锆合金包壳管是反应堆的第一道安全屏障，在反应堆服役过程中，因高温高压水与锆的腐蚀反应，导致包壳管发生吸氢，形成环向氢化物。同时，在乏燃料后处理过程中因热-力耦合作用，氢化物发生再取向，形成径向氢化物。锆合金包壳管易受到氢致退化作用，导致材料延性、断裂韧性降低，尤其是径向氢化物。本文采用多尺度方法研究了包壳管用锆合金中氢化物的析出机制、塑性变形机制及疲劳开裂行为，并系统研究了氢化物取向对不同类型包壳管(等轴微观组织包壳管、纤维组织包壳管)的疲劳失效机制的影响。
　　依据不同变形系统施密特因子计算和滑移迹线分析方法确定了包壳管不同应力状态下(轴向拉伸、轴向压缩和环向拉伸)的协调变形机制。轴向拉伸下，柱面滑移、锥面滑移和{10-11}压缩孪晶协调变形。轴向压缩时，柱面滑移和{10-12}拉伸孪晶共同协调变形。环向拉伸时，柱面滑移和锥面滑移协调变形。
　　通过光镜、扫描电镜、电子背散射衍射及透射电镜表征方法对环向、再取向径向氢化物进行微观结构及晶体学分析，结果表明再取向径向氢化物与环向氢化物具有相同的晶体学特征和局部错配协调机制，环向应力仅改变了宏观氢化物的生长方向。
　　研究了不同微观组织包壳管中氢化物的析出特点、氢化物的疲劳开裂行为。氢化物的析出形貌，由包壳管的织构特征和晶粒形状共同决定。当氢化物的长轴方向平行于循环应力方向时，氢化物首先发生Ⅰ型模式断裂，随后发生Ⅱ型模式裂纹扩展(局部裂纹扩展长度可达83μm)。当氢化物的长轴方向垂直于循环应力方向时，氢化物则发生Ⅰ型模式断裂和扩展。
　　包壳管轴、环向中断疲劳试验表明微裂纹首先萌生于穿晶氢化物或晶间氢化物。基体中疲劳裂纹沿滑移带形核并扩展，是导致低氢含量(200-300 ppm)下不同微观组织渗氢包壳管疲劳失效的重要因素。系统研究了氢化物取向对包壳管环向疲劳失效机制的影响，氢化物径向取向为疲劳裂纹扩展提供有利路径，裂纹沿径向氢化物-基体界面扩展，使疲劳寿命降低，其中氢化物完全再取向下降低约41%。考虑基体相邻晶粒晶体取向差异对氢化物产生的晶界应力，分析了不同取向氢化物的临界断裂条件(σt=σa+σi+σe+σGB)，基于不同材料及界面的能量释放率(KICInterface/KICMatrix(人)GⅠ/GⅡ)评估了氢化物中裂纹扩展行为。