Approcci predittivi di machine learning per il comportamento microstrutturale delle leghe di zirconio multifase

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5394 (2023) Citare questo articolo

659 accessi

1 Citazioni

2 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Le leghe di zirconio sono ampiamente utilizzate in ambienti difficili caratterizzati da alte temperature, corrosività ed esposizione alle radiazioni. Queste leghe, che hanno una struttura esagonale chiusa (hcp), si degradano termo-meccanicamente, se esposte ad ambienti operativi severi a causa della formazione di idruri. Questi idruri hanno una struttura cristallina diversa da quella della matrice, che si traduce in una lega multifase. Per modellare accuratamente questi materiali su scala fisica rilevante, è necessario caratterizzarli completamente sulla base di un'impronta microstrutturale, che qui viene definita come una combinazione di caratteristiche che includono la geometria dell'idruro, la struttura madre e dell'idruro e la struttura cristallina di queste leghe multifase. Pertanto, questa indagine svilupperà un approccio di modellazione di ordine ridotto, in cui questa impronta microstrutturale viene utilizzata per prevedere livelli critici di stress di frattura che sono fisicamente coerenti con la deformazione microstrutturale e le modalità di frattura. Per prevedere gli stati di stress critici di frattura dei materiali sono state utilizzate metodologie di machine learning (ML) basate sulla regressione del processo gaussiano, foreste casuali e percettroni multistrato (MLP). Gli MLP, o reti neurali, hanno dimostrato la massima precisione sui set di test su tre livelli di deformazione di interesse predeterminati. L'orientamento dell'idruro, l'orientamento o la struttura dei grani e la frazione volumetrica dell'idruro hanno avuto l'effetto maggiore sui livelli critici di stress da frattura e avevano dipendenze parziali altamente significative, e in confronto la lunghezza dell'idruro e la spaziatura degli idruri hanno effetti minori sulle sollecitazioni di frattura. Inoltre, questi modelli sono stati utilizzati anche per prevedere con precisione la risposta del materiale alle deformazioni nominali applicate in funzione dell'impronta microstrutturale.

Le leghe di zirconio sono ampiamente utilizzate in ambienti in cui sono richieste resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione o bassa suscettibilità alle radiazioni1. Possono essere utilizzati come rivestimento dell'uranio nei reattori nucleari, dove l'esposizione all'acqua pesante ad alta temperatura può causare difetti all'interno della microstruttura causati dall'accumulo di idrogeno2,3. È stato dimostrato che questi difetti degradano le proprietà di comportamento meccanico delle leghe di zirconio, come lo stress di trazione finale, la duttilità e le deformazioni di frattura4,5. Queste caratteristiche microstrutturali possono svolgere un ruolo fondamentale nelle prestazioni dei materiali durante lo stoccaggio a lungo termine e in caso di incidenti, come la perdita di refrigerante (LOCA)6. È quindi essenziale comprendere e prevedere l'impatto degli idruri su questi materiali.

Studi sperimentali sui materiali di zirconio idrurato hanno indicato che i materiali idrurati, insieme alla geometria associata agli idruri, sono determinanti nella caratterizzazione della risposta del materiale. Per la formazione di idruri che avviene durante la fessurazione ritardata dell'idruro (DHC), Shi e Puls hanno concluso che la dimensione e la forma degli idruri precipitati all'apice della fessura hanno influenzato negativamente il fattore di intensità dello stress e quindi la propagazione della fessura7. È stato sperimentalmente dimostrato che la tenacità alla frattura nella lastra Zircaloy-4 diminuisce all'aumentare del contenuto di idrogeno e all'aumentare della proporzione di idruri orientati radialmente8. È stato riscontrato che temperature più elevate riducono la propagazione delle cricche a causa della maggiore duttilità. Studi sulla frattura nei materiali idrurati hanno dimostrato che gli idruri tendono a causare rotture fragili a temperature inferiori a 100 °C, con la matrice che mostra rotture duttili9. Colas et al. ha studiato ulteriormente la dipendenza termica della formazione di idruro e quantificato le deformazioni elastiche dovute alla formazione di diversi orientamenti di idruro10. Sharma et al. hanno scoperto che la tenacità alla frattura veniva ridotta con la formazione di idruri, e ancora di più per la formazione di idruri radiali, con una riduzione di circa l'80% rispetto agli idruri circonferenziali11. Gli studi sulla fatica nelle leghe di zirconio idrurato hanno anche mostrato una forte preferenza per la formazione di microfessure negli idruri orientati radialmente12.