Afsaneh Rabiei est photographiée ici avec l'appareil qu'elle a développé qui peut capturer des images de microscopie électronique à balayage (MEB) en temps réel à des températures allant jusqu'à 1, 000 degrés Celsius en appliquant des contraintes allant jusqu'à deux gigapascals. Crédit :Université d'État de Caroline du Nord
Une nouvelle technique de microscopie permet aux chercheurs de suivre les changements microstructuraux en temps réel, même lorsqu'un matériau est exposé à une chaleur et à un stress extrêmes. Récemment, les chercheurs montrent qu'un alliage d'acier inoxydable appelé alliage 709 a un potentiel pour des applications à température élevée telles que les structures de réacteurs nucléaires.
"L'alliage 709 est exceptionnellement solide et résistant aux dommages lorsqu'il est exposé à des températures élevées pendant de longues périodes, " dit Afsaneh Rabiei, auteur correspondant d'un article sur les nouvelles découvertes et professeur de génie mécanique et aérospatial à la North Carolina State University. « Cela en fait un matériau prometteur pour une utilisation dans les centrales nucléaires de prochaine génération.
"Toutefois, L'alliage 709 est si nouveau que ses performances à haute température et charge n'ont pas encore été entièrement comprises. Et le ministère de l'Énergie (DOE) avait besoin de mieux comprendre ses caractéristiques thermomécaniques et structurelles afin de déterminer sa viabilité pour une utilisation dans les réacteurs nucléaires. »
Pour répondre aux questions du DOE, Rabiei a proposé une nouvelle solution. Travailler avec trois entreprises – Hitachi, Oxford Instruments et Kammrath &Weiss GmbH – Rabiei a développé une nouvelle technique qui permet à son laboratoire d'effectuer une microscopie électronique à balayage (MEB) en temps réel tout en appliquant une chaleur et des charges extrêmement élevées à un matériau.
« Cela signifie que nous pouvons voir la croissance des fissures, nucléation des dommages et modifications microstructurales du matériau lors des essais thermomécaniques, qui sont pertinents pour tout matériau hôte - pas seulement l'alliage 709, " dit Rabiei. " Cela peut nous aider à comprendre où et pourquoi les matériaux échouent dans une grande variété de conditions :de la température ambiante jusqu'à 1, 000 degrés Celsius (C), et avec des contraintes allant de zéro à deux gigapascals."
Pour replacer cela dans son contexte, 1, 000 C est 1, 832 degrés Fahrenheit. Et deux gigapascals équivalent à 290, 075 livres par pouce carré.
Les images (a) et (b) sont des images SEM in-situ d'un échantillon soumis à un essai de traction à :(a) 850 °C montrant des fissures se développant à partir du joint de grain dans les grains ; et (b) 950 °C montrant une perte de cristallinité autour de la propagation de la fissure. (c) &(d) :Figure de pôle inverse de diffraction de rétrodiffusion d'électrons (EBSD) (direction parallèle à la normale) d'un échantillon d'alliage 709 à température ambiante avant essai de traction et après traction jusqu'à 3,9 % d'allongement à 950 °C. (e) &(f) :images MEB de la surface de fracture de l'échantillon après tension à 850 et 950 °C. Crédit :Université d'État de Caroline du Nord
L'équipe de Rabiei a collaboré avec l'Université de Birmingham au Royaume-Uni pour évaluer les propriétés mécaniques et microstructurales de l'alliage 709 lorsqu'il est exposé à une chaleur et une charge élevées.
Les chercheurs ont exposé des échantillons d'un millimètre d'épaisseur d'alliage 709 à des températures pouvant atteindre 950 °C jusqu'à ce que le matériau « défaille, " ce qui signifie que le matériau s'est cassé.
"L'alliage 709 a surpassé l'acier inoxydable 316, c'est ce qui est actuellement utilisé dans les réacteurs nucléaires, " dit Rabiei. " L'étude montre que la résistance de l'alliage 709 était supérieure à celle de l'acier inoxydable 316 à toutes les températures, ce qui signifie qu'il pourrait supporter plus de stress avant d'échouer. Par exemple, l'alliage 709 peut supporter autant de contraintes à 950 C que l'acier inoxydable 316 peut supporter à 538 C.
"Et notre technique de microscopie nous a permis de surveiller la nucléation des vides et la croissance des fissures ainsi que tous les changements dans la microstructure du matériau tout au long du processus, " dit Rabiei.
"C'est une découverte prometteuse, mais nous avons encore du travail à faire, " dit Rabiei. " Notre prochaine étape consiste à évaluer comment l'alliage 709 se comportera à haute température lorsqu'il est exposé à des charges cycliques, ou un stress répété."
Le papier, "Une étude sur les propriétés de traction de l'alliage 709 à différentes températures, " apparaît dans le journal Science et génie des matériaux :A .
