氢化物析出对单晶锆冲击行为的原子尺度研究：相变与界面失效机制

本文通过非平衡分子动力学(NEMD)模拟揭示了氢化物析出对单晶锆(Zr)冲击响应的调控机制。研究发现[0001]和[11ˉ20]晶向的冲击会引发显著相变并降低冲击波速，而氢化物存在会促进Zr-氢化物界面空穴形核，当粒子速度达1.25 km/s时剥离强度(spall strength)降至13.34 GPa。研究为核反应堆材料在极端条件下的失效预警提供了原子尺度见解。

　　

Highlight

本研究采用非平衡分子动力学(NEMD)模拟，揭示了氢化物析出对单晶锆(Zr)冲击行为的调控机制。通过分析粒子速度、压力和密度的时空分布，结合冲击波速和剥离损伤评估，发现[0001]和[11^ˉ20]晶向的冲击会导致更显著的相变，而[^ˉ1100]晶向则表现为冲击波速降低。氢化物的存在会引发Zr-氢化物界面处的空穴形核，随着活塞速度增加最终导致材料剥离。

Computational details

采用LAMMPS软件包进行NEMD冲击模拟，通过OVITO软件分析数据。使用经多篇研究验证的COMB势函数描述Zr-H原子相互作用，该势函数能准确捕捉氢化物相的界面动力学行为。

Results and discussion

• 相变主导冲击行为：[0001]和[11^ˉ20]晶向冲击引发显著相变

• 氢化物尺寸效应：剥离强度随氢化物尺寸和氢浓度增加而降低

• 界面失效机制：氢化物-基体界面处出现局部压力降和空穴形核

• 临界速度阈值：粒子速度1.25 km/s时剥离强度为13.34 GPa

Conclusions

氢化物析出会显著恶化Zr的冲击性能，这种效应源于相变行为和界面失效的协同作用。研究结果为核反应堆等关键应用中锆合金材料的寿命预测提供了原子尺度理论基础。