Timken henvender sig til neutroner for at få indflydelse på indre spændinger

Lejer bruges i mange almindelige applikationer såsom hjul, øvelser, og endda legetøj som den populære fidget spinner. Disse applikationer og andre som dem er afhængige af lejer for at tillade glatte, effektiv bevægelse for millioner af rotationer.

Forskere fra The Timken Company, en førende international producent af lejer, bruger neutronspredning ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) for at forlænge lejernes levetid ved at opnå en bedre forståelse af, hvordan interne restspændinger skabt under fremstillingsprocessen påvirker deres ydeevne.

Lejer er fremstillet med præcision for at have snævre tolerancer og passer perfekt og er designet til at holde i mange år under ekstreme belastninger og omfattende brug og drift. Ydeevne er især vigtig inden for områder som rumfart og minedrift, hvor sikkerhed er afgørende. Imidlertid, restspændinger - som er små indre elastiske deformationer i materialets struktur - kan have en væsentlig indflydelse på at reducere et lejes levetid og pålidelighed.

"Restspændinger genereres hovedsageligt af fremstillingsprocessen, " sagde Vikram Bedekar, en materialespecialist hos Timken. "Alle de processer, de gennemgår - omformning og udsættelse for høj varme - skaber resterende stress. Hvis du har meget stress, delen kan forvrænges. Det kan forvrænge så meget, at du ikke kan bruge eller gendanne delen."

Generelt, fremstilling af lejer begynder med stål formet i form af en ring. Næste, en drejebænk bruges til at få den ønskede størrelse. På det tidspunkt, delen er stadig "grøn, " siger Bedekar, hvilket betyder, at den stadig betragtes som blød og ikke klar til brug. Derefter påføres en varmebehandling for at hærde materialet. Endelig, delen færdiggøres med en drejebænk eller slibemaskine for at fjerne overskydende materiale.

Neutroner giver forskere unik indsigt i et materiales atomare struktur på grund af deres meget gennemtrængende egenskaber. Tidligere, forskerne brugte laboratorie røntgenstråler til at se på lejer, men forskerne kunne kun sondere op til 200 mikron inde i et leje. Neutroner giver dem mulighed for at se på hele sektioner af lejer på større dybder.

"Standard røntgenstråler er ikke stærke nok til at gå hele vejen gennem et afsnit, " sagde Bedekar. "Neutroner er den eneste måde at passere gennem den og se indenfor."

Brug af Neutron Residual Stress Mapping Facility (NRSF2), HB-2B, ved ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR), forskerne var i stand til at kortlægge de forskellige interne belastninger fra hvert trin i fremstillingsprocessen. Neutrondataene gjorde det muligt for dem at observere, hvordan et lejes spændingstilstand ændrer sig med hver iteration. Forskerne siger, at de valgte at bruge NRSF2, fordi det er unikt egnet til denne type forsøg.

"Vi ledte efter, hvad vi kan gøre med hensyn til kortlægning af resterende stress, " sagde Rohit Voothaluru, en produktudviklingsspecialist hos Timken. "Vi kom til NRSF2, fordi vi følte, at vi kunne få karakteriseret hele spektret af prøver og se de resterende spændinger."

Holdet siger, at de har til hensigt at bruge de resterende stresskortlægningsdata til at forbedre deres beregningsmodeller for forbedrede interne stressforudsigelser og optimerede fremstillingsprocesser.

"Til sidst, vi kan skræddersy behandlingen eller skræddersy den resterende spænding til lejets ønskede ydeevne, sagde Bedekar.

"Vi har en beregningsmodel i dag, der kvalitativt kan give retning, " sagde Voothaluru. "Men for at have en mere fundamentalt drevet kvantitativ model, der er baseret på processens faktiske fysik, samtidig med at den fanger den resterende belastning under overfladen i realtid, er noget, der kræver omfattende empirisk validering. Vi ønsker at validere vores model og tage den til næste niveau."