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革命性3D成像揭示镍基合金隐藏微裂纹

金属合金微观断裂肉眼不可见,但暴露于氢或水时可向其他区域扩展,导致核电厂、电化学、氢储存技术及桥梁、高楼等结构出现严重问题。

合金氢脆 (HE) 通常表现为意外断裂和延展性丧失,引发日益扩大的材料失效谱。因HE强度随金属强度增加,先进合金(如镍基合金)更易发生氢脆。预测和预防HE需深入了解其物理本源。

麻省理工学院和劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 研究人员近期开发技术,捕捉氢脆导致的合金微观裂纹三维图像。这些图像可用于检测不同晶界或微观结构取向,从而转移裂纹、防止氢/水辅助损伤。

如何实现?

新技术——3D微观结构映射——依赖同步辐射X射线衍射和断层扫描方法分析镍合金氢/水致裂纹。

要精确分析金属裂纹扩展,需三维模拟问题,并掌握裂纹形态与微观结构关系的充足数据。

为进行无损评估,作者用高强X射线束照射开裂镍合金,放置相机捕获所有透射和衍射光束。测试数十万个微观结构取向,检查数百万个点。

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

图片来源:Dharmesh Patel / 德克萨斯A&M大学

通过将数据与物理模型对齐,将衍射点转化为三维微观结构图像。该3D图像显示哪类晶界可偏转裂纹,结果表明BLIPS(低指数平面边界)具有抗损伤性。

有何用处?

该技术可推动旨在阻止镍合金裂纹进一步扩展的金属加工工艺进步,增强材料强度,延长组件和结构寿命。

更具体说,可改进HE合金力学响应预测。工程合金时可去除有害晶界,为裂纹增加阻碍防止其生长。

延伸阅读:AI可识别和分析核反应堆缺陷

此外,3D图像数据将助力工程师开发延长材料寿命的有效微观结构,节省维修/更换成本。为延长寿命,微观结构应处理大量BLIPS,以更好地偏转或钝化裂纹。


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