Met een nieuwe microscopietechniek kunnen onderzoekers microstructurele veranderingen in realtime volgen, zelfs wanneer een materiaal wordt blootgesteld aan extreme hitte en stress. Onlangs, onderzoekers tonen aan dat een roestvrijstalen legering genaamd legering 709 potentieel heeft voor toepassingen bij verhoogde temperatuur, zoals kernreactorstructuren.

"Alloy 709 is uitzonderlijk sterk en bestand tegen schade bij langdurige blootstelling aan hoge temperaturen, " zegt Afsaneh Rabiei, corresponderende auteur van een paper over de nieuwe bevindingen en een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek aan de North Carolina State University. "Dit maakt het een veelbelovend materiaal voor gebruik in kerncentrales van de volgende generatie.

"Echter, legering 709 is zo nieuw dat zijn prestaties onder hoge hitte en belasting nog niet volledig worden begrepen. En het Department of Energy (DOE) moest de thermomechanische en structurele kenmerken ervan beter begrijpen om de levensvatbaarheid ervan voor gebruik in kernreactoren te bepalen."

Om de vragen van DOE te beantwoorden, Rabiei kwam met een nieuwe oplossing. Werken met drie bedrijven – Hitachi, Oxford Instruments en Kammrath &Weiss GmbH - Rabiei hebben een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee haar laboratorium in realtime scanning-elektronenmicroscopie (SEM) kan uitvoeren terwijl extreem hoge hitte en hoge belastingen op een materiaal worden toegepast.

"Dit betekent dat we de scheurgroei kunnen zien, schade aan de kiemvorming en microstructurele veranderingen in het materiaal tijdens thermomechanische testen, die relevant zijn voor elk materiaal - niet alleen legering 709, " zegt Rabiei. "Het kan ons helpen begrijpen waar en waarom materialen falen onder een groot aantal verschillende omstandigheden:van kamertemperatuur tot 1 000 graden Celsius (C), en met spanningen variërend van nul tot twee gigapascal."

Om dat in context te plaatsen, 1, 000 C is 1, 832 graden Fahrenheit. En twee gigapascal is gelijk aan 290, 075 pond per vierkante inch.

Het team van Rabiei werkte samen met de Universiteit van Birmingham in het Verenigd Koninkrijk om de mechanische en microstructurele eigenschappen van legering 709 te beoordelen bij blootstelling aan hoge hitte en belasting.

De onderzoekers stelden monsters van een millimeter dik van legering 709 bloot aan temperaturen tot 950 C totdat het materiaal "mislukte, " wat betekent dat het materiaal brak.

"Alloy 709 presteerde beter dan 316 roestvrij staal, wat momenteel wordt gebruikt in kernreactoren, " zegt Rabiei. "De studie toont aan dat de sterkte van legering 709 bij alle temperaturen hoger was dan die van roestvrij staal 316. wat betekent dat het meer stress kan verdragen voordat het faalt. Bijvoorbeeld, legering 709 kon bij 950 C evenveel spanning aan als roestvrij staal 316 bij 538 C.

"En onze microscopietechniek stelde ons in staat om de kiemvorming en scheurgroei te volgen, samen met alle veranderingen in de microstructuur van het materiaal gedurende het hele proces, ' zegt Rabiei.

"Dit is een veelbelovende bevinding, maar we hebben nog meer werk te doen, " zegt Rabiei. "Onze volgende stap is om te beoordelen hoe legering 709 zal presteren bij hoge temperaturen bij blootstelling aan cyclische belasting, of herhaalde stress."

De krant, "Een onderzoek naar trekeigenschappen van legering 709 bij verschillende temperaturen, " verschijnt in het journaal Materiaalwetenschap en -techniek:A .