Forskare har visat en teknik som gör att de kan spåra mikroskopiska förändringar i metaller eller andra material i realtid även när materialen utsätts för extrem värme och belastning under en längre tid - ett fenomen som kallas "krypning". Tekniken kommer att påskynda insatser för att utveckla och karakterisera material för användning i extrema miljöer, såsom kärnreaktorer.

"Tills nu, du kan titta på ett material struktur innan du utsätter det för värme eller belastning, applicera sedan värme och belastning tills det gick sönder, följt av en mikrostrukturell observation. Det betyder att du bara vet hur det såg ut före och efter laddning och uppvärmning, "säger Afsaneh Rabiei, motsvarande författare till en uppsats om arbetet och professor i mekanisk och rymdteknik vid North Carolina State University.

"Vår teknik, som kallas 'in situ scanning electron microscopy (SEM) värme och laddning, 'låter oss se de mikroskopiska förändringarna som sker under hela processen. Du kan se hur sprickor bildas och växer, eller hur mikrostruktur förändras under felprocessen. Detta är oerhört värdefullt för att förstå materialets egenskaper och dess beteende under olika förhållanden för lastning och uppvärmning. "

Rabiei utvecklade in situ SEM -tekniken för höga temperaturer och belastning (spänning) som ett medel för att göra höga genomströmningsbedömningar av beteendet hos avancerade material. Målet var att kunna förutsäga hur ett material reagerar under olika värme- och lastningsförhållanden. Projektet stöddes av energidepartementet. Instrumentet kan ta SEM -bilder vid temperaturer så höga som 1, 000 grader Celsius (C), och vid spänningar så höga som två gigapascal - vilket motsvarar 290, 075 pund per kvadrattum.

För deras senaste demonstration av teknikens potential, forskare genomförde "kryp-trötthet" -tester på en rostfri legering som kallas legering 709, som övervägs för användning i kärnreaktorer.

"Test av kryp-trötthet innebär att material utsätts för hög värme och upprepas, förlängda laster, vilket hjälper oss att förstå hur strukturer kommer att fungera när de placeras under belastning i extrema miljöer, "Säger Rabiei." Det är klart viktigt för applikationer som kärnreaktorer, som är utformade för att fungera i årtionden. "

För detta ändamål, Rabiei och hennes medarbetare testade prover av legering 709 vid temperaturer på 750 grader C, som upplevde upprepade belastningscykler, allt från att hålla lasten i en sekund till att hålla lasten i en timme upprepade gånger tills de misslyckades. I en iteration, där provet upprepade gånger utsattes för en belastning i en timme, med sju sekunders mellanrum mellan laster, experimentet varade i mer än 600 timmar. Och in situ SEM fångade allt.

"In situ SEM tillät oss att spåra den mikroskopiska utvecklingen av sprickor i materialet och utvecklingen av mikrostrukturen under testet för kryptrötthet, "Säger Rabiei." Vi kunde sedan använda dessa data för att modellera vilket legering 709:s beteende skulle vara under många års användning i en kärnreaktor. Och legering 709 överträffade 316 rostfritt stål, vilket är vad som för närvarande används i många reaktorer.

"Det är bra nyheter, men det som är mest spännande här är metoden vi använde. Till exempel, vår in situ SEM-teknik gjorde det möjligt för oss att bevittna den roll som mikrostrukturella detaljer som kallas tvillinggränser spelar för att kontrollera sprickans tillväxt i legering 709. Våra observationer visade att när en spricka når sådana tvillinggränser i legering 709, den omdirigerar sig själv och tar en omväg. Denna omvägseffekt fördröjer sprickbildning, förbättra materialets styrka. Utan vår in situ SEM värme- och lastningsteknik, sådana observationer kunde inte vara möjliga. Dessutom, använder denna teknik, vi behöver bara små exemplar och kan generera data som normalt tar år att generera. Som sådan sparar vi både tid och mängden material som används för att utvärdera materialets egenskaper och analysera dess felprocess.

"Möjligheten att fånga insikter som dessa är ett betydande framsteg för forskning om ett antal nya, högpresterande material, särskilt de som är utformade för att prestera i extrema miljöer, "Säger Rabiei.

Pappret, "Prestanda för legering 709 under kryptrötthet vid olika uppehållstider, "publiceras i tidningen Materialvetenskap och teknik:A .