Bertolino, Graciela (2001) Deterioro de las propiedades mecánicas de aleaciones base circonio por interacción con hidrógeno / Degradation of the mechanical properties of zirconium-base alloys due to interaction with hydrogen. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
Motivado por aspectos de seguridad y por intenciones en extender la vida útil de las centrales nucleares en servicio existe actualmente interés por conocer el comportamiento de las aleaciones utilizadas en reactores nucleares y la influencia del medio y la radiación sobre el mismo. En particular, resulta importante conocer el efecto de la reacción de los componentes estructurales de aleaciones base Circonio, por ejemplo Zircaloy-4 (Zry-4), con el hidrógeno retenido durante el proceso de fabricación o incorporado en la operación que dan lugar a la formación de fases frágiles (hidruros) que afectan la integridad estructural del elemento. Este trabajo presenta el estudio de la influencia de la temperatura y el contenido de hidrógeno en las propiedades mecánicas del Zry-4, mostrando resultados experimentales así como de simulación computacional. A partir de muestras de Zry-4 comercial se realizó la caracterización metalúrgica y mecánica tradicional para obtener sus propiedades básicas. Se desarrollaron e implementaron técnicas de incorporación intencional y controlada de hidrógeno a las probetas para realizar el estudio del efecto de este elemento en las propiedades mecánicas. Se implementaron técnicas de mecánica de fractura elastoplástica para el estudio de la tenacidad de las aleaciones. Se ensayaron probetas con distribución homogénea de hidrógeno y con aquella dada por el resultado de la aplicación de un campo de tensiones con máximos en la zona de la punta de la fisura. También se aplicaron metodologías de ensayos en probetas pequeñas de flexión en tres puntos que permitieron la observación de la formación y desarrollo de fisuras durante ensayos realizados en la platina de la cámara de un microscopio electrónico de barrido. El empleo de las técnicas antes enunciadas permitió identificar la influencia de la temperatura y el contenido de hidrógeno en los rangos 20 a 200°C y 0 a 2000 ppm, respectivamente. La influencia negativa del contenido de hidrógeno en la tenacidad del material demostró ser importante a partir de muy pequeñas concentraciones del mismo con efectos que disminuyen al aumentar la temperatura. No se observó cambio de mecanismo de fractura excepto para aquellas muestras cargadas con hidrógeno en presencia de un campo de tensiones. La observación del crecimiento de fisura y la morfología y contenido de precipitados sobre la superficie demostró la influencia de la absorción de hidrógeno en estos últimos, encontrando tres diferentes etapas según el contenido de H. Como complemento al trabajo experimental se realizó y analizó la simulación por elementos finitos del proceso de fractura. El modelo empleado se basó en las propiedades macroscópicas previamente obtenidas, haciendo uso de numerosas simplificaciones. Como mecanismo de validación de los cálculos se desarrolló e implementó una técnica de marcado superficial que permitió la medición de los movimientos relativos de puntos relevantes de la superficie exterior de la probeta alrededor de la fisura.
Resumen en inglés
Security aspects and the purpose to extend the nuclear power plants lifetime motivate the renovated interest on the influence of the environment and radiation on the mechanical properties of in-reactor materials. Zirconium based alloys are the family of alloys most extensively used in nuclear core components. A consequence of the interaction of the in-reactor environment with these alloys is the formation of brittle phase Zr hydride, a process that greatly affects the component integrity. In this work we present a experimental study of the hydrogen influence on the Z ry-4 mechanical properties at different temperatures. As a complement we also present results of a finite elements simulations of the fracture process. We performed standard metallurgical and mechanical characterization in commercial Z ry-4 samples to obtain their basic properties. Different hydrogen pickup techniques were applied to obtain H concentration of charged samples between 10 and 2000 ppm, homogeneous or mainly localized at the crack tip zone.To obtain the fracture toughness of the alloys specimens were tested using elastoplastic fracture mechanics techniques. Specifically we implement J-integral methodology with partial unloading compliance measurements.Tests were performed in a temperature range of 20 to 200 o C.The negative influence of the H content on material toughness probed to be important even at very small concentrations, with an effect that decreases when temperature increases. While there was observed no change in the fracture mechanism in homogeneous charged samples, specimens charged under a superimposed stress field fractured by brittle mode when were tested at 20 to 70 o C. SEM observations of the crack growth, the fracture surface morphology and precipitates content showed the influence of the precipitates on fracture at different H concentrations. At least three stages with different fracture behavior depending on H content were identified. Complementary to the experimental work we simulated and analyzed the fracture process using a finite element technique. The employed model was based on the macroscopic properties previously measure and facilitating the calculus by several simplifications. Preliminary results obtained from simulations were compared with the observation of crack growth in SSE(B) specimens. Grids printed in the samples surface close to the crack tip zone allow us to obtain a direct measurement of the strain field and to test computed predictions.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Hydrogen Embrittlement; Zirconium Base Alloys; Zirconium Hydrides; Fracture Properties; Fracture Mechanics; Zircaloy; Zircaloy 4; Mechanical Properties; Temperature Dependence; Fractography; Fragilización hidrógeno; Aleaciones base circonio; Hidruros circonio; Propiedades fractura; Mecánica de fractura; Propiedades mécanicas; Dependencia temperatura; Fractografía; |
| Materias: | Ingeniería nuclear |
| Divisiones: | Aplicaciones de la energía nuclear > Tecnología de materiales y dispositivos > Fisicoquímica de materiales |
| Código ID: | 8 |
| Depositado Por: | Administrador RICABIB |
| Depositado En: | 28 Abr 2010 16:06 |
| Última Modificación: | 28 Abr 2010 16:06 |
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