Fatigue behavior is intrinsically linked to microstructural alterations induced by cyclic loading. However, the quantification of microstructural defects associated with fatigue damage of NiTi shape memory alloys (SMAs) is lacking, which hinders the development of a physically based fatigue criterion. To this end, a multi-scale experimental analysis was conducted on cyclically deformed NiTi SMAs, which evidenced a strong correlation between microstructural inhomogeneity and localized deformation behavior. The microstructural change associated with fatigue was quantified in terms of stored strain–energy, with the highest values observed in the regions where fatigue cracks initiate. Consequently, stored energy is deemed as an effective fatigue indicator, offering valuable insights for future work in the design and optimization of SMAs' structures against fatigue.

Neutron shielding materials face imbalanced behaviors among shielding, strength, and ductility properties. Based on the requirement of the high property shielding particles, a superior semi-coherent τ(Al4MgGd) phase was designed and predicted by cluster expansion (CE) method using density functional theory calculations. To realize its shielding property, the Powder Metallurgy-based routines (i.e., powder fabrication, spark plasma sintering, and hot extrusion techniques) are used to fabricate 6TiB2/Al-6Mg-5Gd (wt.%) composite with dispersed refined τ phases and homogenized TiB2 distribution. The atomic structure of ternary phase τ is examined by aberration-corrected high-angle annual dark-field (HAADF) scanning transmission electron microscope (STEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDXS) STEM experiments, which is well complied with the calculated compound (Al4MgGd). In detail, the τ(Al4MgGd) phase has a semi-coherent interface both with α-Al and TiB2, which is consistent with the prediction of interface relationships. With the optimized interfaces, the TiB2 and τ phases can effectively promote recrystallization and suppress grain growth, leading to the formation of ultra-fine grain structure. Then, the composite exhibits advanced shielding properties (Macroscopic transmission cross section ∼24.1 /cm, higher than 30%B4C/Al) and optimized synergic mechanical properties (Ultimate tensile strength ∼506 MPa, elongation ∼12.9%), which are far higher than available Al-based neutron shielding materials. Finally, the underlying strength-ductility mechanisms are discussed. Critically, the design and optimization of shielding particle interfaces are reliable strategies for developing novel structural-functional integrated materials.

Hydrogen embrittlement is a crucial factor for the performance and life of zirconium alloys in nuclear industry. During service, the residual stress in the materials induces re-distribution of hydrogen, which further affects the fracture behavior. This study is dedicated to investigating the hydrogen diffusion and precipitation under the meso-scale non-uniform deformation field. The texture effect of hydrogen behavior was examined by considering three different texture scenarios: grains with c-axis deviating from the tensile direction of random angle, 0°and 90°. The cases were termed Random, T000, and T0900 respectively. The crystal plasticity finite element method (CPFEM) was employed to simulate the stress-assisted diffusion of hydrogen atoms in the polycrystalline zirconium alloy. It is determined that the T0900 case gets fewer regions with higher hydrostatic stress gradient, which helps relieve the hydrogen concentration. Compared to the T0900 texture, the interaction between soft and hard grains in the Random and T000 texture conditions results in higher stress gradient and severe hydrogen concentration. Statistical analysis was conducted and the hydrogen concentration in the three textures presents a normal distribution. T0900 gets a relatively lower overall hydrogen concentration while the T000 texture gets severe hydrogen concentration larger than 120 wt.ppm. In Random and T000 textures, hydrogen tends to accumulate at grain interior and boundaries, and continuous hydrogen concentration band forms along adjacent GBs. The T0900 scenario is free of large continuous hydrogen concentration zones, which helps reduces the adverse effects of hydrogen diffusion and precipitation. The findings of the work advance the understanding of the hydrogen behavior affected by stress heterogeneity and texture, which is the basis for the exploration of hydrogen embrittlement.