Los investigadores han demostrado una técnica que les permite rastrear cambios microscópicos en metales u otros materiales en tiempo real, incluso cuando los materiales están expuestos a calor y 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 aplique calor y cargue hasta que se rompa, seguido de una observación microestructural. Eso significa que solo sabría cómo se veía antes y después de cargar y calentar, "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 denomina 'calentamiento y carga por microscopía electrónica de barrido in situ (SEM), 'nos permite ver los cambios microscópicos que tienen lugar a lo largo del proceso. Puedes ver cómo se forman y crecen las grietas, o cómo se transforma la microestructura durante el 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 carga (tensión) como un medio para realizar evaluaciones de alto rendimiento del comportamiento de materiales avanzados. El objetivo era poder predecir cómo responde un material bajo una variedad de condiciones de carga y calentamiento. 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 en tensiones de hasta dos gigapascales, lo que equivale a 290, 075 libras por pulgada cuadrada.

Por 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 está considerando para su uso en reactores nucleares.

"Las pruebas de fatiga por fluencia implican la exposición de materiales a altas temperaturas y repetidas, cargas extendidas, lo que nos ayuda a comprender cómo se comportarán las estructuras cuando se coloquen bajo cargas en entornos extremos, ", Dice Rabiei." Eso es claramente importante para aplicaciones como 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 van desde sostener la carga durante un segundo hasta sostener la carga durante una hora repetidamente hasta que fallaron. En una iteración, donde la muestra se expuso 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.

"El 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." Entonces pudimos usar estos datos para modelar cuál sería el comportamiento de la aleación 709 durante años de uso en un reactor nuclear. Y la aleación 709 superó al acero inoxidable 316, que es lo que se utiliza actualmente en muchos reactores.

"Esas son buenas noticias, pero lo más interesante aquí es la metodología que usamos. 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 reorienta y se desvía. Este efecto de desvío retrasa el crecimiento de grietas, mejorando la resistencia del material. Sin nuestra tecnología de carga y calentamiento SEM in situ, tales observaciones no podrían ser posibles. Es más, usando esta técnica, solo necesitamos pequeños especímenes y podemos generar datos que normalmente tardan 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 información como esta es un avance significativo para la investigación de cualquier número de nuevos materiales de alto rendimiento, particularmente aquellos que están diseñados para funcionar en entornos extremos, "Dice Rabiei.

El papel, "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 .