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Los cambios estructurales inducidos por la irradiación conducen a cambios en las propiedades mecánicas. Un artículo publicado en el Revista de materiales nucleares discutió los cambios en las propiedades mecánicas del acero A508-3 después de la irradiación con iones de hierro (Fe+3).
Estudio: Experimento de nanoindentación y estudio de plasticidad cristalina sobre el comportamiento mecánico del acero A508-3 irradiado con iones de Fe. Crédito: Allexxandar/Shutterstock.com
Aquí, muestras de acero A508-3 fueron irradiadas con Fe+3 Iones 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 reducir la dureza (H0) de los datos de medición y la H0 de acero con daño por radiación aumentado a todas las temperaturas.
El bucle de dislocación aceleró la dislocación móvil y retrasó la dislocación inmóvil, lo que resultó en una mayor tensión de von Mises de las muestras de acero irradiadas con iones Fe que tenían una forma plana, y el rango de la tensión de von Mises se redujo con la temperatura. El presente estudio demostró el comportamiento de deformación del acero irradiado basado en análisis microestructurales y experimentales.
Método de nanoindentación para estimar propiedades mecánicas en acero A508-3
Los cambios en las propiedades mecánicas son las consecuencias de los cambios generados a nivel de microestructura. El desarrollo microestructural inducido por la irradiación conduce al endurecimiento del acero al impedir el movimiento de las dislocaciones, lo que provoca el deterioro de las propiedades de fractura, como p. B. el cambio de la temperatura de transición de dúctil a frágil.
La fragilización inducida por radiación del acero de la vasija de presión del reactor nuclear es un problema para evaluar la vida útil de las centrales nucleares. 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 defectos en la matriz, incluidos bucles de dislocación, agrupaciones y el bajo contenido de Cu en el acero de la vasija de presión del reactor nuclear, lo que da como resultado complejos de vacantes y soluto. átomos
Sin embargo, el comportamiento de fragilización inducida por radiación y el mecanismo del acero A508-3 no están claros. Por lo tanto, se investigaron diferentes métodos para investigar la influencia de la irradiación en el desarrollo de defectos. Además, se investigó la respuesta micromecánica de los materiales mediante pruebas de compresión de microcolumnas, nanoindentación y tracción in situ.
Entre los métodos optimizados, la nanoindentación resultó adecuada para la estimación rápida de propiedades mecánicas a escala micro o nano. Dado que la nanoindentación por sí sola no puede proporcionar 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 las desventajas anteriores bajo diferentes tensiones.
Experimento de nanoindentación y estudio CPFEM en acero A508-3
CPFEM y la nanoindentación se han aplicado ampliamente en numerosos estudios previos para determinar varios aspectos estructurales y propiedades físicas de los metales. En el presente estudio, Fe+3 Se irradiaron iones de 3,5 megaelectronvoltios en muestras de acero A508-3 a temperaturas de 20, 100 y 300 grados Celsius con desplazamientos de 0,1, 0,4, 2,0 y 5,0 cambios por átomo para determinar sus propiedades mecánicas por nanoindentación, seguido de simulaciones con CPFEM físico.
La nanoindentación ayudó a obtener valores específicos de endurecimiento por radiación de muestras de acero A508-3. Las curvas Dureza-Indentación-Profundidad y Carga-Indentación-Profundidad se obtuvieron de simulaciones CPFEM.
Si bien el módulo de Young de las muestras de acero A508-3 no se vio afectado por la dosis de irradiación, la dureza de las muestras aumentó al aumentar el nivel de daño a todas las temperaturas, lo que indica defectos inducidos por la irradiación de Fe en las muestras de acero A508-3.+3 iones
La evolución de la microestructura del acero A508-3 se estudió con CPFEM. La anisotropía del cristal en diferentes direcciones mostró el efecto de la orientación del cristal en la distribución de tensiones. La tensión de von Mises se observó a lo largo [001], [110]y [111] direcciones. Además de la relación entre el experimento y la simulación, este estudio ayudó a derivar las relaciones entre las escalas micro y macro, fomentando el estudio de los efectos de la irradiación de acero de los recipientes a presión de los reactores nucleares.
Conclusión
En resumen, las propiedades mecánicas del acero A508-3 irradiado con Fe+3 Los iones a diferentes cambios y temperaturas se estudiaron mediante experimentos de nanoindentación y simulación CPFEM. Los datos obtenidos se introdujeron en el modelo Nix-Gao para calcular H0 y longitud característica (h*). Los resultados mostraron un aumento en H0 con desplazamientos por átomo.
El módulo de elasticidad del acero A508-3 fue independiente de la dosis de radiación. 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 del acero y el deslizamiento por dislocación.
Las dislocaciones móviles e inmóviles y los bucles de dislocación con absorción parcial y total fueron cuatro contribuciones de fortalecimiento dominantes al marco de la teoría clásica de la plasticidad cristalina. El CPFEM ayudó a simular las curvas de dureza-indentación y carga-indentación.
El comportamiento de deformación macroscópica del acero A508-3 irradiado con iones Fe se determinó a partir de la evolución microestructural. Además, el estrés de von Mises también se distribuyó [001], [110]y [111] direcciones. 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 del estrés de von Mises.
Relación
Lin, P., Nie, J., Liu, M. (2022) Experimento de nanoindentación y estudio de plasticidad cristalina sobre el comportamiento mecánico del acero A508-3 irradiado con iones de Fe. Revista de materiales nucleares https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311522004871?via%3Dihub
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