Resistencia plástica en materiales policristalinos con microporosidad presurizada: efecto del contraste en sistemas de deslizamiento

Abstract

Los materiales internos utilizados en reactores nucleares de potencia y las pastillas combustibles de UO2, son policristales que experimentan cambios a nivel microscópico durante su irradiación en el reactor. Dichos cambios determinan el comportamiento mecánico limitando la vida del componente o en el caso de la pastilla la acción que se genera sobre la vaina, comprometiendo su integridad. Los materiales policristalinos son agregados de granos compuestos de cristales simples orientados aleatoriamente. Su deformación elastoplástica es en gran medida, dictada por la morfología, la orientación de la red, la respuesta elastoplástica de cada grano individual –compuesto por un cristal simple- que constituye el agregado, la porosidad y la presión interior del gas. Para estimar la anisotropía inducida por la deformación plástica que desarrollan estos materiales cuando se someten a grandes deformaciones, es necesario relacionar la respuesta macroscópica con las propiedades microscópicas. Comúnmente la respuesta de estos materiales es idealizada como elásticamente rígida y plástica sin endurecimiento. Dentro de este modelo llamado rígido-perfectamente plástico, el problema anterior se reduce a encontrar la superficie de fluencia macroscópica del policristal dada la superficie de fluencia a nivel de cristal simple, la estadística morfológica y de distribución de orientación de los granos y cavidades. Debido a su inherente aleatoriedad microestructural, los sólidos policristalinos no muestran una única respuesta, pero sí una gama de respuestas esperadamente estrecha. Ramos Nervi e Idiart (Proc. R. Soc. A 471: 20150380, 2015) derivaron las cotas para dicha gama de posibles respuestas haciendo uso de un método de medio lineal de comparación propuesto por Idiart y Ponte Castañeda (Proc. R. Soc. Lond. A vol. 463, 2007), teniendo en cuenta el efecto de la presión interna. Las cotas se aplicaron a distintos sistemas materiales, a fin de explorar el efecto simultáneo de la simetría cristalográfica y el nivel de presión interna en la resistencia plástica global de sólidos policristalinos. En este trabajo se analiza la resistencia plástica al corte y la resistencia hidrostática –representativas de la superficie de fluencia- en función del contraste en las familias de planos de deslizamientos con el fin de explorar el efecto del contraste entre fases en sistemas policristalinos con sistemas deficientes.

Materials used in Nuclear Power Plants as reactor internals and UO2 fuel pellets, are polycrystals that exhibit irradiation-induced microestructural changes. This affects the operational life limit of structural components and comprises the cladding integrity, in case of fuel pellets. Polycrystalline materials are aggregates of randomly oriented single-crystal grains. Their elastoplastic deformation is to a great extent dictated by the morphology, lattice orientation, and elastoplastic response of each individual single-crystal grain composing the aggregate, the porosity, and the internal gas pressure. Relating the macroscopic response with the microscopic properties is necessary to estimate the deformation-induced plastic anisotropy that develops in these materials when subjected to large deformations. Very often, the response of these materials is idealized as elastically rigid and plastically non-hardening. Within this so-called rigid perfectly plastic model, the above problem reduces to finding the macroscopic yield surface of the polycrystal given the yield surface at the single-crystal level and the statistics of the morphology and orientation distributions of the grains and cavities. Due to their inherent microstructural randomness, cognate polycrystalline solids do not exhibit a single response but a —hopefully narrow— range of responses. Ramos Nervi and Idiart (Proc. R. Soc. A 471: 20150380, 2015) derived bounds for this range of possible responses following the method of the linear comparison polycrystal proposed by Idiart and Ponte Castañeda (Proc. R. Soc. Lond. A vol. 463, 2007), considering the effect of the internal pressure. The bounds were applied to different materials systems, in order to explore the simultaneous effect of the crystallographic symmetry and the level of internal pressure in the global plastic strength of the polycrystalline solids. Continuing this work, the shear and hydrostatic strength –representative of the yield surface—is analyzed as a function of the slip contrast in order to determine the effect on the macroscopic response.