研究人员展示了一种技术，使他们能够实时跟踪金属或其他材料的微观变化，即使这些材料长时间暴露在极热和负载下——这种现象被称为“蠕变”。该技术将加快开发和表征用于极端环境(例如核反应堆)的材料的努力。

“到目前为止，您可以在将材料暴露于热或负载之前查看其结构，然后施加热和负载直到它破裂，然后进行微观结构观察。这意味着您只能知道它在加载之前和之后的样子和加热，”Afsaneh Rabiei 说，他是该工作论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程教授。

“我们的技术称为‘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。您可以看到裂纹是如何形成和生长的，或者在失效过程中微观结构是如何转变的过程。这对于了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 SEM 技术，作为对先进材料的行为进行高通量评估的一种手段。目标是能够预测材料在各种加热和负载条件下的反应。该项目得到了能源部的支持。该仪器可以在高达 1,000 摄氏度 (C) 的温度和高达 2 吉帕的应力下捕获 SEM 图像——相当于每平方英寸 290,075 磅。

为了最近展示该技术的潜力，研究人员对一种称为合金 709 的不锈钢合金进行了“蠕变疲劳”测试，该合金正被考虑用于核反应堆。

“蠕变疲劳测试涉及将材料暴露在高温和重复、延长的载荷下，这有助于我们了解结构在极端环境下承受载荷时的性能，”Rabiei 说。“这对于设计运行数十年的核反应堆等应用来说显然很重要。”

为此，Rabiei 和她的合作者在 750 摄氏度的温度下测试了合金 709 样品，这些样品经历了重复的负载循环，从保持负载一秒钟到重复保持负载一小时直到它们失败。在一次迭代中，样品反复暴露在负载下 1 小时，负载之间的间隔为 7 秒，实验持续了 600 多个小时。原位 SEM 捕获了这一切。

“原位 SEM 使我们能够在蠕变疲劳测试期间跟踪材料中裂纹的微观发展和微观结构的演变，”Rabiei 说。“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。而且 709 合金的性能优于 316 不锈钢，这是目前许多反应堆中使用的不锈钢。

“这是个好消息，但这里最令人兴奋的是我们使用的方法。例如，我们的原位 SEM 技术使我们能够见证称为孪晶界的微观结构细节在控制 709 合金裂纹扩展中所起的作用。我们的观察表明，当裂纹到达合金 709 中的这种孪晶边界时，它会自行改变方向并绕道而行。这种绕道效应延迟了裂纹的生长，提高了材料的强度。如果没有我们的原位 SEM 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，就可以生成通常需要数年才能生成的数据。因此，我们节省了用于评估材料特性和分析其失效过程的时间和材料数量。

Rabiei 说：“捕捉此类洞察的能力是研究任何数量的新型高性能材料的重大进步，尤其是那些设计用于极端环境的材料。”

论文“在不同停留时间蠕变疲劳下合金 709 的性能”发表在“材料科学与工程：A ”杂志上。该论文的第一作者是 Amrita Lall，博士。北卡罗来纳州立大学的学生。该论文由 Siddhartha Sarkar 博士合着。北卡罗来纳州的学生;以及伯明翰大学的 Rengen Ding 和 Paul Bowen。

这项工作是在美国能源部核能大学计划的支持下完成的，奖励号为 2015-1877/DE-NE0008451;和来自英国研究委员会(现为英国研究与创新)，奖项编号为 EP/N016351/1。