Ny mikroskopi virker ved ekstrem varme, kaster lys over legeringer til atomreaktorer

En ny mikroskopiteknik gør det muligt for forskere at spore mikrostrukturelle ændringer i realtid, selv når et materiale udsættes for ekstrem varme og stress. For nylig, forskere viser, at en rustfri stållegering kaldet legering 709 har potentiale til anvendelser ved høje temperaturer såsom atomreaktorstrukturer.

"Alloy 709 er usædvanligt stærk og modstandsdygtig over for skader, når den udsættes for høje temperaturer i lange perioder, " siger Afsaneh Rabiei, tilsvarende forfatter til et papir om de nye resultater og en professor i mekanisk og rumfartsteknik ved North Carolina State University. "Dette gør det til et lovende materiale til brug i næste generation af atomkraftværker.

"Imidlertid, alloy 709 er så ny, at dens ydeevne under høj varme og belastning endnu ikke er fuldt ud forstået. Og Department of Energy (DOE) var nødt til bedre at forstå dets termomekaniske og strukturelle karakteristika for at bestemme dets levedygtighed til brug i atomreaktorer."

For at besvare DOE's spørgsmål, Rabiei kom med en ny løsning. Arbejder med tre virksomheder – Hitachi, Oxford Instruments og Kammrath &Weiss GmbH - Rabiei udviklede en ny teknik, der gør det muligt for hendes laboratorium at udføre scanningselektronmikroskopi (SEM) i realtid, mens den påfører ekstrem høj varme og høje belastninger på et materiale.

"Det betyder, at vi kan se sprækkevæksten, beskadige kimdannelse og mikrostrukturelle ændringer i materialet under termomekanisk testning, som er relevante for ethvert værtsmateriale – ikke kun legering 709, " siger Rabiei. "Det kan hjælpe os med at forstå, hvor og hvorfor materialer fejler under en lang række forhold:fra stuetemperatur op til 1, 000 grader Celsius (C), og med spændinger fra nul til to gigapascal."

For at placere det i en kontekst, 1, 000 C er 1, 832 grader Fahrenheit. Og to gigapascal svarer til 290, 075 pund per kvadrattomme.

Rabieis team samarbejdede med University of Birmingham i Storbritannien for at vurdere de mekaniske og mikrostrukturelle egenskaber af legering 709, når de udsættes for høj varme og belastning.

Forskerne udsatte en millimeter tykke prøver af legering 709 for temperaturer så høje som 950 C, indtil materialet "svigtede, "hvilket betyder, at materialet gik i stykker.

"Aloy 709 klarede sig bedre end 316 rustfrit stål, hvilket er det, der i øjeblikket bruges i atomreaktorer, "Rabiei siger." Undersøgelsen viser, at legeringen 709's styrke var højere end 316 rustfrit stål ved alle temperaturer, hvilket betyder, at det kunne tåle mere stress, før det fejler. For eksempel, legering 709 kunne klare så meget belastning ved 950 C som 316 rustfrit stål kunne klare ved 538 C.

"Og vores mikroskopiteknik gjorde det muligt for os at overvåge tomrumskernedannelse og revnevækst sammen med alle ændringer i materialets mikrostruktur gennem hele processen, "Siger Rabiei.

"Dette er et lovende fund, men vi har stadig mere arbejde at gøre, " siger Rabiei. "Vores næste skridt er at vurdere, hvordan legering 709 vil præstere ved høje temperaturer, når den udsættes for cyklisk belastning, eller gentagen stress."

Papiret, "En undersøgelse af trækegenskaber af legering 709 ved forskellige temperaturer, "vises i journalen Materialevidenskab og -teknik:A .