Les chercheurs ont démontré une technique qui leur permet de suivre les changements microscopiques des métaux ou d'autres matériaux en temps réel, même lorsque les matériaux sont exposés à une chaleur et à des charges extrêmes pendant une période prolongée, un phénomène connu sous le nom de « fluage ». La technique accélérera les efforts pour développer et caractériser des matériaux à utiliser dans des environnements extrêmes, comme les réacteurs nucléaires.

"Jusqu'à maintenant, vous pouvez examiner la structure d'un matériau avant de l'exposer à la chaleur ou à la charge, puis appliquez de la chaleur et de la charge jusqu'à ce qu'il se brise, suivi d'une observation microstructurale. Cela signifie que vous ne saurez à quoi cela ressemble avant et après le chargement et le chauffage, " dit Afsaneh Rabiei, auteur correspondant d'un article sur les travaux et professeur de génie mécanique et aérospatial à la North Carolina State University.

"Notre technique, qui est appelé "chauffage et chargement en microscopie électronique à balayage in situ (MEB), ' nous permet de voir les changements microscopiques qui se produisent tout au long du processus. Vous pouvez voir comment les fissures se forment et se développent, ou comment la microstructure se transforme au cours du processus de défaillance. Ceci est extrêmement précieux pour comprendre les caractéristiques d'un matériau et son comportement dans différentes conditions de chargement et de chauffage."

Rabiei a développé la technique SEM in situ pour les températures élevées et la charge (tension) comme moyen de procéder à des évaluations à haut débit du comportement des matériaux avancés. L'objectif était de pouvoir prédire comment un matériau réagit dans diverses conditions de chauffage et de charge. Le projet a été soutenu par le ministère de l'Énergie. L'instrument peut capturer des images SEM à des températures aussi élevées que 1, 000 degrés Celsius (C), et à des contraintes aussi élevées que deux gigapascals, ce qui équivaut à 290, 075 livres par pouce carré.

Pour leur récente démonstration du potentiel de la technique, les chercheurs ont effectué des tests de « fluage-fatigue » sur un alliage d'acier inoxydable appelé alliage 709, dont l'utilisation dans les réacteurs nucléaires est envisagée.

"Les tests de fatigue de fluage impliquent l'exposition des matériaux à une chaleur élevée et répétée, charges étendues, qui nous aide à comprendre comment les structures vont se comporter lorsqu'elles sont placées sous des charges dans des environnements extrêmes, " dit Rabiei. " C'est clairement important pour des applications telles que les réacteurs nucléaires, qui sont conçus pour fonctionner pendant des décennies.

À cette fin, Rabiei et ses collaborateurs ont testé des échantillons d'alliage 709 à des températures de 750 degrés C, qui ont subi des cycles de charge répétés allant du maintien de la charge pendant une seconde à un maintien de la charge pendant une heure à plusieurs reprises jusqu'à ce qu'ils échouent. En une seule itération, où l'échantillon a été exposé à plusieurs reprises à une charge pendant une heure, avec des intervalles de sept secondes entre les charges, l'expérience a duré plus de 600 heures. Et le SEM in situ a tout capturé.

« Le MEB in situ nous a permis de suivre l'évolution microscopique des fissures dans le matériau et l'évolution de la microstructure lors des essais de fluage-fatigue, " dit Rabiei. "Nous avons ensuite été en mesure d'utiliser ces données pour modéliser le comportement de l'alliage 709 au cours des années d'utilisation dans un réacteur nucléaire. Et l'alliage 709 a surpassé l'acier inoxydable 316, c'est ce qui est actuellement utilisé dans de nombreux réacteurs.

"C'est une bonne nouvelle, mais ce qui est le plus excitant ici, c'est la méthodologie que nous avons utilisée. Par exemple, notre technique SEM in situ nous a permis d'observer le rôle que jouent les détails microstructuraux appelés frontières jumelées dans le contrôle de la croissance des fissures dans l'alliage 709. Nos observations ont montré que lorsqu'une fissure atteint de telles frontières jumelées dans l'alliage 709, il se réoriente et fait un détour. Cet effet de détour retarde la croissance des fissures, améliorer la résistance du matériau. Sans notre technologie de chauffage et de chargement SEM in situ, de telles observations ne pouvaient pas être possibles. De plus, en utilisant cette technique, nous n'avons besoin que de petits spécimens et pouvons générer des données qui prennent normalement des années à générer. Ainsi, nous économisons à la fois du temps et de la quantité de matériau utilisé pour évaluer les propriétés du matériau et analyser son processus de défaillance.

« La capacité de saisir des informations comme celles-ci est une avancée significative pour la recherche sur un certain nombre de nouvelles, matériaux performants, en particulier ceux qui sont conçus pour fonctionner dans des environnements extrêmes, " dit Rabiei.

Le papier, « Performance de l'alliage 709 sous fatigue de fluage à différents temps de séjour, " est publié dans la revue Science et génie des matériaux :A .