Comportamiento en transformación y caracterización microestructural de aceros para recipientes a presión de reactores nucleares

Abstract

Con la realización de este trabajo se profundiza en la Gerencia Materiales de CNEA el estudio de aspectos seleccionados de la microestructura y el comportamiento en transformación de dos aceros de bajo carbono y baja aleación, a saber, el SA 533 Grado B Clase 1 y el SA 508 Grado 3 Clase 1, de amplio uso en la fabricación de recipientes a presión para reactores nucleares. En el caso del acero SA 533 Grado B Clase 1 se diseñaron ciclos térmicos de enfriamiento continuo que condujeron, variando la velocidad de enfriamiento desde austenita, a estados microestructurales presentes habitualmente en la zona afectada por el calor (ZAC) de los cordones de soldadura del mismo. Estos ciclos se llevaron a cabo en un simulador termomecánico Gleeble provisto de un cabezal para dilatometría. Se estudiaron muestras con tiempos de enfriamiento entre 800 °C y 500 °C (t8/5) de 6 s, 60 s, 108 s y 400 s. Las curvas dilatométricas obtenidas permitieron estimar temperaturas críticas para las diferentes transformaciones de la austenita. Luego de los ciclos térmicos, las muestras fueron caracterizadas utilizando microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido, mediciones de dureza y difracción de rayos X. Para la mayor velocidad de enfriamiento (t8/5 = 6 s) se obtuvo una muestra casi 100 % martensítica, a excepción de una pequeña fracción de austenita retenida, donde se pudieron apreciar zonas de martensita tipo listón y martensita coalescida con probable autorevenido. Para la menor velocidad de enfriamiento (t8/5 = 400 s), si bien la microestructura mayoritaria sugiere la presencia de bainita, se encontraron zonas aisladas con morfología en bloque, que podrían corresponder al constituyente metalográfico martensita-austenita (M-A). Para los enfriamientos intermedios (t8/5 = 60 s y 108 s) se obtuvo una microestructura mayoritariamente bainítica, sin poderse descartar la presencia de una pequeña fracción de martensita. Mediante difracción de rayos X se determinó la presencia de austenita retenida y cementita en todas las muestras analizadas. Del mismo modo, se corroboró la disminución de los anchos de los picos de difracción con la disminución de la velocidad de enfriamiento, lo que indicaría que la microestructura resultante posee mayor tamaño de dominio de difracción y/o menores microdeformaciones. En lo que respecta al acero SA 508 Grado 3 Clase 1, se estudió la variación microestructural a lo largo del espesor completo de un anillo forjado y tratado térmicamente, sobre una muestra extraída del mismo en el estado metalúrgico de recepción y usando las técnicas de caracterización ya mencionadas. Se identificaron dos tipos de zonas microestructuralmente diferenciadas, a saber, una matriz y zonas segregadas, cuyas diferencias composicionales fueron medidas con microsonda electrónica. Mediante ensayos de microdureza se determinó que la estructura más fina (esto es, la correspondiente a las zonas segregadas) exhibe valores más altos de dureza que los encontrados para la matriz. No se detectaron variaciones apreciables en cuanto a los aspectos morfológicos de la microestructura a lo largo del espesor del forjado. Por su parte, los análisis de anchos de pico y parámetros microestructurales calculados a partir de ellos -obtenidos por difracción de rayos X- tampoco arrojaron cambios apreciables en el espesor del material bajo estudio. En acuerdo con lo esperado para este material -dada la condición de revenido de alta temperatura en el estado de recepción- se obtuvieron tamaños de dominio de difracción mayores y microdeformaciones menores para el material SA 508 Grado 3 Clase 1 cuando se lo comparó con el SA 533 Grado B Clase 1. Finalmente, a partir de los diagramas de difracción se identificó de manera inequívoca la fase precipitada cementita.