Afsaneh Rabiei är avbildad här med enheten hon utvecklat som kan fånga svepelektronmikroskopbilder (SEM) i realtid vid temperaturer upp till 1, 000 grader Celsius samtidigt som man applicerar spänningar så höga som två gigapascal. Kredit:North Carolina State University
En ny mikroskopiteknik gör det möjligt för forskare att spåra mikrostrukturella förändringar i realtid, även när ett material utsätts för extrem värme och stress. Nyligen, forskare visar att en legering av rostfritt stål som kallas legering 709 har potential för tillämpningar med förhöjd temperatur som kärnreaktorstrukturer.
"Alloy 709 är exceptionellt stark och motståndskraftig mot skador när den utsätts för höga temperaturer under långa perioder, " säger Afsaneh Rabiei, motsvarande författare till en artikel om de nya rönen och en professor i mekanisk och rymdteknik vid North Carolina State University. "Detta gör det till ett lovande material för användning i nästa generations kärnkraftverk.
"Dock, alloy 709 är så ny att dess prestanda under hög värme och belastning ännu inte har förståtts fullt ut. Och Department of Energy (DOE) behövde bättre förstå dess termomekaniska och strukturella egenskaper för att bestämma dess lönsamhet för användning i kärnreaktorer."
För att svara på DOE:s frågor, Rabiei kom på en ny lösning. Arbetar med tre företag – Hitachi, Oxford Instruments och Kammrath &Weiss GmbH – Rabiei utvecklade en ny teknik som gör att hennes labb kan utföra svepelektronmikroskopi (SEM) i realtid samtidigt som extremt hög värme och höga belastningar appliceras på ett material.
"Detta betyder att vi kan se spricktillväxten, skada kärnbildning och mikrostrukturella förändringar i materialet under termomekanisk testning, som är relevanta för alla värdmaterial – inte bara legering 709, " säger Rabiei. "Det kan hjälpa oss att förstå var och varför material misslyckas under en mängd olika förhållanden:från rumstemperatur upp till 1, 000 grader Celsius (C), och med spänningar från noll till två gigapascal."
För att sätta det i sitt sammanhang, 1, 000 C är 1, 832 grader Fahrenheit. Och två gigapascal motsvarar 290, 075 pund per kvadrattum.
Bilderna (a) och (b) är SEM-bilder på plats av prov under dragprovning vid:(a) 850 °C som visar sprickor som växer från korngränsen in i kornen; och (b) 950 °C som visar förlust av kristallinitet runt sprickutbredningen. (c) &(d):Electron Back Scatter Diffraction (EBSD) Invers polfigur (parallell med normal riktning) av Alloy 709 prov vid rumstemperatur före dragprov och efter spänning upp till 3,9 % töjning vid 950 °C. (e) &(f):SEM-bilder från provets brottyta efter spänning vid 850 och 950 °C. Kredit:North Carolina State University
Rabieis team samarbetade med University of Birmingham i Storbritannien för att bedöma de mekaniska och mikrostrukturella egenskaperna hos legering 709 när den utsätts för hög värme och belastning.
Forskarna exponerade en millimeter tjocka prover av legering 709 för temperaturer så höga som 950 C tills materialet "misslyckades, " vilket betyder att materialet gick sönder.
"Alloy 709 överträffade 316 rostfritt stål, vilket är vad som för närvarande används i kärnreaktorer, " säger Rabiei. "Studien visar att hållfastheten hos legering 709 var högre än för 316 rostfritt stål vid alla temperaturer, vilket innebär att det kan tåla mer stress innan det misslyckas. Till exempel, legering 709 klarade lika mycket stress vid 950 C som 316 rostfritt stål kunde klara av vid 538 C.
"Och vår mikroskopiteknik gjorde det möjligt för oss att övervaka tomrumskärnbildning och spricktillväxt tillsammans med alla förändringar i materialets mikrostruktur under hela processen, " säger Rabiei.
"Detta är ett lovande fynd, men vi har fortfarande mer att göra, " säger Rabiei. "Vårt nästa steg är att bedöma hur legering 709 kommer att prestera vid höga temperaturer när den utsätts för cyklisk belastning, eller upprepad stress."
Pappret, "En studie om dragegenskaper hos legering 709 vid olika temperaturer, " visas i journalen Materialvetenskap och teknik:A .
