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    Tesis

    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
    Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Física. Instituto Sabato. UNSAM, CNEA - Argentina

    Directores

    Dr. Pablo Vizcaíno. CNEA, CONICET - Argentina
    Dr. Javier Roberto Santisteban. CNEA, CONICET - Argentina

    Lugar de realización

    Departamento de Tecnología de Aleaciones de Circonio – Gcia. Ciclo del Combustible Nuclear (CAE – CNEA) - Argentina

    Fecha Defensa6/12/2023
    Jurado

    Dr. Raúl E. BOLMARO. IFIR, CONICET, UNR - Argentina 
    Dr. Juan Ignacio MIEZA. CNEA, UNSAM - Argentina
    Dr. Martin Ignacio IDIART. CONICET, UNLP - Argentina

    CódigoITS/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

    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

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