Computermodellering van nano-indentatiestudies uitgevoerd op met ionen bestraald staal heeft 3D-spanningsveldkaarten gegenereerd op een technische schaal die goed overeenkomen met experimentele resultaten.

Het bestudeerde materiaal is gegloeid roestvrij staal 316, de meest gebruikte structurele legering in de scheepvaart, chemisch, petrochemisch, vervoer, productie en de nucleaire industrie.

In de studie gepubliceerd in het International Journal of Plasticity, onderzoekers van ANSTO en de Universiteit van New South Wales gebruikten ionenbestraling, nano-inspringing en elektronenmicroscopie om inzicht te krijgen in de relatie tussen piekschadediepte en de bijbehorende piekhardheidsdiepte veroorzaakt door bestraling.

"Wat we uit het model halen, is iets dat je niet experimenteel kunt observeren, vooral visueel, dat is, een driedimensionale spanningstoestand in een meerlagige structuur zoals gegenereerd door ionenbestraling, " zei hoofdauteur Michael Saleh, een ANSTO materiaalonderzoeker, die simulaties ontwikkelt van geavanceerde materialen in extreme omgevingen.

"Er zijn modellen gemaakt met een harde en zachte laag, maar in deze simulaties keken we naar meerdere lagen op nanometerschaal waar de gradiënt hoog was en de berekening van spanningen complex was."

In de simulaties op de plaats van de piekhardheid, de plastische rekcontouren vertoonden een dubbel schotelvormig plastisch zoneprofiel.

"Dit was niets minder dan een openbaring, aangezien werd verwacht dat de plastic zone een continue bolvormige spanning zou zijn, " zei co-auteur Dr. Dhriti Bhattacharyya, een senior materiaaltechnisch onderzoeker, die de nano-inspringing en analytische berekeningen heeft uitgevoerd.

De onderzoekers vonden ook een eenvoudige lineaire relatie tussen de diepte van de hardheidspiek en de diepte van de schadepiek, wat meer in het algemeen gevolgen heeft voor gelaagde materialen.

Het doel van het onderzoek was inzicht te krijgen in het effect van straling op de mechanische eigenschappen van bestraald materiaal. Ionenbestraling biedt een snelle en niet-actieve methode om hoge schadedoses te bereiken. Echter, deze bestralingsprocedure veroorzaakt verschillende hoeveelheden atomaire verplaatsingen of schade in het materiaal op verschillende diepten, het creëren van een dunne laag materiaal met een grote gradiënt in hardheid (als een reeks lagen op nanometerschaal van verschillende sterkte). De studie van de mechanische eigenschapveranderingen door de dikte van de aangetaste laag is een grote uitdaging. Nano-inspringing biedt een relatief eenvoudige manier om het gemodificeerde oppervlak te onderzoeken; echter, de interpretatie van de resultaten wordt bemoeilijkt door de gelaagde structuur en de 3-D spanningstoestand rond het streepje.

Ionenbestraling

Gegloeid roestvrij staal (SS316) werd bestraald met heliumionen op 1, 2 en 3 MeV op de STAR-versneller die schade veroorzaakt door atomaire verplaatsing op verschillende diepten.

Co-auteur Prof Mihail Ionescu, Interim leider van de nucleaire brandstofcyclus, hield toezicht op de ionenbestraling bij ANSTO's Center for Accelerator Science.

Ionenbestraling veroorzaakt verschillende hoeveelheden atomaire verplaatsingen of schade in het materiaal op verschillende diepten, het creëren van een reeks lagen van verschillende hardheid.

Het bestralen van een doelwitmonster met hoogenergetische ionen kan dezelfde schade veroorzaken die vele jaren zou vergen om zich op te hopen in een kernreactor. Dit type bestraling maakt het gemakkelijker om de testmonsters te hanteren, omdat ze in het algemeen niet radioactief worden.

Nano-inspringing

"We hebben nano-indentatie uitgevoerd omdat het kan worden gebruikt om de mechanische eigenschappen na ionenbestraling te meten, ' zei Bhattacharyya.

Ionenbestraling veroorzaakte verharding op geringe diepte met meetbare en gedefinieerde pieken in hardheid.

Het oppervlak van bestraalde en niet-bestraalde monsters was nano-ingesprongen met een driehoekige piramidale punt tot een diepte van drie micron.

"Nano-inspringing induceert complexe 3D-stresstoestanden in de materialen, wat verder gecompliceerd is in lagen met verschillende sterktes. Het creëert ook een zeer groot plastic volume eromheen, ' zei Bhattacharyya.

Met behulp van analytische methoden, Bhattacharyya was in staat om de toename in hardheid op verschillende diepten bij drie verschillende energieën met redelijke nauwkeurigheid te voorspellen.

"Met behulp van een middelingsmechanisme over de plastic zone, het bood een relatief snelle manier om de hardheidstoename te schatten als gevolg van enige hoeveelheid schade binnen het gemodelleerde bereik, ' zei Bhattacharyya.

"Echter, piekschade en de piekhardheid komen niet op hetzelfde punt in het materiaal voor, het bereikt piekhardheid voordat piekschade, en we wilden de reden voor het verschil begrijpen, ' zei Bhattacharyya.

"Je krijgt een veel grotere hardheid dichter bij het oppervlak, dankzij het spanningsveld dat voor de nano-inkepingspunt uitgaat.

"Als je het materiaal doorboort, het voelt al de onderste lagen, die het niet heeft bereikt.

"De plastic zone is het gebied rond de punt, wat plastische vervorming veroorzaakt en de hardheidswaarde die je voelt is eigenlijk het gemiddelde van dat volume.

"Maar in een gelaagd materiaal, het zal de hardere lagen eronder gaan voelen voordat het daar daadwerkelijk bereikt. Het bereikt eerder het hoogtepunt."

Het verschil in profielen bij verschillende energieën is te verklaren doordat de hardheid gebaseerd is op middeling over alle lagen en de verdeling van lagen verandert bij verschillende energieën.

computermodellering

"We hebben wat neutronengegevens uit de literatuur gehaald, die verhardingsschema's had opgesteld met correlaties tussen verplaatsingen per atoom (dpa) en verharding als uitgangspunt. Met wiskundige aanpassing hebben we veel verfijningen aan het model kunnen maken, ' zei Saleh.

Over het algemeen, de modellen voorspellen iets te veel, maar sluiten goed aan op het gebied van sterkte en piekpositie. Ze zijn binnen 10 procent en, over het algemeen, dat is heel goed in een meerlaagse structuur."

Bij de modellen de straal van de plasticiteitszone was acht tot negen keer de diepte van de inkeping, niet drie tot vijf zoals elders was voorspeld.

"Als je een betrouwbare methodologie kunt opzetten, waarbij u kunt analyseren of uw component zal falen door eenvoudige nano-inspringing, er zou enorm veel belangstelling zijn vanuit de industrie, ' zei Saleh.

"Dit geeft ons een middel om de verwachte hardheidspiekposities en -waarden voor stralingsdoses te voorspellen. Maar het fundamentele principe achter het experiment zal werken voor alle gelaagde materialen. Het materiaal hoeft niet eens te worden bestraald, ' zei Bhattacharyya.

"Zodra we de sterkte en andere mechanische parameters kennen, we kunnen achteruit werken en het schadeprofiel uitwerken.

De studie brengt niet alleen inzicht in de door straling veroorzaakte veranderingen in de oppervlakte-eigenschappen van materialen, maar een beter begrip van het nano-indentatieproces in meerlagige materialen in het algemeen.

De modelleringsresultaten bieden informatie over mechanische eigenschappen die schaalbaar zijn tot technische afmetingen."

De onderzoekers zetten de studies voort van andere met ionen bestraalde materialen met meerdere fasen en verschillende kristalstructuren.