Estudio de los cambios de microestructura y textura cristalográfica en soldaduras de aleaciones de circonio.
En esta tesis se presenta una caracterización detallada y posterior análisis de los cambios en la textura cristalográfica y la microestructura producidos por el calor aportado en el proceso de soldadura entre 2 placas de Zircaloy-4 laminado. Este material es una aleación base circonio con bajas con...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2017
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/902/1/Moya_Riffo.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | En esta tesis se presenta una caracterización detallada y posterior análisis de los cambios en la textura cristalográfica y la microestructura producidos por el calor aportado en el proceso de soldadura entre 2 placas de Zircaloy-4 laminado. Este material
es una aleación base circonio con bajas concentraciones de otros elementos, principalmente Fe, Cr, Sn y O. El Zircaloy-4 es ampliamente usado en la industria nuclear, en componentes estructurales del núcleo del reactor. La línea de fabricación de estos
componentes involucra algunas soldaduras de tubos o láminas. El proceso de soldadura produce importantes cambios en la microestructura del material original, así como también en su textura cristalográfica, especialmente en la zona afectada por el calor (ZAC) cambiando sus propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y susceptibilidad al hidrógeno.
Los estudios microestructurales están basados en imágenes ópticas bajo luz polarizada y por microscopía electrónica de barrido (SEM). Los cambios en textura cristalográfica fueron caracterizados en diferentes escalas de longitud. Para tamaños micrométricos
se construyeron mapas de orientaciones mediante la técnica de difracción de electrones retro-dispersados (EBSD), mientras que en la escala milimétrica se realizaron experimentos de difracción de rayos-X de alta energía (HE-XRD) con un haz altamente
colimado de 300 x 300 μm"2 con una resolución espacial de 1 mm. Estas medidas fueron realizadas en la facilidad: Advanced Photon Source - Argonne National Laboratory (APS-ANL), Argonne, USA. Esta caracterización se complementó con mediciones de
difracción de neutrones de la misma soldadura, realizadas en la facilidad: Los Alamos Neutron Science Center - Los Alamos National Laboratory (LANSCE-LANL), Los Alamos, USA. En esta misma facilidad, también se realizaron experimentos de difracción de neutrones in situ del material original sin soldar. En este último experimento, piezas de 6 X 10 X 10 mm"3 fueron calentadas hasta temperaturas de 1000°C, mientras se realizaban mediciones de textura. Con la información obtenida, se pudo estudiar la
evolución de la textura a alta temperatura de manera controlada.
Mediante la caracterización microestructural en la zona afectada por el calor, se lograron identificar microestructuras con morfologías tipo Widmanstätten, típicas de la transformación de fase del Zr, entre la fase cúbica (β-bcc) de alta temperatura y la estructura hexagonal (α-hcp) estable a baja temperatura. Dos morfologías distintas de granos se observan: tipo basket weave cerca del cordón de soldadura y tipo placas paralelas en la región entre la zona afectada por el calor y el material base.
En lo que respecta a la textura cristalográfica dentro de la zona afectada por el calor, se observaron cambios con respecto al material original. Éstos ocurren en escalas milimétricas e incluso submilimétricas, afectando directamente a la textura cristalográfica
del material original. Estos cambios también son asociados a la transformación de fase experimentada por el material durante el proceso de soldadura. La textura del material original pasó de mostrar la distribución típica de orientaciones que tienen las
chapas laminadas, con los planos basales del cristal hexagonal apuntando en una dirección cercana a la normal de la chapa, a exhibir una textura completamente distinta.
Las texturas dentro de la zona afectada por el calor exhiben una distribución de los planos basales muy puntuales, con componentes cercanas a la dirección de laminación y también paralelas a la transversal. La aparición de estas nuevas y particulares distribuciones
se puede predecir desde la textura original, siguiendo una estricta relación de orientaciones entre las fases hexagonal y cúbica al momento de la transformación de fase experimentada. Esta restricción es bien conocida para el Circonio y se la llama relación de orientaciones de Burgers. Los estudios que involucran esta relación se centran en las posibles orientaciones, conocidas como variantes cristalográficas, que puede tomar el cristal hexagonal a partir del cristal cúbico, y vice versa, durante la transformación
de fase. De todas las variantes involucradas, el material puede privilegiar algunas y así generar una textura totalmente inesperada. Este mecanismo se denomina selección de variantes.
Finalmente, para el análisis y descripción de esta fenomenología, nuestra investigación se apoyó en experimentos de difracción de neutrones in-situ en los cuales se logró medir la textura cristalográfica a través de un ciclo térmico. Además se usó la
reconstrucción de la microestructura y micro-textura de la fase de alta temperatura, mediante mapas EBSD de alta resolución y algoritmos basados en la relación de orientaciones cristalográficas de ambas fases. Por último, se propuso un modelo teórico sobre
el origen de la selección de variantes basado en el comportamiento elástico de ambos cristales, las deformaciones necesarias entre ambas redes cristalinas durante la transformación de fase y la anisotropía del medio texturado. Con este modelo se pueden
diferenciar energéticamente las variantes al momento de su nucleación. Consecuentemente se puede construir una simulación de las texturas esperadas para comparar con las mediciones experimentales. Los resultados de las simulaciones de texturas son consistentes con la evidencia experimental, permitiéndonos dar una descripción cualitativa de los fenómenos involucrados en las variaciones de texturas observadas, completando nuestro entendimiento del comportamiento del material.
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