Determinación de la temperatura máxima de propagación de fisuras por rotura diferida inducida por hidruros en Zr-2,5Nb
2014
| Título | Determinación de la temperatura máxima de propagación de fisuras por rotura diferida inducida por hidruros en Zr-2,5Nb |
| Nombre | PARODI, Santiago Ariel |
| Directores | Dra. De Las Heras, Evangelina . CNEA. Dr. Mieza Ignacio Gerencia Materiales. CNEA. UNSAM . . |
| Tutor | . |
| Jurado | . |
| Lugar de realización | CAC, CNEA Laboratorio Daño por Hidrógeno, Gerencia Materiales |
| Código | IT/IM - TS/127-14 |
Resumen
La Rotura Diferida Inducida por Hidruros (RDIH) es un mecanismo de fractura, que afecta a materiales formadores de hidruros como el circonio y sus aleaciones. La aleación Zr-2,5Nb utilizada en los tubos de presión de los reactores nucleares tipo CANDU (CANadian Deuterium Uranium) puede presentar dicho fenómeno. El mecanismo consiste en la difusión de hidrógeno debido a un gradiente de tensiones, la precipitación y crecimiento de la fase hidruro y su rotura al alcanzarse condiciones críticas de fractura. Este proceso se repite de forma tal que la fisura crece en pasos discretos a medida que avanza el tiempo.
A una dada concentración de hidrógeno en el material, existe una temperatura crítica (TDAT) por encima de la cual no se produce la RDIH. Esta temperatura crítica difiere si se alcanza por enfriamiento o por calentamiento; siendo esta última temperatura más baja e independiente de la concentración de hidrógeno del material. La temperatura crítica depende de la tensión de fluencia de la aleación y de la solubilidad sólida terminal (SST) de hidrógeno de la misma, dependiendo esta última del ciclo térmico debido a la histéresis presente entre la solubilidad en calentamiento (SSTD) y enfriamiento (SSTP). El conocimiento de estas temperaturas críticas permite evaluar el comportamiento en servicio de un componente nuclear fabricado con la aleación Zr-2,5Nb y predecir la susceptibilidad a la fisuración por RDIH.
En el presente trabajo se midió la temperatura crítica TDAT por calentamiento mediante ensayos de RDIH en probetas compactas obtenidas de un tubo de presión de Zr-2.5Nb, e hidruradas por carga gaseosa. Por medio de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) se determinaron las curvas SST y se estudió la influencia de las mismas con la historia térmica previa del material (temperatura máxima y tiempo de permanencia en la misma). Las curvas SST y la temperatura crítica TDAT obtenidas poseen un buen acuerdo con los resultados reportados en la literatura. La SSTP es sensible a la historia térmica previa; no así la SSTD. Los datos experimentales obtenidos de la SST se compararon con modelos teóricos para predecir la TDAT aunque los mismos no corroboraron satisfactoriamente los datos experimentales obtenidos.
Palabras claves: Zr-2,5Nb, Rotura Diferida Inducida por Hidruros, Temperatura crítica (TDAT), Solubilidad Sólida Terminal de Hidrógeno en aleaciones de Zr.
A una dada concentración de hidrógeno en el material, existe una temperatura crítica (TDAT) por encima de la cual no se produce la RDIH. Esta temperatura crítica difiere si se alcanza por enfriamiento o por calentamiento; siendo esta última temperatura más baja e independiente de la concentración de hidrógeno del material. La temperatura crítica depende de la tensión de fluencia de la aleación y de la solubilidad sólida terminal (SST) de hidrógeno de la misma, dependiendo esta última del ciclo térmico debido a la histéresis presente entre la solubilidad en calentamiento (SSTD) y enfriamiento (SSTP). El conocimiento de estas temperaturas críticas permite evaluar el comportamiento en servicio de un componente nuclear fabricado con la aleación Zr-2,5Nb y predecir la susceptibilidad a la fisuración por RDIH.
En el presente trabajo se midió la temperatura crítica TDAT por calentamiento mediante ensayos de RDIH en probetas compactas obtenidas de un tubo de presión de Zr-2.5Nb, e hidruradas por carga gaseosa. Por medio de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) se determinaron las curvas SST y se estudió la influencia de las mismas con la historia térmica previa del material (temperatura máxima y tiempo de permanencia en la misma). Las curvas SST y la temperatura crítica TDAT obtenidas poseen un buen acuerdo con los resultados reportados en la literatura. La SSTP es sensible a la historia térmica previa; no así la SSTD. Los datos experimentales obtenidos de la SST se compararon con modelos teóricos para predecir la TDAT aunque los mismos no corroboraron satisfactoriamente los datos experimentales obtenidos.
Palabras claves: Zr-2,5Nb, Rotura Diferida Inducida por Hidruros, Temperatura crítica (TDAT), Solubilidad Sólida Terminal de Hidrógeno en aleaciones de Zr.
Complete Title
Abstract
Delayed hydride cracking (DHC) is a fracture mechanism which affects hydride- forming materials, such as zirconium and its alloys. Zr-2.5Nb alloy is used in pressure tubes of CANDU (CANadian Deuterium Uranium) nuclear power reactors and is prone to DHC. DHC mechanism consists in hydrogen diffusion under stress gradient, precipitation and growth of the hydride phase and its fracture when critical conditions is attained. This process is repeated so that the crack grows step by step as time progresses.
At certain hydrogen concentration in the material, there is a critical temperature (TDAT) above which DHC doesn’t occur. This temperature is different if it is reached by cooling or heating. If (TDAT) is reached by heating, the critical temperature is lower and independent of the hydrogen concentration in the material. Critical temperatures depend on the yield strength of the alloy and its hydrogen terminal solid solubility (TTS), depending on the hysteresis between heating and cooling curves (TSSD and TSSP) due to the thermal cycle.
The object of the present work was to analyze the critical temperature, TDAT. Crack propagation velocity was measured in terms of heating. DHC tests were performed with CCT specimens (Compact Curved Toughness), extracted from a Zr-2.5Nb tube and hydrided before specimen machining. TSS curves were obtained by Differential Scanning Calorimetry (DSC). The effect of previous thermal history was analyzed. The TSS curves obtained and their behavior are in good agreement with the literature. Studies showed that TSSP is sensitive with previous thermal history, but not the TSSD The critical temperature, TDAT, is consistent with values reported in literature, despite not satisfactorily agree with the proposed DHC models.
Keywords: Zr-2,5Nb, DHC, Critic temperature (TDAT), Hydrogen Terminal Solid Solubility in Zr alloy
At certain hydrogen concentration in the material, there is a critical temperature (TDAT) above which DHC doesn’t occur. This temperature is different if it is reached by cooling or heating. If (TDAT) is reached by heating, the critical temperature is lower and independent of the hydrogen concentration in the material. Critical temperatures depend on the yield strength of the alloy and its hydrogen terminal solid solubility (TTS), depending on the hysteresis between heating and cooling curves (TSSD and TSSP) due to the thermal cycle.
The object of the present work was to analyze the critical temperature, TDAT. Crack propagation velocity was measured in terms of heating. DHC tests were performed with CCT specimens (Compact Curved Toughness), extracted from a Zr-2.5Nb tube and hydrided before specimen machining. TSS curves were obtained by Differential Scanning Calorimetry (DSC). The effect of previous thermal history was analyzed. The TSS curves obtained and their behavior are in good agreement with the literature. Studies showed that TSSP is sensitive with previous thermal history, but not the TSSD The critical temperature, TDAT, is consistent with values reported in literature, despite not satisfactorily agree with the proposed DHC models.
Keywords: Zr-2,5Nb, DHC, Critic temperature (TDAT), Hydrogen Terminal Solid Solubility in Zr alloy
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