一种允许在高温和负载下进行实时显微镜观察的技术

北卡罗莱纳州立大学的研究人员展示了一种技术，该技术允许他们实时跟踪金属或其他材料的微观变化，即使材料长期暴露在极端高温和负荷下——这种现象被称为“蠕变”。这项技术将加速开发和表征用于核反应堆等极端环境的材料。

“到目前为止，你可以先观察材料的结构，然后再加热或加载，直到材料断裂，然后再进行微观结构观察。这意味着你只能知道它在装载和加热之前和之后的样子，”北卡罗莱纳州立大学(North Carolina State University)机械和航空航天工程教授阿夫萨尼·拉比伊(Afsaneh Rabiei)说。“我们的技术被称为‘原位扫描电子显微镜(SEM)加热和加载’，使我们能够看到整个过程中发生的微观变化。你可以看到裂纹是如何形成和增长的，或者在失效过程中微观结构是如何转变的。这对于理解材料的特性及其在不同加载和加热条件下的行为非常有价值。”

Rabiei开发了用于高温和负载(张力)的原位扫描电镜技术，作为对先进材料行为进行高通量评估的手段。目标是能够预测材料在各种加热和加载条件下的反应。该仪器可以在高达1000°C的温度和高达20亿帕斯卡(相当于290,075 PSI)的应力下捕捉SEM图像。

为了展示这项技术的潜力，研究人员对一种被称为709合金的不锈钢合金进行了“蠕变疲劳”测试，这种合金正在考虑用于核反应堆。

Rabiei说:“蠕变疲劳测试包括将材料暴露在高温和重复的、延长的载荷下，这有助于我们了解结构在极端环境中承受载荷时的表现。”“这对核反应堆等应用来说显然很重要，因为它们的设计寿命是几十年。”

为此，Rabiei和她的合作者在750°C的温度下测试了709合金的样品，这些样品经历了从保持负载1秒到持续负载1小时的重复加载周期，直到它们失效。在一次迭代中，样本被反复暴露在负载下一个小时，负载之间的间隔是7秒，实验持续了600多个小时。原位扫描电子显微镜捕捉到了这一切。

Rabiei说:“在蠕变疲劳测试期间，原位扫描电镜允许我们跟踪材料裂纹的微观发展和微观结构的演变。”“然后，我们能够使用这些数据来模拟709合金在核反应堆中使用多年后的行为。709合金的性能优于316不锈钢，后者目前在许多反应堆中使用。

“这是好消息，但最令人兴奋的是我们使用的方法。例如，我们的原位扫描电镜技术让我们见证了被称为孪晶界的微观结构细节在控制709合金裂纹扩展中的作用。我们的观察表明，当裂纹到达709合金的孪晶界时，它会改变方向并绕道而行。这种绕道效应延缓了裂纹的扩展，提高了材料的强度。如果没有我们的原位扫描电镜加热和加载技术，这样的观察是不可能的。此外，使用这种技术，我们只需要小样本，可以生成通常需要几年时间才能生成的数据。因此，我们既节省了时间，也节省了用于评估材料性能和分析其失效过程的材料数量。

Rabiei说:“这种捕捉洞察力的能力是研究任何数量的新型高性能材料的重大进步，特别是那些设计用于极端环境的材料。”

马特·希普曼，研究通讯负责人，北卡罗来纳州立大学．由制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程,《媒体,cvavra@cfemedia.com．