Rotura diferida por hidruros en Zr-2,5Nb. - Mieza, Juan Ignacio (2009)
La Rotura Diferida Inducida por Hidruros (RDIH) es un mecanismo de fractura diferido en el tiempo que ocurre en materiales formadores de hidruros, como es el caso del circonio y sus aleaciones. En particular, la aleación Zr-2,5Nb es utilizada en la fabricación de los tubos de presión de las centrales nucleares tipo CANDU. Para caracterizar la severidad del proceso de RDIH se mide la velocidad de avance (Vp) de las fisuras dentro del material, dado que este valor es necesario para evaluar la vida útil en servicio de los tubos aplicando el criterio de diseño LBB (Leak Before Break). La velocidad puede ser estimada de manera destructiva, calculando el cociente entre la longitud de fisura y el tiempo de propagación. Sin embargo, como la fractura de los hidruros ocurre dentro del material, no es posible determinar, sin ayuda de alguna técnica no destructiva, el comienzo de la propagación de las fisuras y por lo tanto el tiempo de propagación. Una de las técnicas utilizadas es la emisión acústica (EA), que detecta las ondas elásticas generadas por las fracturas de los hidruros y las convierte en una señal eléctrica proporcional. La velocidad de fisuración de los tubos se ve afectada por variables tales como la microestructrura del material, las tensiones mecánicas aplicadas y las condiciones ambientales. En este trabajo se puso a punto la técnica de EA para detectar la propagación de fisuras por RDIH en laboratorio y posteriormente se midieron experimentalmente las velocidades de fisuración, en tres diferentes tubos de Zr-2,5Nb, no irradiados, como los utilizados en las centrales nucleares tipo CANDU. Se aplicaron diferentes tratamientos térmicos para modificar su microestructura y evaluar este efecto sobre la velocidad de RDIH. Los materiales se caracterizaron a través del estudio de las fases por difracción de Rayos X, por ensayos mecánicos midiendo la tensión de fluencia, por análisis metalográfico y por calorimetría diferencial de barrido (DSC). En los ensayos de RDIH propiamente dichos se analizaron las señales de emisión acústica y las superficies de fractura una vez finalizados los mismos. La posibilidad de predecir la velocidad de propagación de fisuras por RDIH (a partir de parámetros conocidos) es una herramienta útil y necesaria en el momento de evaluar la vida remanente de un tubo en servicio sobre el cual se hubiera detectado una fisura o entalla. En este trabajo se combinaron dos modelos teóricos para calcular la Vp, obtenidos por otros autores, a fin de eliminar la incertidumbre en la elección de algunos parámetros. Asimismo se compararon los valores experimentales con los calculados para evaluar la validez del modelo y discernir el peso que cada parámetro tiene sobre la Vp. Los resultados obtenidos están en muy buen acuerdo con los valores experimentales obtenidos. Se encontró que la velocidad de RDIH disminuye con el incremento del tiempo y de la temperatura de los tratamientos térmicos a los que se someten los materiales, los cuales modifican la composición química y morfológica de las fases. Se asoció este comportamiento a una disminución en el valor del coeficiente de difusión de hidrógeno en la aleación por la discontinuidad en los caminos rápidos de difusión. Se verificó que el efecto de la tensión de fluencia, en las mediciones de las longitudes de estrías, no sería suficiente para explicar el cambio registrado en la velocidad, fortaleciendo la hipótesis del coeficiente de difusión como fuerza impulsora principal en el cambio de la velocidad de RDIH. Se midieron además los tiempos de incubación en probetas con prefisuras por fatiga y en probetas sin prefisuras, registrándose un aumento en dicho tiempo en aquellas probetas cuyo radio es mayor. El mismo efecto se encontró en aquellos materiales con tensión de fluencia comparativamente más bajo. Se encontró una relación lineal entre la velocidad de RDIH y la variación de las cuentas acumuladas de las señales de EA, que permite, manteniendo la configuración geométrica y acústica del sistema, contar con una herramienta no destructiva y en tiempo real para evaluar la velocidad durante los ensayos para cualquiera de los materiales estudiados. A partir de un estudio de los tiempos registrados de las señales de EA se encontró que las fracturas de los hidruros durante la RDIH serían mucho más cercanas que algunas aproximaciones previstas en la literatura.