表面梯度纳米锆-铌合金管材碘环境介质下双轴变形损伤行为

Laser shock peening and femtosecond laser modification will be uded to fabricate the nano graident Zr-2.5Nb thin-wall tub. Biaxial deformation and damage behavior of gradient nano Zr-2.5Nb will be studied under iodine corrosion environment. The effect of the nano gradient layer on iodine diffusion and iodine-induced stress corrosion cracking behavior will be systematically explored. An iodine diffusion dynamic equation in Zr-2.5Nb tube will be given to describe the effect of gradient nano layers. Solidification and amorphization mechanism of Zr-2.5Nb during femtosecond modification process. Microstructural evolution of nano gradient Zr-2.5Nb will be analyzed with SEM and TEM. The effect of loading history and strain rate on the iodine-induced stress corrosion intensity factor of gradient nano Zr-2.5Nb ascertained. A physical model of grain ultrafine and surface modification under laser treatment will be established. From perspectives of micro- and meso scales, 3-dimensions physical plastic constitutional equation will be proposed to predict the service lifetime and asscess the safety of cladding.

通过对锆-2.5铌合金不同条件下激光超细化和飞秒激光表面改性处理，研究双轴复合加载下梯度纳米锆合金碘环境介质下变形损伤行为。借助于SEM和TEM，弄清激光处理纳米梯度硬化层或表面改性层对碘环境介质扩散行为的影响。包括表面活性、晶粒大小及分布对碘扩散行为的影响。建立特定的物理模型描述梯度纳米层对碘在锆管内部扩散行为的影响。深入研究飞秒激光对金属晶体材料凝固及可能的非晶化过程的本征机理。探讨应变历史效应对纳米梯度结构材料碘环境下力学性能的影响。改善锆管内部碘离子晶体学分布，避免锆合金基面上碘方向性析出。探索一种提高碘应力腐蚀开裂的新工艺。在不同层次微观塑性变形机理研究结果的基础上，建立梯度纳米锆合金的三维塑性本构方程，该方程应能较好地描述碘侵蚀和应力约束对其变形损伤行为的影响。提出普适的高强高韧锆合金损伤演化方程，为梯度纳米锆合金包壳的使用寿命与可靠性预测提供理论基础。

研究了单轴、双轴加载下，密排六方金属锆合金和钛合金纳米梯度结构材料不同尺度下宏观力学行为和微观变形机理。基于临界平面法，准确地预测了梯度纳米结构材料在不同加载路径下的疲劳寿命和疲劳裂纹萌生和扩展方向，与实验测量值基本吻合。提出了一个表征不可逆滑移损伤参数平均累计不可逆滑移应变量，作为不同外加应力条件下疲劳裂纹萌生的临界参量。通过对不同外加应力状态下梯度纳米结构材料的疲劳寿命、微观变形机理和断裂几何方式的系统分析，得出了外加应力载荷分布与梯度纳米结构材料的强度分布匹配度越高，梯度纳米结构材料的疲劳性能提高越明显的普适准则。建立了不同外加应力状态下梯度纳米结构锆合金和钛合金微观组织结构演化规律图和疲劳裂纹萌生及扩展模型，为梯度纳米结构材料服役性评定及结构材料强韧化设计提供了理论依据。.通过在亚微米尺寸Ti55531合金内部引入极高密度的可变形纳米尺寸第二相可有效解决亚微米尺度下材料塑性变形稳定性的同时，还能保持极高的材料强度。系统研究了亚微尺度下，高密度分布第二相对亚稳Beta钛合金强度及稳态塑性变形行为的影响。发现尺寸效应强化指数因材料晶体结构（面心立方、体心立方等）、变形方式出（孪晶、滑移、马氏体相变等）以及微观组织（晶界、第二相颗粒等）不同而表现出明显差异。发现含有纳米尺寸ω相的亚稳Beta钛合金表现出非常弱的尺寸效应。大量纳米尺寸ω相提高了材料强度的同时，弱化了尺寸效应对材料强度的贡献。当塑性变形进一步增加，试样内部发生马氏体相变，应力诱发马氏体相变触发应力随着试样尺寸减小而增加，表现出明显的尺寸效应。实验上发现了亚微米尺度下纯钛内部存在变形诱发密排六方(HCP)到面心立方(FCC)相变现象。进一步的分子动力学模拟表明：[0001]位向加载下α-Ti单晶纳米柱内HCP到FCC相变是通过{101 ̅2}<101 ̅1>孪晶变形区域，持续的肖克莱不全位错滑移导致的HCP到FCC同素异构转变的结果。该研究结果为亚微米尺度下材料强韧化及纳米尺寸元件设计提供了一个新的可行方法。