Ny teknik muliggør real-time mikroskopi ved høj varme og belastning

Forskere har demonstreret en teknik, der giver dem mulighed for at spore mikroskopiske ændringer i metaller eller andre materialer i realtid, selv når materialerne udsættes for ekstrem varme og belastninger i en længere periode - et fænomen kendt som "krybning". Teknikken vil fremskynde bestræbelser på at udvikle og karakterisere materialer til brug i ekstreme miljøer, såsom atomreaktorer.

"Indtil nu, du kunne se på et materiales struktur, før det udsættes for varme eller belastning, påfør derefter varme og belastning, indtil den gik i stykker, efterfulgt af en mikrostrukturel observation. Det betyder, at du kun ved, hvordan det så ud før og efter påfyldning og opvarmning, "siger Afsaneh Rabiei, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og en professor i mekanik og rumfartsteknik ved North Carolina State University.

"Vores teknik, som kaldes 'in situ scanning elektronmikroskopi (SEM) opvarmning og indlæsning, 'giver os mulighed for at se de mikroskopiske ændringer, der finder sted under hele processen. Du kan se, hvordan revner dannes og vokser, eller hvordan mikrostruktur transformeres under fejlprocessen. Dette er ekstremt værdifuldt for at forstå et materiales egenskaber og dets adfærd under forskellige betingelser for lastning og opvarmning. "

Rabiei udviklede in situ SEM -teknikken til høje temperaturer og belastning (spænding) som et middel til at foretage vurderinger af højt gennemløb af avancerede materialers adfærd. Målet var at kunne forudsige, hvordan et materiale reagerer under forskellige opvarmnings- og belastningsforhold. Projektet blev støttet af Energiministeriet. Instrumentet kan tage SEM -billeder ved temperaturer så høje som 1, 000 grader Celsius (C), og ved spændinger så høje som to gigapascal - hvilket svarer til 290, 075 pund per kvadrattomme.

For deres nylige demonstration af teknikkens potentiale, forskere gennemførte "kryb-træthed" -test på en rustfri legering kaldet legering 709, som overvejes til brug i atomreaktorer.

"Test af kryb-træthed involverer at udsætte materialer for høj varme og gentage, forlængede belastninger, som hjælper os med at forstå, hvordan strukturer vil fungere, når de placeres under belastninger i ekstreme miljøer, "Siger Rabiei." Det er klart vigtigt for applikationer såsom atomreaktorer, som er designet til at fungere i årtier. "

Til det formål, Rabiei og hendes samarbejdspartnere testede prøver af legering 709 ved temperaturer på 750 grader C, som oplevede gentagne belastningscyklusser lige fra at holde lasten i et sekund til at holde belastningen i en time gentagne gange, indtil de mislykkedes. I en iteration, hvor prøven gentagne gange blev udsat for en belastning i en time, med syv sekunders mellemrum mellem belastninger, eksperimentet varede i mere end 600 timer. Og in situ SEM fangede det hele.

"In situ SEM tillod os at spore den mikroskopiske udvikling af revner i materialet og udviklingen af ​​mikrostrukturen under kryb-træthedstesten, "Siger Rabiei." Vi kunne derefter bruge disse data til at modellere, hvilken legering 709's adfærd ville være gennem mange års brug i en atomreaktor. Og legering 709 overgik 316 rustfrit stål, hvilket er det, der i øjeblikket bruges i mange reaktorer.

"Det er gode nyheder, men det mest spændende her er den metode, vi brugte. For eksempel, vores in situ SEM-teknik tillod os at være vidne til den rolle, som mikrostrukturelle detaljer kaldet tvillingegrænser spiller for at kontrollere revnevækst i legering 709. Vores observationer viste, at når en revne når sådanne tvillingegrænser i legering 709, den omdirigerer sig selv og tager en omvej. Denne omkørselseffekt forsinker revnedannelse, forbedring af materialets styrke. Uden vores in situ SEM varme- og lastteknologi, sådanne observationer kunne ikke være mulige. I øvrigt, ved hjælp af denne teknik, vi har kun brug for små eksemplarer og kan generere data, der normalt tager år at generere. Som sådan sparer vi både tid og mængden af ​​materiale, der bruges til at evaluere materialets egenskaber og analysere dets fejlproces.

"Evnen til at fange indsigt som disse er et betydeligt fremskridt for forskning i et hvilket som helst antal nye, højtydende materialer, især dem, der er designet til at yde i ekstreme miljøer, "Siger Rabiei.

Papiret, "Ydelse af legering 709 under kryb-træthed på forskellige opholdstider, "er offentliggjort i tidsskriftet Materialevidenskab og teknik:A .