Abordagens preditivas de aprendizado de máquina para o comportamento microestrutural de ligas multifásicas de zircônio

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5394 (2023) Citar este artigo

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As ligas de zircônio são amplamente utilizadas em ambientes agressivos caracterizados por altas temperaturas, corrosividade e exposição à radiação. Essas ligas, que possuem uma estrutura hexagonal fechada (hcp), degradam-se termomecanicamente quando expostas a ambientes operacionais severos devido à formação de hidretos. Esses hidretos possuem uma estrutura cristalina diferente da matriz, o que resulta em uma liga multifásica. Para modelar com precisão esses materiais na escala física relevante, é necessário caracterizá-los completamente com base em uma impressão digital microestrutural, que é definida aqui como uma combinação de características que incluem geometria de hidreto, textura original e de hidreto e estrutura cristalina dessas ligas multifásicas. Portanto, esta investigação desenvolverá uma abordagem de modelagem de ordem reduzida, onde esta impressão digital microestrutural é usada para prever níveis críticos de tensão de fratura que são fisicamente consistentes com a deformação microestrutural e os modos de fratura. Metodologias de aprendizado de máquina (ML) baseadas em regressão de processo gaussiana, florestas aleatórias e perceptrons multicamadas (MLP) foram usadas para prever estados de tensão crítica de fratura de material. MLPs, ou redes neurais, tiveram a maior precisão em conjuntos de testes mantidos em três níveis de tensão de interesse predeterminados. A orientação do hidreto, a orientação ou textura do grão e a fração volumétrica do hidreto tiveram o maior efeito nos níveis críticos de tensão de fratura e tiveram dependências parciais que foram altamente significativas e, em comparação, o comprimento do hidreto e o espaçamento do hidreto têm menos efeitos nas tensões de fratura. Além disso, esses modelos também foram usados ​​para prever com precisão a resposta do material às deformações nominais aplicadas em função da impressão digital microestrutural.

As ligas de zircônio são amplamente utilizadas em ambientes onde são necessárias resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão ou baixa suscetibilidade à radiação1. Eles podem ser usados ​​como revestimento de urânio em reatores nucleares, onde a exposição à água pesada em alta temperatura pode causar defeitos na microestrutura causados ​​pelo acúmulo de hidrogênio2,3. Foi demonstrado que esses defeitos degradam as propriedades de comportamento mecânico das ligas de zircônio, como tensão máxima de tração, ductilidade e deformações de fratura . Essas características microestruturais podem desempenhar um papel crítico no desempenho do material durante o armazenamento de longo prazo e em incidentes, como acidentes com perda de líquido refrigerante (LOCA)6. É, portanto, essencial compreender e prever o impacto dos hidretos nestes materiais.

Estudos experimentais de materiais de zircônio hidratados indicaram que os materiais hidratados, juntamente com a geometria associada aos hidretos, são fundamentais na caracterização da resposta do material. Para a formação de hidretos que ocorre durante o craqueamento retardado de hidreto (DHC), Shi e Puls concluíram que o tamanho e a forma dos hidretos precipitados na ponta da trinca afetaram negativamente o fator de intensidade de tensão e, portanto, a propagação da trinca . Demonstrou-se experimentalmente que a tenacidade à fratura na folha de Zircaloy-4 diminui à medida que o teor de hidrogênio aumenta e à medida que a proporção de hidretos orientados radialmente aumenta8. Descobriu-se que temperaturas mais altas reduzem a propagação de trincas devido ao aumento da ductilidade. Estudos de fratura em materiais hidratados mostraram que os hidretos tendem a causar falha frágil em temperaturas abaixo de 100 °C, com a matriz apresentando falha dúctil9. Colas et al. estudaram ainda mais a dependência térmica da formação de hidretos e quantificaram as deformações elásticas devido à formação de diferentes orientações de hidretos . Sharma et al. constataram que a tenacidade à fratura foi reduzida com a formação de hidretos, e ainda mais para a formação de hidretos radiais, com redução de aproximadamente 80% quando comparado com hidretos circunferenciais . Estudos de fadiga em ligas de zircônio hidratadas também mostraram uma forte preferência pela formação de microfissuras em hidretos orientados radialmente .