Published 2001 | Version v1
Miscellaneous

Stress corrosion cracking of zirconium and its alloys in halogenide solutions

Description

A doctoral thesis developed at the corrosion labs in CNEA a few years ago showed that zirconium and Zircaloy-4 were susceptible to stress corrosion cracking (SCC) in chloride aqueous solutions at potentials above the pitting potential. However, the nature of the phenomenon was not elucidated. On the other hand, references about the subject were scarce and contradictory. The development of new SCC models, in particular, the surface mobility SCC mechanism suggested a review of zirconium and Zircaloy-4 SCC in halogenide aqueous solutions. This mechanism predicts that zirconium should be susceptible to SCC not only in chloride solutions but also in bromide and iodide solutions due to the low melting point of the surface compounds formed by the interaction between the metal and the environment. The present work was aimed to determine the conditions under which SCC takes place and the mechanism operating during this process. For that purpose, the effect of electrochemical potential, strain rate and temperature on the SCC susceptibility of both, zirconium and Zircaloy-4 in chloride, bromide and iodide solutions was investigated. It was observed that those materials undergo stress corrosion cracking only at potentials higher than the breakdown potential. The crack velocity increased slightly with the applied potential, and the strain rate had an accelerating effect on the crack propagation rate. In both materials two steps were found during cracking. The first one was characterized as intergranular attack assisted by stress due to an anodic dissolution process. This step is followed by a transition to a transgranular mode of propagation, which was considered as the 'true' stress corrosion cracking step. The intergranular attack is the rate-determining step due to the fact that the transgranular propagation rate is higher than the intergranular propagation rate. Several stress corrosion cracking mechanisms were analyzed to explain the transgranular cracking. The predictions of the surface mobility SCC mechanism were in accordance with the experimental results obtained in the present work. (author)

Availability note (English)

Available from Centro de Informacion CAC, Centro Atomico Constituyentes, Comision Nacional de Energia Atomica (AR)

Abstract (Spanish)

En los laboratorios de corrosion de la CNEA se habia determinado que el circonio y el Zircaloy-4 sufren corrosion bajo tension en soluciones acuosas de cloruro a potenciales iguales o superiores al potencial de picado. Sin embargo, la naturaleza del fenomeno no habia sido esclarecida. Por otra parte, la bibliografia sobre el tema es escasa y contradictoria. El desarrollo de nuevos modelos sugirio rever el fenomeno de corrosion bajo tension de circonio y sus aleaciones con el objeto de determinar el mecanismo operante durante el mismo. En particular, el mecanismo de movilidad superficial, que no habia sido desarrollado para la epoca del trabajo anterior, predice la existencia de corrosion bajo tension en sistemas en los cuales se forma un compuesto de bajo punto de fusion que aumenta la movilidad superficial de las vacancias y permite el avance de la fisura por captura de las mismas en la punta de la fisura. El citado mecanismo predice corrosion bajo tension del circonio tanto en soluciones de cloruro, como en soluciones de bromuro y yoduro, donde se forman compuestos contaminantes de bajo punto de fusion que inducirian el fenomeno. Por todo lo antedicho, el presente trabajo se oriento a determinar el mecanismo operante durante la corrosion bajo tension de circonio y Zircaloy-4 en soluciones acuosas de halogenuros. A tal fin se determinaron las condiciones electroquimicas bajo las cuales ocurre el fenomeno, y tambien se investigo el efecto de la velocidad de deformacion y de la temperatura. Se determinaron los potenciales de picado del circonio y del Zircaloy-4 en las soluciones antes mencionadas y, mediante la realizacion de ensayos de traccion a velocidad de deformacion constante y potencial controlado, se observo susceptibilidad a la corrosion bajo tension unicamente a potenciales mayores a los de picado. En ambos materiales se encontraron dos etapas en la fisuracion: la primera de ellas presenta morfologia intergranular y corresponde a un proceso de disolucion anodica localizado en bordes de grano asistido por tensiones. La segunda etapa, de morfologia transgranular, corresponde al 'verdadero' fenomeno de corrosion bajo tension. Se determino que la primera etapa es el paso limitante del proceso global, ya que la velocidad de propagacion de fisuras intergranular es menor que la velocidad de propagacion transgranular. Con respecto a la etapa de fisuracion transgranular se analizo la aplicabilidad de diversos mecanismos de corrosion bajo tension: disolucion anodica, fragilizacion por hidrogeno, absorcion y movilidad supercial. Los tres mecanismo mencionados en primer termino, no han podido explicar los resultados obtenidos en el presente trabajo; mientras que el de movilidad superficial no presenta inconsistencias entre sus predicciones y los resultados experimentales. Se concluye finalmente que la movilidad superficial puede ser la causante del fenomeno de corrosion bajo tension de circonio y Zircaloy-4 en soluciones de halogenuros. (autor)

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Original title (Spanish)
Corrosion bajo tension de circonio y aleaciones en soluciones de halogenuros

Publishing Information

Imprint Pagination
139 p.
Report number
IT-T--67-01

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Notes
91 refs., figs., tabs.