Multi-field modelling of hydride forming metals
- Reference number
- SM11-0037
- Start and end dates
- 120101-141231
- Amount granted
- 1 127 220 SEK
- Administrative organization
- Quantum Technologies AB
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The project aims to extend and disseminate computational methods, developed by Quantum Technologies AB (QT) for modelling hydrogen transport, hydrogen-induced deformation and fracture in hydride forming metals. The modelling is based on a continuum description of the two-phase (metal+hydride) material, in which the multi-field partial differential equations for the involved and strongly interconnected phenomena are solved within a three-dimensional finite element framework. The computational methods developed by QT are currently restricted to particular applications (Zr-base alloys used in nuclear reactor environments). We believe that their range of application can be significantly widened, and thereby become of interest for a large community. To this end, we intend to - generalise the computational methods and models to Ti-alloys - extend their range of use beyond nuclear power applications - verify and validate the models against existing open literature data and experiments on Zr- and Ti-alloys - disseminate the computational methods and models to industry and academia The reserach will be carried out in the form of a part-time affiliation to the department for Materials Science and Applied Mathematics at Malmö University (MAH), where research is being pursued on computational modelling of hydride forming metals. Significant synergetic effects are expected between the proposed project and projects already running at the department.
Popular science description
Väte upptas och transporteras i metaller genom diffusion, där transportriktningen styrs av materialets temperatur- och spänningsfördelning. Vid höga vätehalter kan spröda partiklar av metallhydrid fällas ut, vilket kan resultera i att materialet förlorar mycket av sin ursprungliga styrka och seghet. Denna försprödningsmekanism är av stor praktisk betydelse för legeringar av titan och zirkonium, vilka används inom flyg- respektive kärntekniska tillämpningar. I praktiska tillämpningar är denna försprödningsmekanism synnerligen svår att analysera med beräkningsmodeller, då ett flertal samtidiga och starkt växelverkande fenomen måste beaktas och modelleras: - Vätediffusion styrd av materialets temperatur- och spänningsfördelning - Fasomvandling, det vill säga kemisk omvandling från metall till metallhydrid och omvänt - Orientering av utfällda metallhydridpartiklar med avseende på belastningsriktning - Anisotrop och heterogen expansion av materialet på grund av både löst väte och metallhydridpartiklar - Brott av det spröda materialet Forskningen i detta projekt syftar till att utveckla generella beräkningmetoder för ovan beskrivna fenomen i titan- och zirkoniumlegeringar, lämpade för ingenjörsmässiga konstruktions- och säkerhetsanalyser. Metoderna baseras på en kontinuummekanisk beskrivning av det hydrerade materialet, och avancerade finitelementmetoder används för att lösa de partiella differentialekvationer som styr ovan nämnda fenomen. Ett särdrag hos dessa ekvationer är att de omfattar ett flertal fältvariabler, såsom temperatur, vätekoncentration och mekanisk spänning. Detta så kallade multifält- eller multifysikproblem kräver speciella lösningsmetoder, vilka utvecklas inom detta projekt.