Afsaneh Rabiei è raffigurata qui con il dispositivo che ha sviluppato in grado di catturare immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) in tempo reale a temperature fino a 1, 000 gradi Celsius durante l'applicazione di sollecitazioni fino a due gigapascal. Credito:North Carolina State University
Una nuova tecnica di microscopia consente ai ricercatori di monitorare i cambiamenti microstrutturali in tempo reale, anche quando un materiale è esposto a calore e stress estremi. Recentemente, i ricercatori mostrano che una lega di acciaio inossidabile chiamata lega 709 ha il potenziale per applicazioni a temperature elevate come le strutture dei reattori nucleari.
"La lega 709 è eccezionalmente forte e resistente ai danni se esposta a temperature elevate per lunghi periodi di tempo, "dice Afsaneh Rabiei, autore corrispondente di un articolo sulle nuove scoperte e professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la North Carolina State University. "Questo lo rende un materiale promettente per l'uso nelle centrali nucleari di prossima generazione.
"Però, la lega 709 è così nuova che le sue prestazioni in condizioni di calore e carico elevati devono ancora essere completamente comprese. E il Dipartimento dell'Energia (DOE) aveva bisogno di comprendere meglio le sue caratteristiche termomeccaniche e strutturali al fine di determinarne la fattibilità per l'uso nei reattori nucleari".
Per rispondere alle domande del DOE, Rabiei ha trovato una nuova soluzione. Lavorare con tre società:Hitachi, Oxford Instruments e Kammrath &Weiss GmbH – Rabiei hanno sviluppato una nuova tecnica che consente al suo laboratorio di eseguire la microscopia elettronica a scansione (SEM) in tempo reale applicando un calore estremamente elevato e carichi elevati a un materiale.
"Questo significa che possiamo vedere la crescita del crack, nucleazione del danno e cambiamenti microstrutturali nel materiale durante le prove termomeccaniche, che sono rilevanti per qualsiasi materiale ospite - non solo la lega 709, " dice Rabiei. "Può aiutarci a capire dove e perché i materiali si guastano in un'ampia varietà di condizioni:dalla temperatura ambiente fino a 1, 000 gradi Celsius (C), e con sollecitazioni che vanno da zero a due gigapascal."
Per contestualizzarlo, 1, 000 C è 1, 832 gradi Fahrenheit. E due gigapascal equivalgono a 290, 075 libbre per pollice quadrato.
Le immagini (a) e (b) sono immagini SEM in situ del campione sottoposto a prova di trazione a:(a) 850 ° C che mostrano crepe che crescono dal bordo del grano ai grani; e (b) 950 ° C che mostra una perdita di cristallinità attorno alla propagazione della cricca. (c) e (d):Electron Back Scatter Diffraction (EBSD) Figura polare inversa (parallela alla direzione normale) del campione della lega 709 a temperatura ambiente prima della prova di trazione e dopo tensione fino al 3,9% di allungamento a 950 °C. (e) e (f):immagini SEM dalla superficie di frattura del campione dopo tensione a 850 e 950 ° C. Credito:North Carolina State University
Il team di Rabiei ha collaborato con l'Università di Birmingham nel Regno Unito per valutare le proprietà meccaniche e microstrutturali della lega 709 quando esposta a calore e carico elevati.
I ricercatori hanno esposto campioni spessi un millimetro di lega 709 a temperature fino a 950 C fino a quando il materiale "si è guastato, " significa che il materiale si è rotto.
"La lega 709 ha superato l'acciaio inossidabile 316, che è ciò che è attualmente utilizzato nei reattori nucleari, " Rabiei dice. "Lo studio mostra che la resistenza della lega 709 era superiore a quella dell'acciaio inossidabile 316 a tutte le temperature, il che significa che potrebbe sopportare più stress prima di fallire. Per esempio, la lega 709 può sopportare tanto stress a 950 C quanto l'acciaio inossidabile 316 potrebbe sopportare a 538 C.
"E la nostra tecnica di microscopia ci ha permesso di monitorare la nucleazione dei vuoti e la crescita delle cricche insieme a tutti i cambiamenti nella microstruttura del materiale durante l'intero processo, "dice Rabiei.
"Questa è una scoperta promettente, ma abbiamo ancora molto lavoro da fare, " Rabiei dice. "Il nostro prossimo passo è valutare come la lega 709 si comporterà alle alte temperature se esposta a carichi ciclici, o stress ripetuto."
La carta, "Uno studio sulle proprietà di trazione della lega 709 a varie temperature, " appare sul giornale Scienza e ingegneria dei materiali:A .
