Подходы прогнозирующего машинного обучения для изучения микроструктурного поведения многофазных циркониевых сплавов

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5394 (2023) Цитировать эту статью

659 Доступов

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Сплавы циркония широко используются в суровых условиях, характеризующихся высокими температурами, коррозией и радиационным воздействием. Эти сплавы, имеющие гексагональную закрытоупакованную (ГПУ) структуру, термомеханически разлагаются при воздействии жестких эксплуатационных сред из-за образования гидридов. Эти гидриды имеют иную кристаллическую структуру, чем матрица, в результате чего сплав получается многофазный. Чтобы точно смоделировать эти материалы в соответствующем физическом масштабе, необходимо полностью охарактеризовать их на основе микроструктурного отпечатка пальца, который определяется здесь как комбинация особенностей, включающих геометрию гидрида, исходную и гидридную текстуру и кристаллическую структуру этих многофазных сплавов. Следовательно, это исследование разработает подход к моделированию пониженного порядка, в котором этот микроструктурный отпечаток используется для прогнозирования критических уровней напряжения разрушения, которые физически согласуются с микроструктурной деформацией и режимами разрушения. Методологии машинного обучения (ML), основанные на регрессии гауссовского процесса, случайных лесах и многослойных перцептронах (MLP), использовались для прогнозирования критических напряженных состояний разрушения материала. MLP, или нейронные сети, имели самую высокую точность на заданных тестовых наборах на трех заранее определенных уровнях напряжения, представляющих интерес. Ориентация гидрида, ориентация или текстура зерен, а также объемная доля гидрида оказали наибольшее влияние на критические уровни напряжения разрушения и имели весьма значимые частичные зависимости, и по сравнению с этим длина гидрида и расстояние между гидридами оказывают меньшее влияние на напряжения разрушения. Кроме того, эти модели также использовались для точно предсказанной реакции материала на номинальные приложенные деформации в зависимости от микроструктурного отпечатка пальца.

Сплавы циркония широко используются там, где требуется высокая термостойкость, коррозионная стойкость или низкая восприимчивость к радиации1. Их можно использовать в качестве оболочки урана в ядерных реакторах, где воздействие высокой температуры тяжелой воды может вызвать дефекты микроструктуры, вызванные накоплением водорода2,3. Было показано, что эти дефекты ухудшают механические свойства циркониевых сплавов, такие как предельное напряжение растяжения, пластичность и деформации разрушения4,5. Эти микроструктурные характеристики могут играть решающую роль в характеристиках материала во время длительного хранения и в случае аварий, таких как аварии с потерей теплоносителя (LOCA)6. Поэтому важно понимать и прогнозировать воздействие гидридов на эти материалы.

Экспериментальные исследования гидридных циркониевых материалов показали, что гидридные материалы, наряду с геометрией, связанной с гидридами, играют важную роль в характеристике реакции материала. Что касается образования гидридов, происходящего во время замедленного гидридного растрескивания (DHC), Ши и Пульс пришли к выводу, что размер и форма гидридов, осаждающихся на вершине трещины, отрицательно влияют на коэффициент интенсивности напряжений и, следовательно, на распространение трещин7. Экспериментально показано, что вязкость разрушения листа Циркалой-4 снижается с увеличением содержания водорода и увеличением доли радиально ориентированных гидридов8. Было обнаружено, что более высокие температуры уменьшают распространение трещин из-за увеличения пластичности. Исследования разрушения гидридированных материалов показали, что гидриды имеют тенденцию вызывать хрупкое разрушение при температурах ниже 100 °C, при этом матрица демонстрирует пластическое разрушение9. Колас и др. дополнительно изучили термическую зависимость образования гидридов и количественно оценили упругие деформации из-за образования различных ориентаций гидридов10. Шарма и др. обнаружили, что вязкость разрушения снижается при образовании гидридов, и даже в большей степени при образовании радиальных гидридов, примерно на 80% меньше по сравнению с кольцевыми гидридами11. Исследования усталости гидридированных сплавов циркония также показали явное предпочтение образованию микротрещин в радиально ориентированных гидридах12.