應力腐蝕開裂是指金屬在氧化腐蝕和應力的共同作用下導致晶體結構變化從而引起的開裂現象。
核電廠一回路中的金屬器件會受到放射性輻照，輻照損傷導致的晶體結構變化使應力腐蝕開裂現象更容易發生。
圖1 晶間應力腐蝕開裂的電鏡掃描顯示結果
基于晶體微觀結構的建模和斷裂力學有限元仿真可以對應力腐蝕開裂的過程進行可視化的模擬。利用有限元仿真，可以進一步提高我們對應力腐蝕開裂的理解，并且通過有限元仿真的方式可以對應力腐蝕開裂的產生進行相應的預測，為核電廠一回路的金屬元器件正常運行提供相應的保障。
本案例基于有限元斷裂力學仿真，對應力腐蝕開裂的生成過程進行相應的仿真。
在晶體微觀結構建模上，本案例利用10節點四面體單元對晶粒結構進行相應建模，模擬實際的晶體結構。如下圖所示，整個正方體結構代表研究樣品的一個微小樣本，每個彩色的不規則結構代表一個晶粒。整個所研究的材料樣本的有限元網格中包含172個晶粒、52000個節點，35000個10節點四面體單元。平均每個晶粒中包含210個單元。
應力腐蝕有兩種不同的類型，一種是沿晶腐蝕，另外一種是穿晶腐蝕，穿晶腐蝕的機理更加復雜。目前有限元仿真可以對沿晶應力腐蝕的過程做出仿真。首先需要確定所有晶粒之間的邊界，從而進一步在仿真中得到發生應力腐蝕開裂的路徑。如下圖所示找出了所有的晶體邊界。
應力腐蝕過程存在著三個階段：潛伏階段、裂紋萌生階段以及裂紋傳播階段。在潛伏階段中，晶體微結構受到應力作用和晶間腐蝕作用的影響，但是并沒有裂紋生成。在裂紋萌生階段中，裂紋開始生成，但是裂紋穿透深度很小。之后裂紋逐漸擴展，達到裂紋傳播階段，此時裂紋擴大至可以穿過整個晶間區域。有限元仿真的一個難點在于準確的判斷出不同的晶粒間所處的應力腐蝕的階段，為此相關研究人員開發出了一套如下圖所示的具體仿真流程。
仿真過程中可以通過不同晶粒之間的PH值判斷是否發生氧化?？紤]到本研究是基于有限元的斷裂力學仿真，并沒有引入多物理場。氧化一般會發生在金屬與水的交界面上，當判斷晶粒間出現氧化后，會給晶粒間一個更小的臨界切應力，使得裂紋萌生的過程更容易發生。
首先，需要計算裂紋出現前晶體結構上的應力結果，再根據應力計算結果，基于開裂準則來判斷裂紋是否萌生。下圖中展示了（100）（111）（110）晶向交界處的平均等效應力計算結果。
再依據開裂準則可以判斷出裂紋是否萌生和傳播擴展，接下來就可以進一步對應力腐蝕開裂處的上下邊界進行平均等效應力計算。下圖展示了發生應力沿晶腐蝕后，每個高斯積分點上的等效應力計算值統計結果。
圖6
應力腐蝕開裂時高斯積分點上的等效應力計算結果
應力腐蝕開裂的有限元仿真可以提高研究人員對于應力腐蝕開裂的認知，在協助驗證假設機理的過程中可以起到重要作用。同時，通過有限元仿真也可以預測出裂紋萌生所需時間和裂紋拓展速度。在材料學晶體學的基礎研究、實驗研究中有限元仿真也可以協助改進實際工程模型。
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