Estudio microestructural de la zona de transición de deformación plástica en tubos de Zircaloy-4 y afines
2023
| Tesista | Gabriel Alejandro JUÁREZ Ingeniero en Materiales. Instituto Sabato. UNSAM, CNEA - Argentina |
| Directores | Dr. Pablo Vizcaíno. CNEA, CONICET - Argentina |
| Lugar de realización | Departamento de Tecnología de Aleaciones de Circonio – Gcia. Ciclo del Combustible Nuclear (CAE – CNEA) - Argentina |
| Fecha Defensa | 6/12/2023 |
| Jurado | Dr. Raúl E. BOLMARO. IFIR, CONICET, UNR - Argentina |
| Código | ITS/TD-173/23 |
Título completo
Estudio microestructural de la zona de transición de deformación plástica en tubos de Zircaloy-4 y afines
Resumen
Este estudio presenta un análisis detallado del desarrollo de la textura durante la etapa inicial
de un proceso de laminación en frío por paso peregrino de un tubo TREX de Zircaloy-4. En
este proceso, la sección transversal axial del tubo se reduce en un 80% a lo largo de una
longitud de 40 cm, logrando una relación global Q de 2,34. Posteriormente, se somete al tubo
a un tratamiento térmico de recristalización.
La deformación se inicia con una alteración considerable en la geometría del tubo TREX,
dando lugar a una región específica denominada "zona de trabajo". Esta área, con forma
cónica, experimenta cambios sustanciales en el diámetro y el grosor de la pared a lo largo de
unos 40 cm. Dentro de esta región, se observan variaciones intensas en deformación, textura
y tensiones internas a lo largo del eje del tubo, además de algunas diferencias en la
microestructura a través del espesor de la pared. Esta zona de trabajo muestra una amplia
variedad de valores de Q, lo que la convierte en un caso interesante para investigar los detalles
espaciales del proceso de deformación plástica en frío en máquinas laminadoras especiales.
Para cuantificar la textura, se plantea utilizar técnicas de medición de figuras de polos. Se
emplearán las técnicas de difracción de rayos X en geometría de reflexión disponibles en los
laboratorios de materiales de CNEA, junto con otras técnicas disponibles en laboratorios
internacionales, como la difracción de rayos X de alta energía en geometría de transmisión
(con mayor resolución espacial) y la difracción de neutrones (que proporciona un mayor
muestreo estadístico). Estas mediciones se complementan con otras técnicas de
caracterización disponibles en CNEA, como microscopía y microdureza, además de análisis
de tensiones residuales en laboratorios extranjeros.
La evolución de la textura cristalina durante el proceso de laminado en frío se interpreta en
términos de los mecanismos de deformación microscópica conocidos para las aleaciones de
base Zr y condiciones de contorno representativas del proceso de deformación en frío,
utilizando dos modelos teóricos predictivos comúnmente empleados para este propósito. Esto
permite una evaluación crítica de la capacidad predictiva de simulaciones basadas en
modelos micromecánicos, tanto en términos del valor absoluto como de la distribución
espacial de los factores de Kearns en el producto resultante de la deformación en frío.
Palabras clave: Zircaloy-4, laminación de paso peregrino en frío, evolución de la textura
cristalina, difracción de rayos X de sincrotrón, difracción de neutrones, microestructura
de un proceso de laminación en frío por paso peregrino de un tubo TREX de Zircaloy-4. En
este proceso, la sección transversal axial del tubo se reduce en un 80% a lo largo de una
longitud de 40 cm, logrando una relación global Q de 2,34. Posteriormente, se somete al tubo
a un tratamiento térmico de recristalización.
La deformación se inicia con una alteración considerable en la geometría del tubo TREX,
dando lugar a una región específica denominada "zona de trabajo". Esta área, con forma
cónica, experimenta cambios sustanciales en el diámetro y el grosor de la pared a lo largo de
unos 40 cm. Dentro de esta región, se observan variaciones intensas en deformación, textura
y tensiones internas a lo largo del eje del tubo, además de algunas diferencias en la
microestructura a través del espesor de la pared. Esta zona de trabajo muestra una amplia
variedad de valores de Q, lo que la convierte en un caso interesante para investigar los detalles
espaciales del proceso de deformación plástica en frío en máquinas laminadoras especiales.
Para cuantificar la textura, se plantea utilizar técnicas de medición de figuras de polos. Se
emplearán las técnicas de difracción de rayos X en geometría de reflexión disponibles en los
laboratorios de materiales de CNEA, junto con otras técnicas disponibles en laboratorios
internacionales, como la difracción de rayos X de alta energía en geometría de transmisión
(con mayor resolución espacial) y la difracción de neutrones (que proporciona un mayor
muestreo estadístico). Estas mediciones se complementan con otras técnicas de
caracterización disponibles en CNEA, como microscopía y microdureza, además de análisis
de tensiones residuales en laboratorios extranjeros.
La evolución de la textura cristalina durante el proceso de laminado en frío se interpreta en
términos de los mecanismos de deformación microscópica conocidos para las aleaciones de
base Zr y condiciones de contorno representativas del proceso de deformación en frío,
utilizando dos modelos teóricos predictivos comúnmente empleados para este propósito. Esto
permite una evaluación crítica de la capacidad predictiva de simulaciones basadas en
modelos micromecánicos, tanto en términos del valor absoluto como de la distribución
espacial de los factores de Kearns en el producto resultante de la deformación en frío.
Palabras clave: Zircaloy-4, laminación de paso peregrino en frío, evolución de la textura
cristalina, difracción de rayos X de sincrotrón, difracción de neutrones, microestructura
Complete Title
Microstructural study of the plastic deformation transition zone in Zircaloy-4 and related tubes
Abstract
This study presents a detailed analysis of the texture evolution during the initial stage of a
cold rolling process using a pilger mill for a Zircaloy-4 TREX tube. In this process, the axial
cross-sectional area of the tube is reduced by 80% over a length of 40 cm, achieving an
overall Q ratio of 2.34. Subsequently, the tube undergoes recrystallization heat treatment.
The deformation initiates with a significant alteration in the geometry of the TREX tube,
resulting in a specific region referred to as the "working zone." This conical region
experiences substantial changes in both diameter and wall thickness along a length of about
40 cm. Within this region, there are intense variations in deformation, texture, and internal
stresses along the tube's axis, along with some differences in microstructure across the wall
thickness. This working zone exhibits a wide range of Q values, making it an interesting case
for investigating the spatial details of the cold plastic deformation process in specialized
rolling mills.
To quantify the texture, the use of pole figure measurement techniques is proposed. These
techniques include X-ray diffraction in reflection geometry, available in the materials
laboratories of CNEA, in addition to other techniques available in international laboratories,
such as high-energy X-ray diffraction in transmission geometry (with higher spatial
resolution) and neutron diffraction (providing greater statistical sampling). These
measurements are complemented by other characterization techniques also available in
CNEA, such as microscopy and microhardness, along with residual stress analysis conducted
in foreign laboratories.
The evolution of the crystalline texture during the cold rolling process is interpreted in terms
of known microscopic deformation mechanisms for Zr-based alloys, considering
representative boundary conditions of the cold rolling process. Two commonly used
theoretical predictive models are employed for this purpose. This approach allows for a
critical evaluation of the predictive capability of simulations based on micromechanical
models, both in terms of absolute values and the spatial distribution of the Kearns factors in
the resulting product of the cold rolling process.
Keywords: Zircaloy-4, cold pilger rolling, evolution of crystalline texture, synchrotron Xray diffraction, neutron diffraction, microstructure
cold rolling process using a pilger mill for a Zircaloy-4 TREX tube. In this process, the axial
cross-sectional area of the tube is reduced by 80% over a length of 40 cm, achieving an
overall Q ratio of 2.34. Subsequently, the tube undergoes recrystallization heat treatment.
The deformation initiates with a significant alteration in the geometry of the TREX tube,
resulting in a specific region referred to as the "working zone." This conical region
experiences substantial changes in both diameter and wall thickness along a length of about
40 cm. Within this region, there are intense variations in deformation, texture, and internal
stresses along the tube's axis, along with some differences in microstructure across the wall
thickness. This working zone exhibits a wide range of Q values, making it an interesting case
for investigating the spatial details of the cold plastic deformation process in specialized
rolling mills.
To quantify the texture, the use of pole figure measurement techniques is proposed. These
techniques include X-ray diffraction in reflection geometry, available in the materials
laboratories of CNEA, in addition to other techniques available in international laboratories,
such as high-energy X-ray diffraction in transmission geometry (with higher spatial
resolution) and neutron diffraction (providing greater statistical sampling). These
measurements are complemented by other characterization techniques also available in
CNEA, such as microscopy and microhardness, along with residual stress analysis conducted
in foreign laboratories.
The evolution of the crystalline texture during the cold rolling process is interpreted in terms
of known microscopic deformation mechanisms for Zr-based alloys, considering
representative boundary conditions of the cold rolling process. Two commonly used
theoretical predictive models are employed for this purpose. This approach allows for a
critical evaluation of the predictive capability of simulations based on micromechanical
models, both in terms of absolute values and the spatial distribution of the Kearns factors in
the resulting product of the cold rolling process.
Keywords: Zircaloy-4, cold pilger rolling, evolution of crystalline texture, synchrotron Xray diffraction, neutron diffraction, microstructure
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