Paduan zirkonium memiliki sifat komprehensif yang sangat baik dan banyak digunakan sebagai pelapis dan tabung tekanan bahan bakar nuklir. Paduan zirkonium mudah menyerap hidrogen untuk membentuk zirkonium hidrida rapuh yang didistribusikan di sepanjang bidang dasar, yang mempercepat penggetasan dan kegagalan kelongsong paduan zirkonium. Mengklarifikasi mekanisme nukleasi dan pertumbuhan hidrida sangat penting untuk menghambat pengendapan hidrida dan memperpanjang masa pakai kelongsong paduan zirkonium. Makalah ini mengungkapkan mekanisme baru pengendapan dan pertumbuhan zirkonium hidrida di bawah kendali dislokasi. Studi in situ menunjukkan bahwa proses pertumbuhan hidrida menyajikan urutan bergantian pertumbuhan dislokasi emisi hidrida dislokasi kembali emisi hidrida kembali tumbuh.
Menurut karakteristik migrasi atom, transformasi logam padat dapat dibagi menjadi transformasi tipe difusi dan transformasi tipe non-difusi (seperti transformasi martensit). Ada jenis transformasi lain yang tidak hanya menghasilkan geser, tetapi juga memerlukan bantuan difusi atom terlarut, yaitu transformasi tipe campuran, seperti transformasi bainit. Pengendapan zirkonium hidrida memiliki karakteristik serupa. Secara umum diyakini bahwa slip dislokasi shawclay dan difusi atom hidrogen larutan padat mengoordinasikan pengendapan hidrida. Namun, mekanisme rinci mengenai curah hujan dan pertumbuhan tidak dilakukan melalui penelitian lapangan yang mendalam dan intuitif. Selain itu, hidrida dalam paduan zirkonium selalu dibungkus oleh struktur dislokasi kompleks berbentuk sarang burung atau kupu-kupu. Sekalipun hidrida terurai selama pemanasan, struktur dislokasi di sekitarnya masih dapat dipertahankan. Oleh karena itu, memperjelas bagaimana membentuk struktur dislokasi yang kompleks dalam proses pengendapan zirkonium hidrida dan memperjelas hubungan antara struktur dislokasi kompleks dan transisi fase zirkonium hidrida sangat penting untuk memahami transisi fase zirkonium hidrida, mengatur pengendapan. hidrida, dan menghambat penggetasan hidrogen zirkonium hidrida.
Gambar 1 Emisi dislokasi mengatur pertumbuhan hidrida. (A-D) pertumbuhan hidrida disertai emisi dislokasi depan pada suhu kamar; (E, f) reaksi dislokasi di bagian depan hidrida; (g) Kurva panjang hidrida terhadap waktu, dan huruf pada gambar sesuai dengan gambar (A-F).
Pengendapan zirkonium hidrida biasanya terjadi pada proses pendinginan dari suhu tinggi ke suhu kamar. Dengan penurunan suhu, kelarutan hidrogen dalam zirkonium secara bertahap menurun, yang kondusif bagi nukleasi dan pertumbuhan hidrida. Proses pertumbuhan unik ini juga menimbulkan tantangan bagi studi in-situ mengenai zirkonium hidrida. Baru-baru ini, kelompok penelitian Profesor hanweizhong dari fakultas material, Universitas Xi'an Jiaotong menemukan bahwa iradiasi berkas elektron dapat menginduksi nukleasi dan pertumbuhan hidrida dalam zirkonium pada suhu kamar, yang menyediakan metode baru yang sederhana dan mudah untuk in-situ. mempelajari proses transisi fasa zirkonium hidrida. Berdasarkan metode ini, seluruh proses nukleasi dan pengendapan hidrida dipelajari secara sistematis oleh kelompok penelitian menggunakan mikroskop elektron transmisi. Pengendapan hidrida mencakup dua langkah: emisi dislokasi dan pertumbuhan hidrida. Dalam studi tersebut, proses transisi fase zirkonium hidrida diperlambat dengan mengurangi konsentrasi hidrogen (zirkonium menyerap sejumlah kecil hidrogen dalam proses jet ganda). Dengan menggunakan kamera beresolusi tinggi, tertangkap bahwa emisi dislokasi dan pertumbuhan hidrida adalah proses yang bergantian, seperti pertumbuhan emisi dislokasi hidrida dislokasi ulang emisi hidrida (Gbr. 1), bukan proses sinkron. Pengamatan mikroskop elektron resolusi tinggi menemukan bahwa terdapat tahapan yang tidak rata pada antarmuka antara bagian depan hidrida dan matriks, yang memberikan kondisi yang menguntungkan untuk emisi dislokasi pada bagian depan hidrida (Gbr. 2).
Gambar 2 Struktur atom dan medan tegangan bagian depan hidrida. (a-c) γ- Hidrida dan fase induk α- Gambar atom antarmuka antara Zr. (d) Model bentuk hidrida acicular. (e) Diagram skema sistem slip hidrida dan prisma di Zr. (f) Tegangan Von Mises di sekitar bagian depan hidrida. (G-I) komponen tegangan geser τ Proyeksi YZ pada tiga sistem slip silinder.
Perhitungan teori fungsional densitas menunjukkan bahwa transisi fasa hidrida menghasilkan tegangan tarik pada matriks zirkonium dan tegangan tekan pada hidrida. Tegangan tarik yang dihasilkan oleh pemuaian volume transisi fase zirkonium hidrida cukup untuk merangsang slip dislokasi silinder, kerucut, dan bidang alas pada zirkonium, yang memungkinkan terbentuknya struktur dislokasi kompleks di sekitar hidrida (Gbr. 2). Melalui perhitungan dan analisis energi bebas, ditemukan bahwa pemuaian volume yang disebabkan oleh transisi fasa hidrida membentuk tegangan tekan, yang tidak kondusif bagi pengendapan dan pertumbuhan hidrida secara terus menerus. Ketika fasa hidrida berubah, tegangan tarik di dalam matriks meningkatkan kelarutan hidrogen padatan di bagian depan antarmuka hidrida, dan gaya penggerak perubahan fasa berkurang. Ketika dislokasi dipancarkan dari bagian depan hidrida, tegangan tarik matriks di sekitarnya berkurang, dan kelarutan padat hidrogen pada bagian depan antarmuka berkurang, mencapai keadaan supersaturasi hidrogen, yang mendorong pengendapan hidrida lebih lanjut. Selain itu, emisi dislokasi dapat meningkatkan gradien konsentrasi hidrogen antara bagian depan hidrida dan matriks zirkonium, mempercepat laju pengendapan zirkonium hidrida, dan mendorong pertumbuhan hidrida (Gbr. 3).
Gambar 3 Kurva energi bebas Gibbs dari presipitasi hidrida. (a) Energi bebas Gibbs setiap atom Zr dalam struktur HCP dan FCT bervariasi menurut konsentrasi dan tegangan hidrogen. (b) Pengaruh emisi dislokasi terhadap kurva energi bebas Zr Gibbs fase hidrida dan induk. Kurva merah adalah α- kurva energi bebas Gibbs dari Zr, ketika hidrida bertambah, α- Tegangan tarik terakumulasi dalam Zr, energi bebas Gibbs berkurang, dan hidrogen adalah α- Kelarutan dalam Zr meningkat; Ketika dislokasi dipancarkan, tegangan dilepaskan dan hidrogen dilepaskan dalam α- Kelarutan dalam Zr berkurang dan mendorong migrasi antarmuka hidrida. (c) Variasi panjang hidrida terhadap waktu dan kurva laju pertumbuhannya. (d) Konsentrasi hidrogen dan gradien konsentrasi hidrogen pada antarmuka sebelum dan sesudah emisi dislokasi.
Kesimpulannya, pengendapan zirkonium hidrida merupakan proses transisi fase campuran yang dikendalikan oleh emisi dislokasi dan difusi hidrogen. Pengendapan zirkonium hidrida menyebabkan tegangan tarik pada matriks zirkonium di sekitarnya, yang mendorong pengayaan hidrogen ke ujung hidrida, namun tegangan tarik meningkatkan kelarutan padat hidrogen, yang tidak kondusif untuk transformasi fase lebih lanjut; Emisi dislokasi melepaskan tegangan tarik dalam matriks zirkonium, mengurangi kelarutan hidrogen padatan, dan mendorong pertumbuhan zirkonium hidrida; Laju pertumbuhan zirkonium hidrida setelah emisi dislokasi menunjukkan karakteristik mula-mula cepat dan kemudian lambat, hal ini disebabkan oleh peningkatan tegangan tarik secara bertahap dalam matriks zirkonium dan tegangan tekan internal hidrida yang disebabkan oleh pengendapan lebih lanjut dari zirkonium hidrida, hingga fase transisi. sepenuhnya ditekan. Tekanan ekspansi volume endapan zirkonium hidrida menggairahkan sistem Multi slip dalam matriks zirkonium, dan interaksi dislokasi pada sistem Multi slip membentuk struktur dislokasi sarang burung atau kupu-kupu yang kompleks di sekitar hidrida.
Hasil penelitiannya dipublikasikan di jurnal akademis kecil dengan judul "location mediated hydrid presisi in zirconium", dengan faktor dampak sebesar 13,281. Mahasiswa doktoral Liusimian adalah penulis pertama makalah ini, dan Profesor Hanweizhong adalah penulis koresponden pertama makalah ini. Kolaboratornya antara lain Dr. Akio Ishii, Profesor Mi Shaobo, Profesor Shigenobu Ogata, dan Profesor Li Ju.
