Tesis para optar al título de Magister en Ciencia y Tecnología de Materiales. 2018

Directores: Dr. Martín Pedro GÓMEZ. CNEA, UNSAM - Argentina
Dr. Ignacio MIEZA. CNEA, UNSAM - Argentina

Lugar de realización: Proyecto ICES - Grupo de Ondas Elásticas - Gerencia Desarrollo Tecnológico y Proyectos Especiales
División Hidrógeno en Materiales - Departamento Estructura y Comportamiento - Gerencia Materiales
Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina

Fecha Defensa: 06/04/2018

Jurado: Dr. José BRIZUELA. CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
Dr. Javier FAVA CNEA UNSAM - Argentina
Dr. Lucio María Emilio PONZONI. CNEA, UNTREF - Argentina

Las aleaciones de circonio, ampliamente utilizadas en la industria nuclear, son propensas a la incorporación de hidrógeno (deuterio) durante el servicio en los reactores. Cuando se excede la concentración de la solubilidad sólida terminal, el hidrógeno precipita en forma de hidruros de circonio, los cuales son menos dúctiles que la matriz que los rodea y pueden tener efectos nocivos sobre las propiedades mecánicas de los componentes. Usualmente la cuantificación de hidruros se realiza a través de técnicas destructivas que consisten en extraer pequeñas cantidades de material del componente instalado, pero este proceso no sirve para detectar distribuciones inhomogéneas ni para monitorear la evolución de un mismo punto en el transcurso del tiempo. Por lo tanto sería útil contar con una técnica no destructiva para la determinación del contenido de hidrógeno aplicable in situ.
En esta tesis se investigó la aplicación de ondas elásticas ultrasónicas mediante la técnica pulso-eco con el fin de determinar el contenido de hidrógeno en muestras de aleaciones de circonio (específicamente Zry4). Dado que el hidrógeno en exceso precipita como hidruro con distinta densidad y rigidez que la matriz, constituye una discontinuidad en el sólido modificando la propagación de las ondas elásticas que se observa a partir de cambios en la velocidad y la atenuación de las mismas. En particular se continuó la investigación iniciada por M.P. Gómez ya que mostró resultados prometedores. Se buscó reducir el error del método ultrasónico a partir del aumento de la resolución temporal, el aumento de la relación señal ruido, el control de la temperatura de medición entre otros. A su vez se evaluó la aplicabilidad del método para la aplicación in situ por lo que se agregaron dos variables: la textura cristalográfica y la morfología de los hidruros. Para esto se prepararon probetas cúbicas de Zry-4 que permiten la medición en distintas direcciones, a las cuales se les introdujo distintos contenidos de hidrógeno por un proceso de carga gaseosa. La distribución y morfología de los hidruros se manipuló a través de dos velocidades de enfriamiento distintas.
Si bien se observó la influencia de los hidruros en la propagación de ondas elásticas, los ensayos de pulso eco realizados en este trabajo no lograron la determinación del contenido de hidrógeno con la exactitud necesaria. Por otro lado se observó una fuerte dependencia tanto de la atenuación como de la velocidad de ondas longitudinales con la textura del material. Dado que la textura cristalográfica es de relevancia tecnológica para los componentes de Zr, se estima que se pueden utilizar métodos ultrasónicos para su determinación.

English version:

Zirconium alloys are widely used in the nuclear industry due to the combination of good properties such as high yield strength, good corrosion resistance and low thermal neutron capture cross section. However, during the service life inside the reactors, hydrogen is incorporated in the material which, when the terminal solubility limit is exceeded, precipitates in the form of zirconium hydride. These are less ductile than the surrounding matrix potentially producing a detrimental effect in the component’s mechanical properties. Hydrogen concentration is usually determined by a destructive technique in which small chips are scrapped from inside the component, but this process cannot detect inhomogeneous hydride distributions nor can it be used to monitor the development of a location during time. Thus, a nondestructive technique for the hydrogen concentration determination in situ would be desirable.
In this thesis elastic waves were applied by the pulse eco technique to determine the hydrogen concentration in zirconium alloy (zry-4) samples. Zirconium hydrides have a lower density and a higher stiffness than the surrounding matrix, constituting an elastic discontinuity which modifies the propagation of elastic waves. This can be detected by small changes in the velocity and attenuation of the applied waves. The aim was to continue the work started by M. P. Gómez in which promising results were shown. The particular aim was to diminish the associated error by increasing the temporal resolution, increasing the signal to noise ratio, controlling the measurement temperature, etc. Moreover, the method was further studied by considering two other variables: the crystallographic texture and the hydride morphology. In order to do this, cubic specimen that allow measurements to be carried out in several directions were prepared. Then the hydrogen content was increased by a gaseous charge method and different hydride distributions were obtained by applying two different cooling rates.
Although the influence of the hydrides in the propagation of elastic waves was observed, the hydrogen content could not be successfully determined. On the other hand, a strong influence of the texture was observed on the velocity and attenuation of the applied waves. Considering the technological relevance of this variable, ultrasonic methods might be successful in characterizing zirconium texture.