Effect of thermal cycling on the stress orientation and circumferential ductility in Zircaloy-2

Abstract

The radial orientation of hydride in Zircaloy tubing reportedly causes a marked decrease in the circumferential ductility. Zircaloy cladding tubes used in power reactors today are fabricated under conditions controlled so that hydrides in the tube are circumferentially oriented. Applied stress during the precipitation of hydride under cooling affects the orientation in experiments on stress reorientation but the effect of stress has been investigated during only one thermal cycle. In reactor, however, cladding encounters repeated thermal cycles between operating temperature and room temperature. The effects of thermal and stress cycles on the orientation of hydride, simulating reactor operation, were investigated.After 30 thermal cycles without an applied stress, the hydride orientation did not change, but the length of the hydride platelet depended on the cooling rate. A cooling rate of 80°C/h caused a decrease in hydride size with repeated cycles. The effect of stress was not significant up to 10 kg/mm2. Hydride size decreased with increasing number of cycles with an applied stress of 20 kg/mm2 and radially oriented hydrides increased.The circumferential ductility of Zircaloy-2 tubing subjected to the thermal cycling was measured by flare and flattening tests. Generally, ductility at room temperature was low and increased with increasing temperature. At a high hydrogen concentration of 1000 ppm, ductility at room temperature was zero, whereas at 300°C, the ductility was similar to that of the lowest hydrogen specimen. At a stress of 20 kg/mm2, one and five thermal cycles caused a decrease in ductility. Résumé L'orientation radiale des hydrures dans les tubes de Zircaloy est la cause d'une diminution marquée de la ductilité circonférentielle. Les tubes de gainage en Zircaloy utilisés dans les réacteurs sont fabriqués dans des conditions telles que les hydrures sont orientes circonférentiellement. L'application d'une contrainte lors de la précipitation des hydrures pendant le refroidissement affecte leur orientation; l'effet d'une telle contrainte n'a cependant été étudié que pendant un cycle thermique. Dans les réacteurs les gaines subissent des cycles thermiques répétes entre l'ambiante et la température de fonctionnement. Les auteurs ont étudié les effets des cycles thermiques et de contrainte sur l'orientation des hydrures en simulant le fonctionnement d'un réacteur.Après 30 cycles thermiques, sous contrainte nulle, l'orientation des hydrures restait constante mais leur longueur variait avec le taux de refroidissement. Un taux de refroidissement de 80°C/h faisait diminuer la taille des hydrures apres des cycles répétés. Jusqu'à 10 kg/mm2 l'effet de la contrainte est négligeable. La taille des hydrures diminue avec un nombre de cycles croissant et une contrainte de 20 kg/mm2 et le nombre d'hydrures d'orientation radiale augmente.La ductilité circonférentielle des tubes de Zircaloy-2 ayant subi des cycles thermiques a éteé mesurée par des essais d'éclatement et d'aplatissement.D'une façon générale, la ductilité à température ambiante est faible et augmente avec la température. A une teneur élevée en hydrogéne (1000 ppm) la ductilité est nulle à l'ambiante et à 300°C elle est semblable à celie des éprouvettes ayant les plus faibles teneurs en hydrogene. A une contrainte de 20 kg/mm2, un et cinq cycles thermiques faisaient diminuer la ductilité.