Los investigadores han demostrado una técnica que les permite rastrear los cambios microscópicos en metales u otros materiales en tiempo real, incluso cuando los materiales están expuestos al calor y las cargas extremas durante un período prolongado de tiempo, un fenómeno conocido como "fluencia".La técnica acelerará los esfuerzos para desarrollar y caracterizar materiales para su uso en entornos extremos, como los reactores nucleares.
"Hasta ahora, podría mirar la estructura de un material antes de exponerlo al calor o la carga, luego aplicar calor y cargar hasta que se rompa, seguido de una observación microestructural. Eso significa que solo sabrá cómo era antes y despuéscarga y calefacción ", dice Afsaneh Rabiei, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
"Nuestra técnica, que se llama 'calentamiento y carga de microscopía electrónica de barrido in situ SEM', nos permite ver los cambios microscópicos que tienen lugar durante todo el proceso. Puede ver cómo se forman y crecen las grietas, o cómo se transforma la microestructura duranteel proceso de falla. Esto es extremadamente valioso para comprender las características de un material y su comportamiento bajo diferentes condiciones de carga y calentamiento ".
Rabiei desarrolló la técnica SEM in situ para altas temperaturas y cargas tensión como un medio para realizar evaluaciones de alto rendimiento del comportamiento de materiales avanzados. El objetivo era poder predecir cómo un material responde bajo una variedad de calentamiento ycondiciones de carga. El proyecto fue apoyado por el Departamento de Energía. El instrumento puede capturar imágenes SEM a temperaturas de hasta 1,000 grados Celsius C, y con tensiones de hasta dos gigapascales, lo que equivale a 290,075 libras por pulgada cuadrada.
Para su reciente demostración del potencial de la técnica, los investigadores realizaron pruebas de "fatiga por fluencia" en una aleación de acero inoxidable llamada aleación 709, que se considera para su uso en reactores nucleares.
"Las pruebas de fatiga por fluencia implican la exposición de materiales a altas temperaturas y cargas repetidas y prolongadas, lo que nos ayuda a comprender cómo funcionarán las estructuras cuando se colocan bajo cargas en entornos extremos", dice Rabiei. "Eso es claramente importante para aplicaciones como los reactores nucleares, que están diseñados para funcionar durante décadas ".
Con ese fin, Rabiei y sus colaboradores probaron muestras de aleación 709 a temperaturas de 750 grados C, que experimentaron ciclos de carga repetidos que iban desde sostener la carga durante un segundo hasta mantener la carga durante una hora repetidamente hasta que fallaron. En una iteración, donde la muestra estuvo expuesta repetidamente a una carga durante una hora, con intervalos de siete segundos entre cargas, el experimento duró más de 600 horas. Y el SEM in situ lo capturó todo.
"SEM in situ nos permitió rastrear el desarrollo microscópico de grietas en el material y la evolución de la microestructura durante las pruebas de fatiga por fluencia", dice Rabiei. "Pudimos usar estos datos para modelar el comportamiento de la aleación 709tendría más de años de uso en un reactor nuclear. Y la aleación 709 superó al acero inoxidable 316, que es lo que se usa actualmente en muchos reactores.
"Esa es una buena noticia, pero lo más emocionante aquí es la metodología que utilizamos. Por ejemplo, nuestra técnica SEM in situ nos permitió presenciar el papel que juegan los detalles microestructurales llamados límites gemelos en el control del crecimiento de grietas en la aleación 709.Nuestras observaciones mostraron que cuando una grieta alcanza tales límites gemelos en la aleación 709, se redirige y toma un desvío. Este efecto de desvío retrasa el crecimiento de la grieta, mejorando la resistencia del material. Sin nuestra tecnología de calentamiento y carga SEM in situ, tales observaciones no podrían serposible, además, utilizando esta técnica, solo necesitamos muestras pequeñas y podemos generar datos que normalmente demoran años en generarse. Como tal, estamos ahorrando tanto tiempo como la cantidad de material utilizado para evaluar las propiedades del material y analizar su proceso de falla.
"La capacidad de capturar ideas como estas es un avance significativo para la investigación de cualquier cantidad de materiales nuevos y de alto rendimiento, particularmente aquellos que están diseñados para funcionar en entornos extremos", dice Rabiei.
El documento, "Rendimiento de la aleación 709 bajo fatiga por fluencia en varios tiempos de permanencia", se publica en la revista Ciencia e ingeniería de materiales: A . El primer autor del artículo es Amrita Lall, estudiante de doctorado en NC State. El documento fue escrito en colaboración con Siddhartha Sarkar, estudiante de doctorado en NC State; y por Rengen Ding y Paul Bowen dela universidad de Birmingham.
El trabajo se realizó con el apoyo del Programa de la Universidad de Energía Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU. Con el número de adjudicación 2015-1877 / DE-NE0008451; y de los Consejos de Investigación del Reino Unido ahora Investigación e Innovación del Reino Unido con el número de adjudicación EP / N016351 / 1.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Carolina del Norte . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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