1 de septiembre de 2022.- De acuerdo con Bhavna Kaveti, divulgadora científica de Hyderabad, India, los cambios microestructurales inducidos por irradiación conducen a cambios en las propiedades mecánicas del acero.
En un artículo publicado en el Journal of Nuclear Materials, Kaveti publicó los cambios en las propiedades mecánicas del acero A508-3 después de irradiarlo con iones de hierro (Fe+3).
Aquí, las muestras de acero A508-3 se irradiaron con iones Fe +3 a 20, 100 y 300 grados Celsius con desplazamientos de 0,1, 0,4, 2,0 y 5,0 por átomo utilizando el modelo de elementos finitos de plasticidad cristalina (CPFEM) y el experimento de nanoindentación. La aplicación del modelo Nix-Gao ayudó a obtener la dureza (H 0 ) a partir de los datos medidos, y la H 0 del acero aumentó con el daño por radiación a todas las temperaturas.
El bucle de dislocación aceleró la dislocación móvil y retrasó la dislocación inmóvil, lo que condujo a mayores tensiones de von Mises de muestras de acero irradiadas con iones Fe con una forma plana, y el área de la tensión de von Mises se contrajo con la temperatura. El presente estudio demostró el comportamiento de deformación del acero irradiado basado en análisis microestructurales y experimentales.
Método de nanoindentación para la estimación de propiedades mecánicas en acero A508-3
Los cambios en las propiedades mecánicas son las consecuencias de los cambios producidos a nivel de microestructura. La evolución microestructural inducida por la irradiación da como resultado el endurecimiento del acero al obstruir el movimiento de las dislocaciones, lo que provoca la degradación de las propiedades de fractura, como el cambio de temperatura de transición de dúctil a frágil.
La fragilización inducida por la radiación del acero de la vasija de presión del reactor nuclear es una preocupación para la evaluación de la vida útil de la planta de energía nuclear. El acero A508-3 con 0,06% en peso de cobre (Cu) se utiliza para el recipiente a presión de muchas plantas de energía nuclear recién construidas en China.
La irradiación prolongada del acero de la vasija de presión del reactor nuclear durante la reacción de fisión nuclear provoca endurecimiento/fragilización debido a los defectos en la matriz, incluidos los bucles de dislocación, los cúmulos y el bajo contenido de Cu en el acero de la vasija de presión del reactor nuclear que conduce a complejos de átomos de soluto vacantes. .
Sin embargo, el comportamiento de fragilización inducida por la radiación y el mecanismo del acero A508-3 no están claros. Por lo tanto, se exploraron varios métodos para investigar la influencia de la irradiación en la evolución del defecto. Además, se investigó la respuesta micromecánica de los materiales mediante pruebas de compresión de micropilares, nanoindentación y tracción in situ.
Entre los métodos optimizados, la nanoindentación resultó adecuada para la estimación rápida de propiedades mecánicas a escala micro o nanométrica. Dado que la nanoindentación por sí sola no puede producir suficiente información sobre la respuesta mecánica y la evolución microestructural, se combina con las simulaciones CPFEM. Por lo tanto, el enfoque combinado de nanoindentación y CPFEM supera los inconvenientes anteriores bajo cargas variables.
Experimento de nanoindentación y estudio CPFEM en acero A508-3
CPFEM y la nanoindentación se aplicaron ampliamente en numerosos estudios previos para determinar varios aspectos estructurales y propiedades físicas de los metales. En el presente estudio, se irradiaron iones Fe + 3 de 3,5 megaelectronvoltios en muestras de acero A508-3 a temperaturas de 20, 100 y 300 grados Celsius con dislocaciones de 0,1, 0,4, 2,0 y 5,0 desplazamientos por átomo para evaluar sus propiedades mecánicas a través de nanoindentación seguida de simulaciones usando CPFEM físico.
La nanoindentación ayudó a obtener valores específicos de endurecimiento por irradiación de muestras de acero A508-3. Las curvas dureza-profundidad de indentación y carga-profundidad de indentación se obtuvieron de simulaciones CPFEM.
Si bien el módulo de elasticidad de las muestras de acero A508-3 no se vio afectado por la dosis de irradiación, la dureza de las muestras aumentó al aumentar los niveles de daño a todas las temperaturas, lo que indica defectos inducidos en las muestras de acero A508-3 por la irradiación de iones Fe + 3.
La evolución de la microestructura del acero A508-3 se investigó utilizando el CPFEM. La anisotropía del cristal en diferentes direcciones indicó el efecto de la orientación del cristal en la distribución de tensiones. La tensión de von Mises se observó en las direcciones [001], [110] y [111]. Además de la relación entre el experimento y la simulación, este estudio ayudó a derivar las relaciones entre la microescala y la macroescala, promoviendo el estudio de los efectos de la irradiación de acero de los recipientes a presión de los reactores nucleares.
En resumen, las propiedades mecánicas del acero A508-3 irradiado con iones Fe + 3 a varios desplazamientos y temperaturas se investigaron mediante experimentos de nanoindentación y simulación CPFEM. Los datos obtenidos se introdujeron en el modelo de Nix-Gao para calcular H 0 y la longitud característica (h*). Los resultados mostraron un aumento en H 0 con desplazamientos por átomo.
El módulo de elasticidad del acero A508-3 fue independiente de la dosis de irradiación. Sin embargo, la dureza del acero A508-3 aumentó con el daño por irradiación a todas las temperaturas, lo que indica la influencia significativa de los defectos inducidos por la irradiación en el comportamiento plástico y el deslizamiento por dislocación del acero.
Las dislocaciones móviles e inmóviles y los bucles de dislocación de absorción parcial y total fueron cuatro contribuciones de endurecimiento dominantes al marco clásico de la teoría de la plasticidad cristalina. El CPFEM ayudó a simular las curvas de dureza-profundidad de indentación y carga-profundidad de indentación.
El comportamiento de deformación macroscópica del acero A508-3 irradiado con iones de Fe se determinó a partir de la evolución microestructural. Además, la tensión de von Mises se distribuyó a lo largo de las direcciones [001], [110] y [111]. El bucle de dislocación aceleró el aumento de la dislocación móvil y retrasó la disminución de la dislocación inmóvil, lo que resultó en valores más altos de tensión de von Mises.
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