Erste 3D-Bilder von mikroskopischen Rissen in Legierungen

• Zum ersten Mal entwickeln Forscher eine Technik zur Aufnahme von 3D-Bildern von mikroskopischen Rissen in Nickelbasislegierungen, die durch Wasserstoff- oder Wassereinwirkung verursacht werden.
• Es wird Ingenieuren helfen, Mikrostrukturen mit verlängerter Materiallebensdauer zu entwickeln und Kosten für Reparaturen und Austausch zu sparen.

Mikrorisse in Metalllegierungen sind mit bloßem Auge nicht zu erkennen, können sich jedoch bei Kontakt mit Wasserstoff oder Wasser auf andere Regionen ausdehnen, was zu ernsthaften Problemen in Kernkraftwerken, elektrochemischen Wasserstoffspeichertechnologien und Strukturen wie Brücken und hohen Gebäuden führt.

Normalerweise wird die Wasserstoffversprödung (HE) von Legierungen durch unerwartete Brüche und Duktilitätsverlust gekennzeichnet, die ein immer breiter werdendes Spektrum von Materialfehlern verursachen. Da die Intensität von HE mit der Metallfestigkeit zunimmt, sind moderne Legierungen (wie Nickelbasislegierungen) anfälliger für HE. Um HE vorherzusagen und zu verhindern, muss man seine physischen Ursprünge genau kennen.

Vor kurzem haben Forscher des MIT und des LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) eine Technik entwickelt, um dreidimensionale Bilder von mikroskopischen Rissen in Legierungen aufzunehmen, die durch Wasserstoffversprödung verursacht werden. Diese Bilder können verwendet werden, um unterschiedliche Korngrenzen oder Orientierungen mikroskopischer Strukturen zu erkennen, die Brüche umleiten und wasserstoff- oder wasserunterstützte Schäden verhindern können.

Wie haben sie es gemacht?

Die neue Technik – 3D-Mikrostrukturkartierung – basiert auf Synchrotron-basierten Röntgenbeugungs- und Tomographiemethoden zur Analyse von durch Wasserstoff/Wasser verursachten Rissen in Nickellegierungen.

Wenn Sie genau analysieren möchten, wie sich Metallrisse ausbreiten, müssen Sie das Problem in drei Dimensionen simulieren. Außerdem müssen Sie über genügend Daten über die Morphologie des Risses und seine Beziehung zur Mikrostruktur verfügen.

Um eine zerstörungsfreie Bewertung durchzuführen, richteten die Autoren hochintensive Röntgenstrahlen auf gerissene Nickellegierungen. Sie platzierten eine Kamera, um alle durchgelassenen und gebeugten Strahlen zu erfassen. Dann testeten sie Hunderttausende von Orientierungen der mikroskopischen Struktur und untersuchten Millionen von Punkten.

Referenz:Naturkommunikation | doi:10.1038/s41467-018-05549-y | LLNL

Bildnachweis:  Dharmesh Patel / Texas A&M University 

Durch den Abgleich der Daten mit physikalischen Modellen transformierten sie die Beugungspunkte in ein dreidimensionales Mikrostrukturbild. Dieses 3D-Bild zeigt, welche Arten von Grenzkörnern Risse ablenken könnten, und die Ergebnisse deuten darauf hin, dass BLIPS (Grenzen mit Ebenen mit niedrigem Index) widerstandsfähig gegen Beschädigungen sind.

Wie ist es nützlich?

Die Technologie kann Fortschritte bei Metallverarbeitungstechniken bringen, die darauf abzielen, die weitere Ausbreitung von Rissen in Nickellegierungen zu stoppen. Dies würde Materialien stärken und ihre Lebensdauer für Komponenten und Strukturen erhöhen.

Genauer gesagt könnte es die Vorhersagen der mechanischen Reaktionen von HE-Legierungen verbessern. Schädliche Korngrenzen können bei der Konstruktion von Legierungen herausgearbeitet werden, um Hürden für Brüche hinzuzufügen und deren Wachstum zu stoppen.

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Darüber hinaus helfen die aus 3D-Bildern gewonnenen Daten den Ingenieuren bei der Entwicklung effektiver Mikrostrukturen mit verlängerter Materiallebensdauer, wodurch Kosten für Reparaturen/Ersatz eingespart werden. Um die Lebensdauer zu erhöhen, sollte die Mikrostruktur mit großen Mengen an BLIPS bearbeitet werden, die Risse besser ablenken oder stumpfen würden.