基于位错驱动的混合硬化机制，开发并验证了Zr-2合金焊接接头中的本构建模方法

《Journal of Nuclear Materials》：Development and validation of constitutive modelling in Zr-2 alloy welded joints based on dislocations-driven mixed hardening mechanism

焊接接头本构模型构建及热力耦合响应验证。摘要：本研究针对Zr-2合金焊接接头微观结构异质性和残余应力问题，通过多循环试验和微观表征，建立了分区域本构模型，有效模拟焊接热力耦合响应，验证了模型准确性。

　　

李若宇|姚俊俊|王帅|梅乐|张俊宝|余春|徐继金

上海交通大学材料科学与工程学院材料激光加工与改性重点实验室，中国上海200240

摘要

核级锆合金的焊接会引入显著的微观结构异质性和残余应力，这对反应堆环境中结构部件的性能产生关键影响。本研究建立了一个基于微观结构的本构模型，以准确捕捉Zr-2合金焊接接头中的区域特定循环力学行为。通过等温多循环拉伸-压缩试验和详细的TEM/EBSD表征，我们识别出不同焊接区域的主要硬化机制：在低温（20°C–400°C）下以位错增殖为主的各向同性硬化；在中温（400°C–800°C）下结合了各向同性和运动硬化以及动态恢复；在高温（≥800°C）下几乎纯粹的运动硬化。在低温区域，$P_{\text{Iso}}$的值被设定为0.54。在中温区域，采用线性温度依赖值来定义$P_{\text{Iso}}$；而在高温区域则采用常数值0。该模型在SYSWELD中实现，有效模拟了TIG焊接过程中的热机械响应。通过与实验热循环和残余应力测量的对比验证，确认了预测的温度场和应力分布的准确性。所提出的建模框架为预测锆合金部件中的焊接引起的残余应力提供了物理基础，支持核应用中的结构完整性评估。

引言

核反应堆在极端条件下运行——高温、高压、强烈的中子辐照和腐蚀性冷却剂——这对结构材料提出了严格的要求。由于锆合金具有低热中子吸收率、高温强度和耐腐蚀性，因此被广泛用于燃料包壳和压力保持部件；它们被应用于压水反应堆和重水反应堆系统[[1], [2], [3], [4]]。目前，锆合金燃料包壳主要由轧制管制成。然而，对于大直径薄壁部件（如反应堆壳管），由于现有轧制工艺无法满足要求，通常采用先轧制板材再焊接的方法。这一过程在焊接过程中引入了强烈的热机械耦合，导致显著的微观结构异质性和残余应力分布，从而影响部件的服务性能[[5], [6], [7], [8], [9]]。焊接接头内不同微观区域所经历的不同热历史和应力历史导致晶粒结构、位错配置和硬化行为的复杂演变，这突显了建立能够表征这些区域热弹性塑性响应的准确本构模型的迫切需求[[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。

近年来，关于锆合金焊接的研究日益广泛[[4,[17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]]。当前的系统研究主要集中在两个方向：首先，不同合金之间的锆合金焊接，用于先进的事故耐受燃料概念，其中的挑战在于焊接过程中的复杂冶金和机械相互作用[[18], [19], [20]]；其次，关于带有组合间隔栅格的燃料组件的锆合金焊接[[21], [22], [23]]。由于空间和尺寸限制，这些应用中通常采用电阻点焊、电子束焊接（EBM）或激光束焊接（LBM）。最近的研究表明，这些高能量密度工艺（LBW, EBW）与电弧焊接有显著不同[[25,26]]。具体来说，它们固有的快速冷却速率通常促进细小的针状马氏体微观结构的形成，并导致狭窄的热影响区（HAZ）。虽然这些自生成方法具有低变形，但通常需要严格的零间隙装配。相比之下，对于需要填充金属来适应装配公差的结构部件，TIG焊接仍然是不可或缺的。然而，这一过程会导致更宽的热影响区和复杂的微观结构异质性，因此需要本研究开发的复杂区域特定本构建模方法。此外，这些研究往往关注宏观性能，如断裂行为和耐腐蚀性能，缺乏对介观和微观尺度上热机械行为和微观结构演变的全面理解。因此，对于Zr-2合金大直径薄壁壳管的焊接，分析微观尺度上的机械响应尤为重要。

传统的实验方法主要依赖于机械测试和微观结构表征来研究焊接接头的机械行为，通常只能提供有限的宏观性能数据，不足以捕捉焊接过程中的复杂温度梯度、应力演变和局部响应的差异。随着数值模拟技术的进步，焊接模拟已成为研究焊接结构性能的重要工具，并已广泛应用于铝合金和钢材等材料[[27], [28], [29]]。这些研究不仅成功揭示了热机械过程对微观结构演变和残余应力分布的影响，还为优化焊接工艺和提高结构可靠性提供了理论基础。尽管关于锆合金的焊接模拟研究相对有限，但可以利用其他合金系统的建模经验，将模拟方法与微观结构特性相结合，以更准确地反映焊接接头的机械性能。

此外，研究焊接后不同微观区域的机械变化需要了解焊接过程中的微观结构演变。锆合金主要由具有六方密排（HCP）结构的α相组成。焊接过程中的强烈热机械耦合会引发显著的位错活动和孪生。具体来说，-型位错滑移主导了沿基面的塑性变形，而沿轴的变形则依赖于孪生或含有组分的位错的滑移。对钛合金的研究表明，高密度的静止位错会积累并固定其他移动位错，从而导致丰富的位错壁，从而产生强烈的应变硬化效应[[30]]。在较高温度下，-型位错（Burgers矢量为$1/3〈11\bar{2}3$也变得活跃，尽管它们的临界分辨剪切应力仍然显著高于-型位错[[31,32]]。因此，由于不同的热历史和应力历史，接头不同区域的主导位错机制也有所不同。根据现有研究，硬化模型的选择和参数化通常与合金中位错的状态有关，如位错类型和密度[[33], [34], [35]]。假设均匀的机械性能而不考虑微观尺度特性，难以准确捕捉接头不同区域的真实机械行为。因此，将微观结构表征纳入焊接模拟并利用它们来指导硬化模型的选择对于提高模拟的预测准确性和本构模型的可靠性至关重要。

然而，当前的研究仍缺乏不同硬化机制区域主导性的系统证明。许多研究遵循“统一材料响应”的假设，忽略了热影响区中的动态恢复和基体金属中的位错增殖等机制在控制硬化行为中的主导作用。为了解决这一限制，本研究基于Zr-2合金焊接接头的微观区域微观结构和等温多循环拉伸-压缩试验，确定了不同区域的主导硬化机制。据此，建立了一个非线性混合硬化模型，并通过调整各向同性比例因子$P_{\text{Iso}}$实现了区域区分。具体来说，$P_{\text{Iso}}$在LT区域被设定为0.54，在HT区域为0，在MT区域则通过温度的线性函数定义。然后将该模型应用于SYSWELD平台，模拟焊接过程中的耦合热机械行为，并通过将结果与实验残余应力测量进行比较来验证其准确性。本研究不仅为锆合金焊接结构的残余应力评估提供了一种可靠的方法，还为预测核合金的服务性能和推进机械建模提供了理论基础。

章节片段

焊接工艺

本研究选择了热轧后经过时效硬化的Zr-2合金板，其具体化学成分列在表1中。作为原材料使用的是一块矩形热轧Zr-2合金板。该板在650°C ± 10°C的氩气保护气氛下通过热轧和弯曲工艺加工成外径为130 mm、壁厚为1.6 mm、长度为150 mm的Zr-2合金管，如图1(a)所示。

建模

为了建立可靠且高效的集成焊接模型，首先使用Visual-Mesh软件生成了有限元网格模型，然后将其导入SYSWELD进行焊接模拟。根据实验数据输入了材料的温度依赖性热物理属性，未考虑焊接过程中的相变行为。采用了双椭球形热源模型。热源模型的参数通过热

温度模拟结果和验证

图11(a)显示了10秒、60秒、100秒和110秒时的焊接温度场分布。温度高于1850°C的区域可以视为熔池，这与实际焊接后的焊缝尺寸相符。由于材料的热物理属性随温度变化，焊接过程中不同区域的冷却过程是不均匀的。在热源加载期间，温度以不规则的椭圆形模式扩散；在冷却期间，高温区域

结论

本研究系统地研究了Zr-2合金焊接接头的微观结构演变和机械响应特性。通过结合循环拉伸-压缩实验、TEM/EBSD微观结构表征和数值模拟，揭示了温度和区域差异对硬化机制的主导作用。在此基础上，提出了一种区域差异化的本构建模方法。主要结论如下：

• 1.
  研究结果

未引用的参考文献

[[36], [37], [38]]

CRediT作者贡献声明

李若宇：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、数据整理。姚俊俊：撰写——审阅与编辑、概念化。王帅：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。梅乐：验证、方法论。张俊宝：概念化。余春：概念化。徐继金：撰写——审阅与编辑、监督。