Onderzoekers hebben een techniek gedemonstreerd waarmee ze microscopisch kleine veranderingen in metalen of andere materialen in realtime kunnen volgen, zelfs wanneer de materialen gedurende langere tijd worden blootgesteld aan extreme hitte en belastingen - een fenomeen dat bekend staat als 'kruip'. De techniek zal de inspanningen versnellen om materialen te ontwikkelen en te karakteriseren voor gebruik in extreme omgevingen, zoals kernreactoren.

"Tot nu, je zou naar de structuur van een materiaal kunnen kijken voordat je het aan hitte of belasting blootstelt, breng dan warmte aan en laad totdat het brak, gevolgd door een microstructurele observatie. Dat betekent dat je alleen weet hoe het eruit zag voor en na het laden en verwarmen, " zegt Afsaneh Rabiei, corresponderende auteur van een paper over het werk en een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek aan de North Carolina State University.

"Onze techniek, dat heet 'in situ scanning elektronenmicroscopie (SEM) verwarming en laden, ' stelt ons in staat om de microscopische veranderingen te zien die tijdens het proces plaatsvinden. Je kunt zien hoe scheuren ontstaan ​​en groeien, of hoe de microstructuur verandert tijdens het faalproces. Dit is uiterst waardevol voor het begrijpen van de eigenschappen van een materiaal en het gedrag ervan onder verschillende omstandigheden van belasting en verwarming."

Rabiei ontwikkelde de in situ SEM-techniek voor hoge temperaturen en belasting (spanning) als middel om high-throughput-beoordelingen uit te voeren van het gedrag van geavanceerde materialen. Het doel was om te kunnen voorspellen hoe een materiaal reageert onder verschillende verhittings- en belastingsomstandigheden. Het project werd ondersteund door het ministerie van Energie. Het instrument kan SEM-beelden vastleggen bij temperaturen tot wel 1, 000 graden Celsius (C), en bij spanningen zo hoog als twee gigapascal - wat overeenkomt met 290, 075 pond per vierkante inch.

Voor hun recente demonstratie van het potentieel van de techniek, onderzoekers voerden "kruip-vermoeidheidstests" uit op een roestvrijstalen legering genaamd legering 709, die wordt overwogen voor gebruik in kernreactoren.

"Creep-vermoeidheidstests omvatten het blootstellen van materialen aan hoge hitte en herhaalde, uitgebreide ladingen, wat ons helpt te begrijpen hoe constructies zullen presteren wanneer ze in extreme omgevingen onder belasting worden geplaatst, ", zegt Rabiei. "Dat is duidelijk belangrijk voor toepassingen als kernreactoren, die zijn ontworpen om tientallen jaren te werken."

Daartoe, Rabiei en haar medewerkers testten monsters van legering 709 bij temperaturen van 750 graden C, die herhaalde laadcycli doormaakten, variërend van het een seconde vasthouden van de last tot het herhaaldelijk vasthouden van de last een uur totdat ze faalden. In één iteratie, waarbij het monster gedurende één uur herhaaldelijk is blootgesteld aan een belasting, met intervallen van zeven seconden tussen belastingen, het experiment duurde meer dan 600 uur. En de in situ SEM legde het allemaal vast.

"In situ stelde SEM ons in staat om de microscopische ontwikkeling van scheuren in het materiaal en de evolutie van de microstructuur te volgen tijdens de kruip-vermoeidheidstests, " Zegt Rabiei. "We waren toen in staat om deze gegevens te gebruiken om te modelleren wat het gedrag van legering 709 zou zijn na jarenlang gebruik in een kernreactor. En legering 709 presteerde beter dan 316 roestvrij staal, dat is wat momenteel in veel reactoren wordt gebruikt.

"Dat is goed nieuws, maar wat hier het meest opwindend is, is de methodologie die we hebben gebruikt. Bijvoorbeeld, onze in situ SEM-techniek stelde ons in staat om getuige te zijn van de rol die microstructurele details, dubbele grenzen genoemd, spelen bij het beheersen van scheurgroei in legering 709. Onze waarnemingen toonden aan dat wanneer een scheur dergelijke dubbele grenzen bereikt in legering 709, het leidt zichzelf om en maakt een omweg. Dit omleidingseffect vertraagt ​​de scheurgroei, het verbeteren van de sterkte van het materiaal. Zonder onze in situ SEM verwarmings- en laadtechnologie, dergelijke waarnemingen zouden niet mogelijk zijn. Bovendien, met behulp van deze techniek, we hebben alleen kleine exemplaren nodig en kunnen gegevens genereren die normaal gesproken jaren nodig hebben om te genereren. Als zodanig besparen we zowel tijd als de hoeveelheid materiaal die wordt gebruikt om de eigenschappen van het materiaal te evalueren en het faalproces te analyseren.

"Het vermogen om dit soort inzichten vast te leggen, is een belangrijke stap vooruit voor onderzoek naar een aantal nieuwe, hoogwaardige materialen, met name die die zijn ontworpen om te presteren in extreme omgevingen, ' zegt Rabiei.

De krant, "Prestaties van legering 709 onder kruip-vermoeidheid bij verschillende verblijftijden, " is gepubliceerd in het tijdschrift Materiaalwetenschap en -techniek:A .