Eerste 3D-beelden van microscopisch kleine scheuren in legeringen

• Voor het eerst ontwikkelen onderzoekers een techniek om 3D-beelden vast te leggen van microscopisch kleine scheurtjes in legeringen op nikkelbasis, veroorzaakt door blootstelling aan waterstof of water.
• Het zal ingenieurs helpen bij het ontwikkelen van microstructuren met een langere levensduur van het materiaal, waardoor kosten worden bespaard op reparaties en vervangingen.

Microfracturen in metaallegeringen kunnen niet met het blote oog worden gezien, maar ze kunnen zich uitbreiden naar andere regio's wanneer ze worden blootgesteld aan waterstof of water, wat kan leiden tot ernstige problemen in kerncentrales, elektrochemische, waterstofopslagtechnologieën en constructies zoals bruggen en hoge gebouwen.

Gewoonlijk wordt waterstofbrosheid (HE) van legeringen aangeduid met onverwachte breuken en verlies van ductiliteit die een steeds groter wordend spectrum van materiaalfouten veroorzaken. Omdat de intensiteit van HE toeneemt met de sterkte van het metaal, zijn geavanceerde legeringen (zoals een legering op nikkelbasis) gevoeliger voor HE. Om HE te voorspellen en te voorkomen, moet men een gedetailleerde kennis hebben van de fysieke oorsprong ervan.

Onlangs hebben onderzoekers van MIT en LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) een techniek ontwikkeld om driedimensionale beelden vast te leggen van microscopisch kleine scheurtjes in legeringen veroorzaakt door waterstofbrosheid. Deze beelden kunnen worden gebruikt om verschillende korrelgrenzen of oriëntaties van microscopische structuren te detecteren die breuken kunnen omleiden en schade door waterstof of water kunnen voorkomen.

Hoe hebben ze het gedaan?

De nieuwe techniek – 3D-microstructuurmapping – is gebaseerd op op synchrotron gebaseerde röntgendiffractie- en tomografiemethoden voor het analyseren van scheuren in nikkellegeringen veroorzaakt door waterstof/water.

Als je precies wilt analyseren hoe metaalscheuren zich voortplanten, moet je het probleem in drie dimensies simuleren. Je moet ook voldoende gegevens hebben over de morfologie van crack en de relatie met de microstructuur.

Om een ​​niet-destructieve evaluatie uit te voeren, lieten de auteurs röntgenstralen met hoge intensiteit op gebarsten nikkellegeringen schijnen. Ze plaatsten een camera om alle uitgezonden en afgebogen stralen vast te leggen. Daarna testten ze honderdduizenden oriëntaties van de microscopische structuur en onderzochten ze miljoenen plekken.

Referentie:Nature Communications | doi:10.1038/s41467-018-05549-y | LLNL

Afbeelding tegoed:  Dharmesh Patel / Texas A&M University 

Door gegevens uit te lijnen met fysieke modellen, transformeerden ze de diffractiepunten in een driedimensionaal microstructuurbeeld. Deze 3D-afbeelding laat zien welke soorten grenskorrels scheuren kunnen afbuigen, en de resultaten suggereren dat BLIPS (grenzen met lage indexvlakken) bestand zijn tegen schade.

Hoe is het nuttig?

De technologie kan vooruitgang brengen in metaalverwerkingstechnieken die gericht zijn op het stoppen van verdere verspreiding van scheuren in nikkellegeringen. Dit zou materialen versterken en hun levensduur voor componenten en constructies verlengen.

Meer specifiek zou het de voorspellingen van mechanische reacties van HE-legeringen kunnen verbeteren. Nadelige korrelgrenzen kunnen worden weggewerkt terwijl legeringen worden geconstrueerd om hindernissen voor breuken toe te voegen en te voorkomen dat ze groeien.

Lezen:AI kan defecten in kernreactoren identificeren en analyseren

Bovendien zullen gegevens verkregen uit 3D-afbeeldingen ingenieurs helpen bij het ontwikkelen van effectieve microstructuren met een langere levensduur van het materiaal, waardoor kosten worden bespaard op reparaties/vervangingen. Om de levensduur te verlengen, moet de microstructuur worden verwerkt met grote hoeveelheden BLIPS, die scheuren op een betere manier zouden afbuigen of stompen.