新的显微镜技术使研究人员能够实时跟踪微观结构变化,即使材料暴露在极端高温和压力下也是如此。最近,研究人员表明,一种名为合金709的不锈钢合金具有升高温度应用的潜力,如核反应堆结构。

“合金709非常坚固,并且在长时间暴露在高温下时能够抵抗损坏,”Afsaneh Rabiei说道,他是新发现的论文的相应作者,也是北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程教授。“这使其成为用于下一代核电站的有前景的材料。

“然而,合金709是如此新颖,以至于它在高热和高负荷下的性能尚未完全理解。能源部(DOE)需要更好地了解其热机械和结构特性,以确定其在核能中的可行性反应堆“。

为了解决DOE的问题,Rabiei想出了一个新颖的解决方案。与三家公司合作 - 日立,牛津仪器和Kammrath&Weiss GmbH - Rabiei开发了一种新技术,允许她的实验室实时执行扫描电子显微镜(SEM),同时对材料施加极高的热量和高负荷。

“这意味着我们可以看到热机械测试过程中材料的裂纹扩展,损伤成核和微观结构变化,这些变化与任何主体材料相关 - 不仅仅是合金709,”Rabiei说。“它可以帮助我们了解材料在各种条件下失效的地点和原因:从室温到1000摄氏度(C),以及从0到2千兆帕的应力。”

为了将其置于上下文中,1,000 C是1,832华氏度。两个gigapascal相当于每平方英寸290,075磅。

Rabiei的团队与英国伯明翰大学合作,评估合金709在高温和高负荷下的机械和微观结构特性。

研究人员将厚度为1毫米的合金709样品暴露在高达950摄氏度的温度下,直到材料“失效”,这意味着材料破裂。

“709合金的性能优于316不锈钢,这是目前在核反应堆中使用的,”Rabiei说。“研究表明,合金709的强度在所有温度下均高于316不锈钢,这意味着它在失效前可以承受更大的应力。例如,合金709可以处理950 C时的应力,因为316不锈钢可以处理538 C。

“我们的显微技术使我们能够监测空洞成核和裂纹扩展以及整个过程中材料微观结构的所有变化,”Rabiei说。

“这是一个很有希望的发现,但我们还有更多的工作要做,”Rabiei说。“我们的下一步是评估合金709在暴露于周期性加载或重复应力时如何在高温下发挥作用。”