La modellazione al computer di studi di nano-indentazione eseguiti su acciai irradiati da ioni ha generato mappe 3-D del campo di sollecitazione su una scala ingegneristica che concordano bene con i risultati sperimentali.

Il materiale studiato è acciaio inox 316 ricotto, la lega strutturale più comunemente usata in nautica, chimico, petrolchimico, trasporto, industria manifatturiera e nucleare.

Nello studio pubblicato sull'International Journal of Plasticity, ricercatori dell'ANSTO e dell'Università del New South Wales hanno utilizzato l'irradiazione ionica, nano-indentazione e microscopia elettronica per ottenere un'idea della relazione tra la profondità di picco del danno e la corrispondente profondità di picco di durezza causata dall'irradiazione.

"Ciò che otteniamo dal modello è qualcosa che non puoi osservare sperimentalmente, soprattutto visivamente, questo è, uno stato di stress tridimensionale in una struttura multistrato generata dall'irradiazione ionica, " ha detto l'autore principale Michael Saleh, un ricercatore di materiali ANSTO, che sviluppa simulazioni di materiali avanzati in ambienti estremi.

"Ci sono stati modelli creati con uno strato duro e uno morbido, ma in queste simulazioni stavamo osservando più strati su scala nanometrica in cui il gradiente era elevato e il calcolo delle sollecitazioni era complesso".

Nelle simulazioni, nella posizione di massima durezza, i contorni della deformazione plastica hanno mostrato un profilo della zona di plastica a doppio piatto.

"Questa è stata niente di meno che una rivelazione in quanto ci si aspettava che la zona plastica fosse uno stress sferico continuo, " ha detto il co-autore Dr Dhriti Bhattacharyya, un ricercatore senior in ingegneria dei materiali, che ha eseguito la nano-indentazione e i calcoli analitici.

I ricercatori hanno anche trovato una semplice relazione lineare tra la profondità del picco di durezza e la profondità del picco di danno, che ha implicazioni più ampie per i materiali stratificati.

L'obiettivo della ricerca era comprendere l'effetto della radiazione sulle proprietà meccaniche del materiale irradiato. L'irradiazione ionica fornisce un metodo rapido e non attivo per ottenere dosi elevate di danno. Però, questa procedura di irraggiamento provoca diverse quantità di spostamenti atomici o danni nel materiale a diverse profondità, creando un sottile strato di materiale con un grande gradiente di durezza (come una serie di strati su scala nanometrica di forza variabile). Lo studio dei cambiamenti delle proprietà meccaniche attraverso lo spessore dello strato interessato è molto impegnativo. La nano-indentazione fornisce un modo relativamente semplice di sondare la superficie modificata; però, l'interpretazione dei risultati è complicata dalla struttura a strati e dallo stato di sollecitazione 3-D attorno al rientro.

Irradiazione ionica

L'acciaio inossidabile ricotto (SS316) è stato irradiato con ioni di elio a 1, 2 e 3 MeV sull'acceleratore STAR causando danni da spostamento atomico a varie profondità.

Co-autore Prof Mihail Ionescu, Leader ad interim del ciclo del combustibile nucleare, ha supervisionato l'irradiazione ionica presso il Center for Accelerator Science dell'ANSTO.

L'irradiazione ionica provoca diverse quantità di spostamenti atomici o danni nel materiale a diverse profondità, creando una serie di strati di diversa durezza.

L'irradiazione di un campione bersaglio con ioni ad alta energia può causare lo stesso danno che richiederebbe molti anni per accumularsi in un reattore nucleare. Questo tipo di irraggiamento facilita la manipolazione dei campioni di prova in quanto non diventano generalmente radioattivi.

Nano-indentazione

"Abbiamo intrapreso la nano-indentazione perché può essere utilizzata per misurare le proprietà meccaniche dopo l'irradiazione ionica, " disse Bhattacharyya.

L'irradiazione ionica ha causato l'indurimento a bassa profondità con picchi di durezza misurabili e definiti.

La superficie dei campioni irradiati e non irradiati è stata nano-indentata con una punta piramidale di forma triangolare a una profondità di tre micron.

"La nano-indentazione induce complessi stati di stress 3-D nei materiali, che è ulteriormente complicato in strati con diversi punti di forza. Crea anche un volume di plastica molto grande intorno ad esso, " disse Bhattacharyya.

Utilizzando metodi analitici, Bhattacharyya è stato in grado di prevedere l'aumento della durezza a varie profondità a tre diverse energie con ragionevole accuratezza.

"Utilizzando un meccanismo di media sulla zona plastica, ha fornito un modo relativamente rapido per stimare l'aumento di durezza dovuto a qualsiasi quantità di danno all'interno dell'intervallo modellato, " disse Bhattacharyya.

"Però, il picco di danno e il picco di durezza non si verificano nello stesso punto nel materiale, raggiunge la durezza massima prima del danno massimo, e volevamo capire il motivo della differenza, " disse Bhattacharyya.

"Si ottiene una durezza molto maggiore più vicino alla superficie, in virtù del campo di stress che viaggia davanti alla punta del nano-indentazione.

"Quando stai perforando il materiale, sta già percependo gli strati inferiori, che non ha raggiunto.

"La zona plastica è la regione intorno alla punta, che sta causando la deformazione plastica e il valore di durezza che percepisci è in realtà la media di quel volume.

"Ma in un materiale a strati, inizierà a percepire gli strati più duri sotto di esso prima che raggiunga effettivamente lì. Raggiunge il picco prima".

La differenza nei profili a diverse energie può essere spiegata perché la durezza si basa sulla media di tutti gli strati e la distribuzione degli strati cambia a diverse energie.

Modellazione al computer

"Abbiamo preso alcuni dati sui neutroni dalla letteratura, che aveva stabilito schemi di indurimento con correlazioni tra spostamenti per atomo (dpa) e indurimento come punto di partenza. Con l'adattamento matematico siamo stati in grado di apportare molti perfezionamenti al modello, ", ha detto Saleh.

In genere, i modelli sono leggermente sovrastimati, ma si allineano bene in termini di forza e posizione di picco. Sono entro il 10 percento e, in genere, questo è molto buono in una struttura multistrato."

Nei modelli, il raggio della zona di plasticità era da otto a nove volte la profondità del rientro, non da tre a cinque come era stato previsto altrove.

"Se riesci a stabilire una metodologia affidabile, per cui puoi analizzare se il tuo componente si guasterà per semplice nano-indentazione, ci sarebbe un enorme interesse da parte dell'industria, ", ha detto Saleh.

"Questo ci dà un mezzo per prevedere le posizioni dei picchi di durezza previsti e i valori per le dosi di radiazioni. Ma il principio fondamentale alla base dell'esperimento funzionerà per tutti i materiali stratificati. Il materiale non ha nemmeno bisogno di essere irradiato, " disse Bhattacharyya.

"Una volta che conosciamo la forza e altri parametri meccanici, possiamo lavorare a ritroso e calcolare il profilo del danno.

Lo studio fornisce non solo una comprensione dei cambiamenti indotti dalle radiazioni nelle proprietà superficiali dei materiali, ma una maggiore comprensione del processo di nanoindentazione nei materiali multistrato in generale.

I risultati della modellazione forniscono informazioni sulle proprietà meccaniche che sono scalabili alle dimensioni ingegneristiche".

I ricercatori stanno continuando gli studi di altri materiali irradiati con ioni con fasi multiple e diverse strutture cristalline.