力学季刊

作者：何昊东, 陈忠村, 刘虓瀚, 李阳, 杨庆成

关键词：锆合金；晶体塑性有限元法；孔洞演化；各向异性力学行为；代表性体积单元；本构模型

锆合金因其优异的力学性能与耐腐蚀性能，被广泛应用于核反应堆燃料包壳等关键领域．然而，在核辐照作用下，其内部会形成孔洞，从而显著影响材料的力学性能与服役安全性．本文基于晶体塑性有限元法(Crystal Plasticity Finite Element Method, CPFEM)，建立并实现了一种适用于六方密排（Hexagonal Close-Packed, HCP)结构锆合金的率相关晶体塑性本构模型，并通过在Abaqus平台编写UMAT子程序实现数值求解．采用包含球形孔洞的锆合金单晶代表性体积单元(Representative Volume Element, RVE)模型，系统研究了不同加载条件（单轴与双轴拉伸、压缩）下的宏观力学响应与微观孔洞演化规律．结果表明，孔隙率对锆合金的强度与损伤演化具有显著影响：在单轴拉伸下，孔洞扩张导致材料出现明显软化效应；而在单轴压缩下，孔洞收缩引起几何硬化效应，使流动应力随变形持续增加．此外，晶体初始取向对宏观各向异性行为具有决定性影响——当拉伸方向由〈a1〉轴转向〈c〉轴时，材料表现出更高的屈服强度与弹性刚度．进一步研究发现，多轴应力状态会显著改变孔洞的演化特征：双轴拉伸加速软化失效过程，而双轴压缩则强化硬化效应．该研究揭示了孔洞演化、晶体取向与加载路径对HCP锆合金力学行为的耦合影响，为复杂应力条件下的结构安全评估与性能优化提供了重要理论依据．

来源：2026年第1期

《力学季刊》期刊编辑部

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