Volumen II - SAM

Congreso SAM/CONAMET 2009 Buenos Aires, 19 al 23 de Octubre de 2009
CÁLCULO DE LAS PROPIEDADES DE LA VACANCIA
EN ALEACIONES DILUÍDAS DE Zr-Nb
J. R. Fernández (1,2)† y G. Simonelli (3)
(1) Departamento de Materiales, Centro Atómico Constituyentes
Comisión Nacional de Energía Atómica
(2) Instituto Sabato, Universidad Nacional de San Martín/CNEA
Av. General Paz 1499 (1650), Gral. San Martín, Buenos Aires, Argentina.
(3) Lab. de Física del Sólido, Dpto. de Física, Fac. de Cs. Exactas y Tecnología
Universidad Nacional de Tucumán
Av. Independencia 1800 (T4002BLR), S. M. de Tucumán, Tucumán, Argentina.
† CONICET
E-mail (autor de contacto): julrfern@cnea.gov.ar
RESUMEN
Se estudian las propiedades estáticas y dinámicas de la vacancia en la aleación Zr-Nb mediante técnicas
computacionales a nivel atómico. Las interacciones atómicas se representan mediante un potencial
semiempírico del tipo EAM que reproduce algunas propiedades de esta aleación. Se calculan energías de
migración de la vacancia en presencia de impurezas dispuestas en distintas configuraciones alrededor del
defecto en las redes bcc del Nb y hcp del Zr. Se estima la difusividad en cada estructura a través del camino
cuadrático medio efectuado por los átomos durante simulaciones realizadas con dinámica molecular. Se
comparan los resultados del cálculo con observaciones experimentales disponibles en la literatura.
Palabras clave: difusión, vacancia, aleación Zr-Nb, simulación por computadora.
1. INTRODUCCIÓN
Varios de los componentes estructurales de los reactores nucleares argentinos se realizan con aleaciones de
Zr con bajo contenido de Nb. Estos componentes sufren cambios en sus dimensiones y propiedades
mecánicas por efecto de la radiación neutrónica, debido principalmente a la generación y evolución de
defectos microestructurales. El estudio de estos defectos a nivel atómico puede contribuir a entender el
comportamiento observado experimentalmente.
En este trabajo se utilizan técnicas computacionales para estudiar la difusión en volumen en una aleación
diluída de Zr en Nb(bcc) y Nb en Zr(hcp) por mecanismo de vacancias. Las interacciones atómicas se
representan mediante potenciales semiempíricos del tipo EAM ajustados al parámetro de red, energía de
cohesión, constantes elásticas y energía de formación de vacancias de los elementos puros y a energías de
formación de algunas fases metaestables de la aleación [1]. Los potenciales utilizados arrojan una entalpía de
mezcla positiva y reproducen razonablemente el calor de solución de Nb en Zr y la variación del parámetro
de red con la composición [1].
En la siguiente sección se calculan las energías de formación y migración de la vacancia en presencia de
impurezas del elemento minoritario. En la sección 3 se utiliza la técnica de dinámica molecular (DM) para
estudiar la movilidad de las especies químicas cuando actúa un mecanismo de vacancias. En la última
sección se discuten los resultados y se compara con la evidencia experimental disponible.
2. CÁLCULO ESTÁTICO
A fines de analizar el comportamiento del sistema en el límite de concentraciones diluídas, se estudia
inicialmente la creación de la vacancia (V), la impureza (I), el par impureza-impureza (2I) y el par impurezavacancia
(I-V) en las redes cristalinas del Zr y Nb. Las energías de formación correspondientes pueden
escribirse, respectivamente, como [2]:
E
E
f
V
f
2I
= ε
V
= ε
2I
+ μ
H
− 2(
μ
I
− μ
H
)
;
;
1239
E
E
f
I
f
I −V
= ε
I
= ε
− μ
I −V
I
+ μ
− μ
I
H
+ 2μ
H
(1)