tensiones de von Mises (MP) para los tres modelos SS316 a diferentes profundidades (se muestra una vista en corte para delinear los contornos de tensión a través del espesor). Crédito:Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO)
El modelado por computadora de estudios de nano-indentación realizados en aceros irradiados con iones ha generado mapas de campos de tensión en 3D a una escala de ingeniería que concuerdan bien con los resultados experimentales.
El material estudiado es acero inoxidable recocido 316, la aleación estructural más utilizada en marina, químico, petroquímico, transporte, las industrias manufacturera y nuclear.
En el estudio publicado en International Journal of Plasticity, investigadores de ANSTO y la Universidad de Nueva Gales del Sur utilizaron irradiación de iones, nano-indentación y microscopía electrónica para conocer la relación entre la profundidad máxima del daño y la correspondiente profundidad máxima de dureza causada por la irradiación.
"Lo que obtenemos del modelo es algo que no se puede observar de forma experimental, especialmente de manera visual, es decir, un estado de tensión tridimensional en una estructura multicapa generado por la irradiación de iones, "dijo el autor principal Michael Saleh, un investigador de materiales de ANSTO, quien desarrolla simulaciones de materiales avanzados en ambientes extremos.
"Ha habido modelos creados con una capa dura y blanda, pero en estas simulaciones estábamos mirando múltiples capas a una escala nanométrica donde el gradiente era alto y el cálculo de las tensiones era complejo ".
En las simulaciones, en la posición de máxima dureza, los contornos de deformación plástica exhibieron un perfil de zona de plástico de doble cavidad.
"Esto fue nada menos que una revelación, ya que se esperaba que la zona plástica fuera una tensión esférica continua, "dijo el coautor, el Dr. Dhriti Bhattacharyya, un investigador senior de ingeniería de materiales, quien llevó a cabo el nano-sangrado y los cálculos analíticos.
Los investigadores también encontraron una relación lineal simple entre la profundidad del pico de dureza y la profundidad del pico de daño. lo que tiene implicaciones más amplias para los materiales en capas.
El objetivo de la investigación fue comprender el efecto de la radiación sobre las propiedades mecánicas del material irradiado. La irradiación de iones proporciona un método rápido y no activo para lograr altas dosis de daño. Sin embargo, este procedimiento de irradiación provoca diferentes cantidades de desplazamientos atómicos o daños en el material a diferentes profundidades, creando una capa delgada de material con un gran gradiente de dureza (como una serie de capas de escala nanométrica de resistencia variable). El estudio de los cambios de propiedades mecánicas a través del espesor de la capa afectada es un gran desafío. La nano-indentación proporciona una forma relativamente fácil de sondear la superficie modificada; sin embargo, la interpretación de los resultados se complica por la estructura en capas y el estado de tensión 3-D alrededor de la sangría.
Gráfico de la profundidad del pico de daño (dH) frente a la profundidad del pico de daño (dD) para el método de nano indentación de arriba hacia abajo. Crédito:Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO)
Irradiación de iones
El acero inoxidable recocido (SS316) se irradió con iones de helio a 1, 2 y 3 MeV en el acelerador STAR causando daños por desplazamiento atómico a varias profundidades.
Coautor, profesor Mihail Ionescu, Líder interino del ciclo del combustible nuclear, supervisó la irradiación de iones en el Centro de Ciencia Aceleradora de ANSTO.
La irradiación de iones provoca diferentes cantidades de desplazamientos atómicos o daños en el material a diferentes profundidades, creando una serie de capas de diferente dureza.
Irradiar una muestra objetivo con iones de alta energía puede causar el mismo daño que requeriría muchos años para acumularse en un reactor nuclear. Este tipo de irradiación facilita el manejo de las muestras de prueba, ya que no se vuelven radiactivas en general.
Nano-sangría
"Realizamos la nano-indentación porque se puede utilizar para medir las propiedades mecánicas después de la irradiación de iones, "dijo Bhattacharyya.
La irradiación de iones provocó un endurecimiento a poca profundidad con picos de dureza medibles y definidos.
La superficie de las muestras irradiadas y no irradiadas fue nanodentada con una punta piramidal de forma triangular a una profundidad de tres micrones.
Medidas experimentales y numéricas para SS316 irradiado por 1 MeV, 2 MeV y 3 MeV He2 +. Los gráficos de barras muestran el dpa utilizado en los modelos numéricos. Crédito:Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO)
"La nano-indentación induce complejos estados tridimensionales de tensión en los materiales, que se complica aún más en capas con diferentes resistencias. También crea un volumen de plástico muy grande a su alrededor, "dijo Bhattacharyya.
Usando métodos analíticos, Bhattacharyya pudo predecir el aumento de dureza a varias profundidades a tres energías diferentes con una precisión razonable.
"Utilizando un mecanismo de promediado sobre la zona plástica, proporcionó una forma relativamente rápida de estimar el aumento de dureza debido a cualquier cantidad de daño dentro del rango modelado, "dijo Bhattacharyya.
"Sin embargo, el daño máximo y la dureza máxima no se producen en el mismo punto del material, alcanza la dureza máxima antes del daño máximo, y queríamos comprender el motivo de la diferencia, "dijo Bhattacharyya.
"Obtienes una dureza mucho mayor cerca de la superficie, en virtud del campo de tensión que viaja por delante de la punta de nano-indentación.
"Cuando perforas el material, ya está sintiendo las capas inferiores, que no ha alcanzado.
"La zona plástica es la región alrededor de la punta, lo que está causando deformación plástica y el valor de dureza que percibes es en realidad el promedio de ese volumen.
"Pero en un material en capas, comenzará a sentir las capas más duras debajo de él antes de que realmente llegue allí. Llega a la cima antes ".
La diferencia en los perfiles a diferentes energías se puede explicar porque la dureza se basa en promediar todas las capas y la distribución de capas está cambiando a diferentes energías.
Modelado por computadora
Contornos de deformación plástica al pico de dureza detectados por modelo. Se muestra la vista superior y el corte vertical. Crédito:Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO)
"Tomamos algunos datos de neutrones de la literatura, que había establecido esquemas de endurecimiento con correlaciones entre los desplazamientos por átomo (dpa) y el endurecimiento como punto de partida. Con el ajuste matemático pudimos realizar muchas mejoras en el modelo, "dijo Saleh.
Generalmente, los modelos sobre predicen ligeramente, pero se alinean bien en términos de fuerza y posición de pico. Están dentro del 10 por ciento y, generalmente, eso es muy bueno en una estructura de varias capas ".
En los modelos, el radio de la zona de plasticidad era de ocho a nueve veces la profundidad de la sangría, no de tres a cinco como se había predicho en otros lugares.
"Si puede establecer una metodología confiable, mediante el cual puede analizar si su componente fallará mediante una simple nano-sangría, habría un enorme interés por parte de la industria, "dijo Saleh.
"Esto nos da un medio para predecir las posiciones máximas de dureza y los valores esperados para las dosis de radiación. Pero el principio fundamental detrás del experimento funcionará para todos los materiales en capas. El material ni siquiera necesita ser irradiado," "dijo Bhattacharyya.
"Una vez que conocemos la resistencia y otros parámetros mecánicos, podemos trabajar al revés y calcular el perfil de daños.
El estudio aporta no solo una comprensión de los cambios inducidos por la radiación en las propiedades superficiales de los materiales, pero una mayor comprensión del proceso de nanoindentación en materiales multicapa en general.
Los resultados del modelado proporcionan información sobre propiedades mecánicas que son escalables a dimensiones de ingeniería ".
Los investigadores continúan los estudios de otros materiales irradiados con iones con múltiples fases y diferentes estructuras cristalinas.
