多相ジルコニウム合金の微細構造挙動に対する予測機械学習アプローチ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5394 (2023) この記事を引用

659 アクセス

1 引用

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ジルコニウム合金は、高温、腐食性、放射線曝露を特徴とする過酷な環境で広く使用されています。 これらの合金は六方最密充填 (hcp) 構造を持ち、過酷な動作環境にさらされると水素化物の形成により熱機械的に劣化します。 これらの水素化物はマトリックスとは異なる結晶構造を持っており、その結果多相合金が形成されます。 これらの材料を適切な物理スケールで正確にモデル化するには、微細構造のフィンガープリントに基づいて材料を完全に特徴付ける必要があります。微細構造のフィンガープリントは、水素化物の形状、親および水素化物の組織、およびこれらの多相合金の結晶構造を含む特徴の組み合わせとして定義されます。 したがって、この調査では、この微細構造のフィンガープリントを使用して、微細構造の変形および破壊モードと物理的に一致する臨界破壊応力レベルを予測する、低次数モデリング アプローチを開発します。 ガウス過程回帰、ランダム フォレスト、および多層パーセプトロン (MLP) に基づく機械学習 (ML) 手法を使用して、材料の破壊臨界応力状態を予測しました。 MLP (ニューラル ネットワーク) は、対象となる 3 つの事前に決定されたひずみレベルにわたって、ホールドアウトされたテスト セットで最も高い精度を示しました。 水素化物の配向、結晶粒の配向または組織、および水素化物の体積分率は、臨界破壊応力レベルに最も大きな影響を及ぼし、非常に重要な部分的な依存性を持っていました。それに比べて、水素化物の長さと水素化物の間隔は破壊応力にあまり影響を与えません。 さらに、これらのモデルは、微細構造のフィンガープリントの関数として、公称適用ひずみに対する材料の反応を正確に予測するためにも使用されました。

ジルコニウム合金は、高温耐性、耐食性、または放射線に対する低い感受性が要求される環境で広く使用されています1。 これらは原子炉内のウランの被覆材として使用できますが、高温の重水にさらされると、水素の蓄積によって微細構造内に欠陥が生じる可能性があります 2,3。 これらの欠陥は、極限引張応力、延性、破壊ひずみなどのジルコニウム合金の機械的挙動特性を劣化させることが示されています 4,5。 これらの微細構造特性は、長期保管中や冷却剤喪失事故 (LOCA) などの事故における材料の性能に重要な役割を果たす可能性があります6。 したがって、これらの材料に対する水素化物の影響を理解し、予測することが不可欠です。

水素化ジルコニウム材料の実験的研究により、水素化材料は、その水素化物に関連する形状とともに、材料の応答を特徴付けるのに役立つことが示されています。 Shi と Puls は、遅延水素化物分解 (DHC) 中に起こる水素化物の形成について、亀裂の先端で析出する水素化物のサイズと形状が応力拡大係数に悪影響を及ぼし、それによって亀裂の伝播に悪影響を与えると結論付けました7。 ジルカロイ 4 シートの破壊靱性は、水素含有量が増加するにつれて、また放射状に配向した水素化物の割合が増加するにつれて減少することが実験的に示されています8。 温度が高くなると延性が高まるため、亀裂の伝播が減少することがわかりました。 水素化材料の破壊に関する研究では、水素化物は 100 °C 未満の温度で脆性破壊を引き起こす傾向があり、マトリックスが延性破壊を示すことが示されています9。 コーラスら。 は、水素化物形成の熱依存性をさらに研究し、異なる水素化物配向の形成による弾性歪みを定量化しました。 シャルマら。 は、水素化物の形成により破壊靱性が低下し、半径方向の水素化物の形成ではさらに低下し、円周方向の水素化物と比較して約 80% 減少することを発見しました 11。 水素化ジルコニウム合金の疲労に関する研究では、放射状に配向した水素化物での微小亀裂の形成が非常に好まれることも示しています12。