Os pesquisadores demonstraram uma técnica que lhes permite rastrear alterações microscópicas em metais ou outros materiais em tempo real, mesmo quando os materiais são expostos a calor e cargas extremas por um longo período de tempo - um fenômeno conhecido como "fluência". A técnica irá acelerar os esforços para desenvolver e caracterizar materiais para uso em ambientes extremos, como reatores nucleares.

"Até agora, você pode olhar para a estrutura de um material antes de expô-lo ao calor ou carga, em seguida, aplique calor e carregue até que quebre, seguido por uma observação microestrutural. Isso significa que você só sabe como era antes e depois de carregar e aquecer, "diz Afsaneh Rabiei, autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor de engenharia mecânica e aeroespacial na North Carolina State University.

"Nossa técnica, que é chamado de aquecimento e carregamento de microscopia eletrônica de varredura (SEM) in situ, 'nos permite ver as mudanças microscópicas que ocorrem ao longo do processo. Você pode ver como as rachaduras se formam e crescem, ou como a microestrutura se transforma durante o processo de falha. Isso é extremamente valioso para compreender as características de um material e seu comportamento sob diferentes condições de carregamento e aquecimento. "

Rabiei desenvolveu a técnica SEM in situ para altas temperaturas e carga (tensão) como um meio de conduzir avaliações de alto rendimento do comportamento de materiais avançados. O objetivo era ser capaz de prever como um material responde sob uma variedade de condições de aquecimento e carregamento. O projeto foi apoiado pelo Departamento de Energia. O instrumento pode capturar imagens SEM em temperaturas de até 1, 000 graus Celsius (C), e em tensões de até dois gigapascal - o que equivale a 290, 075 libras por polegada quadrada.

Por sua recente demonstração do potencial da técnica, pesquisadores realizaram testes de "fadiga de fluência" em uma liga de aço inoxidável chamada liga 709, que está sendo considerado para uso em reatores nucleares.

"O teste de fadiga de fluência envolve a exposição de materiais a altas temperaturas e repetidos, cargas estendidas, o que nos ajuda a entender como as estruturas funcionarão quando colocadas sob cargas em ambientes extremos, "Rabiei diz." Isso é claramente importante para aplicações como reatores nucleares, que são projetados para operar por décadas. "

Para esse fim, Rabiei e seus colaboradores testaram amostras de liga 709 a temperaturas de 750 graus C, que experimentou ciclos de carga repetidos variando de segurar a carga por um segundo a segurar a carga por uma hora repetidamente até que eles falharam. Em uma iteração, onde a amostra foi repetidamente exposta a uma carga por uma hora, com intervalos de sete segundos entre as cargas, o experimento durou mais de 600 horas. E o SEM in situ capturou tudo.

"O SEM in situ nos permitiu rastrear o desenvolvimento microscópico de trincas no material e a evolução da microestrutura durante o teste de fadiga de fluência, "Rabiei diz." Pudemos então usar esses dados para modelar qual seria o comportamento da liga 709 ao longo dos anos de uso em um reator nuclear. E a liga 709 superou o aço inoxidável 316, que é o que é usado atualmente em muitos reatores.

"Isso é uma boa notícia, mas o que é mais interessante aqui é a metodologia que usamos. Por exemplo, nossa técnica SEM in situ nos permitiu testemunhar o papel que os detalhes microestruturais chamados de limites gêmeos desempenham no controle do crescimento de trincas na liga 709. Nossas observações mostraram que quando uma trinca atinge esses limites duplos na liga 709, ele se redireciona e faz um desvio. Este efeito de desvio retarda o crescimento da fissura, melhorando a resistência do material. Sem nossa tecnologia de aquecimento e carregamento SEM in situ, tais observações não poderiam ser possíveis. Além disso, usando esta técnica, precisamos apenas de pequenos espécimes e podemos gerar dados que normalmente levam anos para serem gerados. Assim, estamos economizando tempo e a quantidade de material usado para avaliar as propriedades do material e analisar seu processo de falha.

"A capacidade de capturar percepções como essas é um avanço significativo para a pesquisa de uma série de novos, materiais de alto desempenho, particularmente aqueles que são projetados para funcionar em ambientes extremos, "Rabiei diz.

O papel, "Desempenho da liga 709 sob fadiga de fluência em vários tempos de espera, "é publicado na revista Ciência e Engenharia de Materiais:A .