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Tesis

Comportamiento en transformación y caracterización microestructural de aceros de alta temperatura para reactores nucleares avanzados

2012



Tesista Denise Alejandra CARRIZO
Ingeniera Mecánica con Orientación en Armamentos - Escuela Superior Técnica General Savio - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
Directores Dra. Cinthia Paula RAMOS.  CNEA, CONICET - Argentina
Dr. Claudio Ariel DANÓN.  CNEA - Argentina
Lugar de realizaciónGerencia Materiales - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
Gerencia Investigación y Aplicaciones - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
Fecha Defensa 04/05/2012
Jurado Dra. Bibiana ARCONDO.  UBA - Argentina
Dr. Alfredo HAZARABEDIAN.  CNEA, UNSAM - Argentina
Lic. Daniel HERMIDA.  CNEA, UNSAM - Argentina
Código IS/T 132/12

Título completo

Comportamiento en transformación y caracterización microestructural de aceros de alta temperatura para reactores nucleares avanzados

Resumen

El objetivo del presente trabajo es estudiar la influencia de la velocidad de enfriamiento sobre las transformaciones de fase y la microestructura resultante en ciclos de enfriamiento continuo, para condiciones fijas de austenizado. El material bajo estudio es el acero ASTM A335 P91. El diagrama TEC (Transformación en Enfriamiento Continuo) de este material se ha establecido en la literatura previa [1], por lo que se conocen los campos de las fases principales. Se prepararon y analizaron ocho muestras austenizadas a 1050 ºC durante 30 minutos y luego enfriadas a distintas velocidades, entre 50 ºC/h y 300 ºC/h. Se agregaron además una muestra templada en agua y otra enfriada en aire luego de un austenizado en las mismas condiciones. La determinación y caracterización de fases se llevó a cabo mediante técnicas de Microscopías Óptica y Electrónica de Barrido, Difracción de Rayos X y Espectroscopía Mössbauer. Los principales resultados obtenidos se pueden resumir del siguiente modo: i) Se determinó la velocidad crítica para la formación de martensita en el valor aproximado de 150 ºC/h, para las condiciones de austenizado ensayadas. ii) Se acotó un intervalo de velocidades, entre 50 y 100 ºC/h, dentro del cual se encuentra la velocidad critica para la formación de ferrita. iii) Se determinó la presencia de austenita retenida en las muestras enfriadas a velocidades altas (hasta 115 ºC/h inclusive). iv) Se obtuvo la evolución de los parámetros de red de las fases presentes en cada muestra en función de las velocidades de enfriamiento. v) Se implementó un procedimiento de ajuste para estimar porcentajes de fases mediante el refinamiento Rietveld, para las muestras que presentan una estructura mixta (martensita y ferrita). vi) Se determinó un intervalo de valores para la temperatura Ms entre 365 ºC y 415 ºC aproximadamente. vii) Se determinó la presencia de distintos entornos de Fe (caracterizados por distintos valores de parámetros hiperfinos) debidos a la concentración de aleantes. viii) Se estableció el rol decisivo de la técnica de Espectroscopia Mössbauer a la hora de determinar la presencia de carburos de tipo cementita aleada en todas las muestras. Finalmente se propuso una modificación en el diagrama TEC del material, considerando la austenita retenida en el dominio martensítico y parte del dominio mixto ferrítico-martensítico. [1] The T91/P91 Book, Vallourec & Mannesmann Tubes, 2nd. Edition (2002).

Complete Title

Phase transformation behaviour and characterization of high temperature steels for advanced nuclear reactors

Abstract

The aim of the present work is to study the influence of the cooling rate on phase transformations and the resulting microstructure in continuous cooling cycles for fixed austenization conditions. The material under study is the ASTM A335 P91 steel. The CCT (Continuous Cooling Transformation) diagram of this material has been established in previous literature [1], therefore the main phase fields are known. Eight samples austenized at 1050 ºC during 30 minutes and then cooled at different rates, between 50 ºC/h and 300 ºC/h, were prepared and analysed. Two more samples, water- and air-quenched respectively after being austenized under the same conditions described above, were added. The identification and characterization of the phases were carried out by Optical and Scanning Electron Microscopy, X-Ray Diffraction and Mössbauer Spectroscopy. The main results derived for this study can be summarized as follows: i) The critical velocity for martensite formation was determined at around 150 ºC/h for the tested austenization conditions. ii) A range of velocities, between 50 ºC/h and 100 ºC/h was found, for the critical velocity of ferrite formation. iii) Retained austenite presence was determined in the samples obtained at higher cooling rates (up to 115 ºC/h inclusive). iv) The lattice parameters evolution of the phases in each sample as a function of the cooling rate was shown. v) A fitting procedure was established for estimating the phase fraction by using the Rietveld refinement method, for those samples exhibiting a mixed structure (martensite and ferrite). vi) A range of values, between 365 ºC and 415 ºC, was suggested for Ms temperature. vii) The presence of different neighbourhoods of the Fe atom (characterized by different values of the hyperfine parameters) due to the alloying elements concentrations was determined. viii) Mössbauer Spectroscopy role was decisive to determine the presence of alloyed cementite carbides in all of the samples. Finally, a modification to the material CCT diagram was proposed, considering the retained austenite in the martensitic domain and in part of the mixed ferritic-martensitic domain. [1] The T91/P91 Book, Vallourec & Mannesmann Tubes, 2nd. Edition (2002).

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