究了OFHC铜多晶在373K温度下单轴拉伸力学行为。在未辐照和辐照剂量水平比较低时，计算结果与实验结果吻合良好；而当辐照剂量水平比较高时，计算结果与实验结果整体吻合良好。.（3）在考虑辐照效应的晶体塑性本构模型基础上，应用Hall-Petch理论，进一步考虑了晶粒尺寸效应，并编写新的UMAT子程序，初步研究晶粒大小对多晶体塑性变形的影响。分别模拟晶粒平均尺寸不同的OFHC铜多晶单轴拉伸变形过程。计算结果表明，随着晶粒尺寸减小，位错增殖困难，屈服应力大大增加。.（4）通过研究体心立方（BCC）晶体的位错演化机制，建立了关于RPV钢的基于位错密度的晶体塑性模型，进行了数值实现，编写了UMAT子程序；在此基础上，建立了RPV钢考虑辐照效应的晶体塑性本构模型，研究辐照产生的微观结构与位错的相互作用，揭示RPV钢在辐照作用下的力学行为。.（5）基于位错密度的晶体塑性模型，结合应变梯度理论（MSG），发展了考虑晶粒尺寸效应的BCC晶体塑性模型。