O zircônio e suas ligas são amplamente utilizados como revestimento para combustíveis de reatores nucleares . Zircônio ligado com nióbio ou estanho tem excelentes propriedades de corrosão. A alta resistência à corrosão das ligas de zircônio resulta da formação natural de um óxido denso e estável na superfície do metal. Este filme é auto-reparador, continua a crescer lentamente em temperaturas de até aproximadamente 550°C (1020°F) e permanece fortemente aderente. A propriedade desejada dessas ligas é também uma baixa seção transversal de captura de nêutrons. As desvantagens do zircônio são propriedades de baixa resistência e baixa resistência ao calor, que podem ser eliminadas, por exemplo, ligando-se ao nióbio.
- Zircônio – Ligas de Nióbio. Ligas de zircônio com nióbio são usadas como revestimento de elementos combustíveis de reatores VVER e RBMK. Essas ligas são o material base do canal de montagem do reator RBMK. A liga Zr + 1% Nb do tipo N-1 E-110 é usada para revestimentos de elementos combustíveis, a liga Zr + 2,5% Nb do tipo E-125 é aplicada para tubos de canais de montagem.
- Zircônio – Ligas de Estanho. As ligas de zircônio, nas quais o estanho é o elemento de liga básico, que proporcionam melhoria de suas propriedades mecânicas, têm ampla distribuição nos EUA. Um subgrupo comum tem a marca comercial Zircaloy. No caso das ligas zircônio-estanho, ocorre a diminuição da resistência à corrosão em água e vapor, resultando na necessidade de ligas adicionais.
Ligas de Zircônio na Indústria Nuclear
Revestimento de combustível é a camada externa das varetas de combustível, ficando entre o refrigerante do reator e o combustível nuclear (isto é, pastilhas de combustível). É feito de um material resistente à corrosão com seção transversal de baixa absorção para nêutrons térmicos (~ 0,18 × 10–24 cm2), geralmente liga de zircônio. O revestimento de combustível normalmente tem um raio interno de rZr,2 = 0,408 cm e um raio externo de rZr,1 = 0,465 cm. Em comparação com o pellet de combustível, quase não há geração de calor no revestimento do combustível (o revestimento é ligeiramente aquecido pela radiação). Todo o calor gerado no combustível deve ser transferido por condução através do revestimento e, portanto, a superfície interna é mais quente que a externa.
Uma composição típica de ligas de zircônio de grau nuclear é mais de 95% em peso de zircônio e menos de 2% de estanho, nióbio, ferro, cromo, níquel e outros metais, que são adicionados para melhorar as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão. A liga mais utilizada, até o momento, em PWRs, tem sido o Zircaloy 4, porém atualmente esta está sendo substituída por novas ligas à base de zircônio-nióbio, apresentando melhor resistência à corrosão. A temperatura máxima na qual as ligas de zircônio podem ser usadas em reatores refrigerados a água depende de sua resistência à corrosão. As ligas de zircônio mais comuns, Zircaloy-2 e Zircaloy-4, contêm os fortes estabilizadores α estanho e oxigênio, além dos estabilizadores β ferro, cromo e níquel. Ligas do tipo Zircalloy, nas quais o estanho é o elemento de liga básico que proporciona melhoria de suas propriedades mecânicas, têm ampla distribuição no mundo. Porém, neste caso, ocorre a diminuição da resistência à corrosão em água e vapor que resultou na necessidade de ligas adicionais. A melhoria provocada pelo nióbio aditivo provavelmente envolve um mecanismo diferente. A alta resistência à corrosão de ligas metálicas de nióbio em água e vapor em temperaturas de 400–550°C é causada por sua capacidade de passivação com formação de filmes protetores.
Resistência da liga de zircônio – Zircaloy-4
Na mecânica dos materiais, a resistência de um material é sua capacidade de suportar uma carga aplicada sem falha ou deformação plástica. A resistência dos materiais considera basicamente a relação entre as cargas externas aplicadas a um material e a deformação resultante ou mudança nas dimensões do material. A resistência de um material é sua capacidade de suportar essa carga aplicada sem falha ou deformação plástica.
Resistência à tração
A resistência à tração final da liga de zircônio – Zircaloy-4 é de cerca de 514 MPa.
A resistência à tração final é o máximo na curva de tensão-deformação de engenharia . Isso corresponde à tensão máxima que pode ser sustentado por uma estrutura em tensão. A resistência à tração final é muitas vezes abreviada para “resistência à tração” ou mesmo para “o máximo”. Se essa tensão for aplicada e mantida, ocorrerá fratura. Freqüentemente, esse valor é significativamente maior do que o limite de escoamento (até 50 a 60 por cento a mais do que o rendimento de alguns tipos de metais). Quando um material dúctil atinge sua resistência máxima, ele sofre estricção onde a área da seção transversal é reduzida localmente. A curva tensão-deformação não contém tensão maior do que a resistência máxima. Mesmo que as deformações possam continuar a aumentar, a tensão geralmente diminui após o limite de resistência ter sido alcançado. É uma propriedade intensiva; portanto, seu valor não depende do tamanho do corpo de prova. Porém, depende de outros fatores, como o preparo do corpo de prova, temperatura do ambiente de teste e do material. A resistência máxima à tração varia de 50 MPa para um alumínio até 3000 MPa para aços de alta resistência.
Força de Rendimento
A resistência ao escoamento da liga de zircônio – Zircaloy – 4 é de cerca de 381 MPa.
O ponto de escoamento é o ponto em uma curva tensão-deformação que indica o limite do comportamento elástico e o início do comportamento plástico. Força de rendimento ou tensão de escoamento é a propriedade do material definida como a tensão na qual um material começa a se deformar plasticamente, enquanto o ponto de escoamento é o ponto onde começa a deformação não linear (elástica + plástica). Antes do ponto de escoamento, o material se deformará elasticamente e retornará à sua forma original quando a tensão aplicada for removida. Uma vez ultrapassado o ponto de escoamento, alguma fração da deformação será permanente e irreversível. Alguns aços e outros materiais exibem um comportamento denominado fenômeno do ponto de escoamento. As resistências ao escoamento variam de 35 MPa para um alumínio de baixa resistência a mais de 1400 MPa para aços de resistência muito alta.
Módulo de elasticidade de Young
O módulo de elasticidade de Young da liga de zircônio – Zircaloy-4 é de cerca de 99 GPa.
O módulo de elasticidade de Young é o módulo de elasticidade para tensão de tração e compressão no regime de elasticidade linear de uma deformação uniaxial e geralmente é avaliado por ensaios de tração. Até uma tensão limite, um corpo poderá recuperar suas dimensões com a retirada da carga. As tensões aplicadas fazem com que os átomos em um cristal se movam de sua posição de equilíbrio. Todos os átomos são deslocados na mesma quantidade e ainda mantêm sua geometria relativa. Quando as tensões são removidas, todos os átomos retornam às suas posições originais e nenhuma deformação permanente ocorre. De acordo com a lei de Hooke, a tensão é proporcional à deformação (na região elástica), e a inclinação é o módulo de Young. O módulo de Young é igual à tensão longitudinal dividida pela deformação.
Dureza da Liga de Zircônio – Zircaloy – 4
A dureza Rockwell da liga de zircônio – Zircaloy-4 é de aproximadamente 89 HRB.
O teste de dureza Rockwell é um dos testes de dureza de indentação mais comuns, que foi desenvolvido para testes de dureza. Em contraste com o teste Brinell, o testador Rockwell mede a profundidade de penetração de um penetrador sob uma grande carga (carga principal) em comparação com a penetração feita por uma pré-carga (carga menor). A carga menor estabelece a posição zero. A carga principal é aplicada e, em seguida, removida, mantendo a carga secundária. A diferença entre a profundidade de penetração antes e depois da aplicação da carga principal é usada para calcular o número de dureza Rockwell. Ou seja, a profundidade de penetração e a dureza são inversamente proporcionais. A principal vantagem da dureza Rockwell é sua capacidade de exibir valores de dureza diretamente. O resultado é um número adimensional anotado como HRA, HRB, HRC, etc., onde a última letra é a respectiva escala Rockwell.
O teste Rockwell C é realizado com um penetrador Brale (cone de diamante de 120°) e uma carga maior de 150kg.
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