Ensayos de fatiga en condiciones LWR

Figura 5.19:Ajuste de las componentes el´astica y pl´astica de la amplitud de deformaci´on total en funci´on del n´umero de ciclos, de acuerdo a las descripciones de Basquin y Coffin-Manson, junto a la curva resultante de la suma de ambas componentes.

5.6.

Ensayos de fatiga en condiciones LWR

5.6.1.

An´alisis de factibilidad de ensayos en el sistema Cortest

Creep dependiente de ciclos o ratchetting

Para evaluar la factibilidad de llevar a cabo ensayos en el sistema integral de corro- si´on-fatiga Cortest, se efectuaron en primer lugar algunos ensayos de fatiga en aire a temperatura ambiente con la m´aquina de ensayos servohidr´aulica MTS 810, empleando un control de carga con l´ımites en carga y fijando una relaci´on de tensiones R positiva. Estos ensayos son esenciales en el an´alisis de factibilidad debido a que se corresponden con la mayor vida a la fatiga posible, asumiendo la igualdad de estados de carga. En condiciones LWR, dicha vida deber´ıa verse disminu´ıda en un factor aproximadamente igual o menor al factor de correcci´on por fatiga ambiental propuesto por NUREG para la familia de aceros inoxidables. De este an´alisis es posible obtener una primera estima- ci´on del tiempo de duraci´on de los ensayos en agua. La Tabla 5.4 muestra los valores fijados en los ensayos de fatiga en aire, con valor medio de carga. En ambos ensayos se llev´o a cabo un preciclado con control de desplazamiento y l´ımites en carga.

La Figura 5.20 muestra la evoluci´on de la curva tensi´on-deformaci´on durante los primeros ciclos, para la probeta ID P02, deformada a raz´on de 0,50 mm/min. El trazado

86 Resultados experimentales y discusi´on

Tabla 5.4: Par´ametros correspondientes a los ensayos de fatiga en aire con R=0.05

Probeta ID Tensi´on m´ax. (Fza.) Tensi´on m´ın. (Fza.) R Frec. (Hz) P02 550 MPa (16 000 N) 28 MPa (800 N) 0,05 1 P04 607 MPa (17 000 N) 30 MPa (850 N) 0,05 1

de dicha curva consisti´o en cargar la probeta hasta una tensi´on correspondiente a una deformaci´on de aproximadamente 1,2 % y luego producir una descarga hasta un valor peque˜no de carga en compresi´on, a partir de all´ı, se fijaron los l´ımites en carga de modo que se produzca un ciclado con una raz´on de tensiones R = 0,05. Puede inferirse, a partir del gr´afico, que el material experimenta un fen´omeno de deformaci´on incremental o ratchetting, ocasionado por el ciclado asim´etrico en carga.

La Figura 5.21 muestra la evoluci´on de la posici´on de las tensiones m´aximas y m´ıni- mas durante el ciclado sin extens´ometro, correspondiente a los ciclos hasta la falla. Los ´

ultimos puntos experimentales corresponden a una adquisici´on circular, indic´andose con l´ınea de trazos la evoluci´on tentativa de los datos no registrados. A partir de la figura, se deduce que ocurre shakedown. Este fen´omeno se caracteriza por la estabiliza- ci´on de los lazos luego de determinado n´umero de ciclos. Esto conlleva a que los l´ımites de desplazamiento se mantengan pr´acticamente constantes durante un gran n´umero de ciclos, existiendo un apartamiento de esta tendencia en los ´ultimos ciclos debido al crecimiento de fisuras por fatiga.

Las probetas fallaron finalmente por fatiga luego de 157444 ciclos en la probeta ID P02 y 74961 ciclos en la probeta ID P04. En ambos casos, se evidenci´o la aparici´on de m´ultiples fisuras en la superficie, con indicios de una elevada deformaci´on pl´astica generalizada. La diferencia de vida entre ambas probetas se debe a que los niveles m´aximos iniciales de deformaci´on pl´astica alcanzados son distintos, superando en el segundo caso el valor l´ımite de 2 % de deformaci´on recomendado para esta geometr´ıa de probeta ya en el primer ciclo.

Asumiendo las siguientes condiciones en el sistema integral de corrosi´on fatiga Cor- test: temperatura del agua de aproximadamente 250 o_{C, un nivel de ox´ıgeno disuelto}

inferior a 0,1 ppm y una tasa de deformaci´on de 0,125 %/s (que para probetas de 20 mm de longitud de referencia equivale a 1,5 mm/min o 10−3 in/s aprox.), el factor de correcci´on por fatiga ambiental definido por NUREG CR-6909 resulta ser aproxima- damente igual a 2,143, por lo que la vida de una probeta en similares condiciones a la probeta ID P02 ser´ıa aproximadamente igual a 73470 ciclos y la vida de una simi- lar a la ID P04 ser´ıa de aproximadamente 34980 ciclos. Estos valores son obviamente estimativos. La vida a la fatiga de una probeta no depende solo del material y del estado de cargas, sino tambi´en del acabado superficial espec´ıfico de dicha probeta y de las condiciones del medio. M´as a´un, las propias dependencias de la fatiga en el r´egimen HCF hacen esperable una gran dispersi´on en los resultados, lo cual disminuye

5.6 Ensayos de fatiga en condiciones LWR 87

Figura 5.20: Evoluci´on de la curva tensi´on deformaci´on durante los primeros 30 ciclos del preciclado con control de deformaci´on y l´ımites en carga, para la probeta ID P02. Evidencia de ratchetting o creep dependiente de ciclos.

Figura 5.21: Evoluci´on de la posici´on de los m´aximos y m´ınimos de tensi´on con el n´umero de ciclos para la probeta ID P02. Evidencia del fen´omeno de shakedown.

88 Resultados experimentales y discusi´on

la confiabilidad de cualquier estimaci´on de vida en condiciones LWR a partir de tales mediciones.

La predicci´on de los tiempos de duraci´on de los ensayos es tambi´en compleja debido al desconocimiento a priori de la rigidez de la m´aquina de ensayos Cortest. Debido a la imposibilidad de trabajar con un extens´ometro en el interior del autoclave, la ´unica variable que puede ser monitoreada, adem´as de la carga, es el desplazamiento. Es por tanto necesario tener presente que el control de desplazamiento del sistema Cortest no solo incluye la deformaci´on de la probeta sino que involucra tambi´en a todo el sistema de sujeci´on y aplicaci´on de carga. Esto hace dif´ıcil asegurar que la zona de prueba de la probeta ensayada se ve sometida en forma efectiva a los niveles de deformaci´on buscados, y por consiguiente, el porcentaje de deformaci´on por ciclo, necesario para estimar el tiempo de duraci´on de cada ensayo, resulta dif´ıcil de determinar.

Relajaci´on dependiente de ciclos

Cuando un material es sujeto a un ciclado con l´ımites asim´etricos en deformaci´on, si el rango de deformaci´on es lo suficientemente grande como para causar cierta plastici- dad c´ıclica, la tensi´on media cambia gradualmente a cero conforme aumenta el n´umero de ciclos impuestos. Este efecto, denominado relajaci´on dependiente de ciclos, consti- tuye junto al ratchetting el mismo fen´omeno f´ısico visto desde perspectivas diferentes [12].

Para observar la relajaci´on del valor medio, se ensay´o una probeta de Nitronic 50 (ID P03) de similares dimensiones al resto de las probetas de fatiga ensayadas en este trabajo. Para ello, se estableci´o un rango de deformaciones comprendido entre 0 y 1,0 % de deformaci´on, y se midi´o la respuesta en carga, controlando deformaci´on tanto en el preciclado como en el ciclado senoidal. La frecuencia de ciclado se fij´o en 1,0 Hz. La Figura 5.22 muestra la evoluci´on de la curva tensi´on-deformaci´on durante los primeros ciclos del ensayo con l´ımites asim´etricos en deformaci´on, donde se evidencia una disminuci´on progresiva del valor medio de tensi´on. Este efecto puede observarse con mayor facilidad si se analiza la dependencia de la raz´on de cargas R con el tiempo o el n´umero de ciclos, tal y como se muestra en la Figura 5.23, donde es evidente que dicho valor tiende a −1 conforme aumenta el n´umero de ciclos. N´otese que durante los primeros 100 ciclos tiene lugar un marcado descenso de la raz´on de carga, seguido de un descenso continuo y menos pronunciado.

La probeta ID P03 finalmente fall´o por fatiga luego de 9342 ciclos, valor similar al obtenido en el ensayo de fatiga en aire con control de deformaci´on e inversi´on total, correspondiente a una amplitud de deformaci´on de 0,5 % aproximadamente. Esto indica que, en ensayos de fatiga con l´ımites en deformaci´on, la extinci´on del valor medio luego de cierto n´umero de ciclos produce resultados experimentales de vida a la fatiga