Neutroner viser vejen til optimerede kollisions-tolerante biler

Trykhærdet borstål er et ultra højstyrkestål, der bruges på tværs af en række forskellige industrier, med en særlig vigtig anvendelse i bilindustrien. En stor del af bilfabrikanterne bruger borstål til strukturelle komponenter og anti-indtrængningssystemer i biler, da det giver høj styrke og vægtbesparende potentiale, giver mulighed for stærkere, men lettere biler, med øget passagersikkerhed.

I bilindustrien, en vigtig sammenføjningsmetode er modstandspunktsvejsning, med flere tusinde svejsninger på en enkelt bil. Punktsvejsning udsætter borstålpladen direkte nedenunder for meget høje temperaturer, hvilket får metallet til at overstige smeltetemperaturen og derefter hurtigt størkne ved afkøling. Dette resulterer i en varmepåvirket zone, hvor omkringliggende materialekontrakter og mikrostrukturer ændres.

Det er vigtigt at forstå de nøjagtige virkninger punktsvejsning har på borstål, da de varmepåvirkede zoner kan udvise reduceret hårdhed, hvilket igen kan forkorte materialets levetid. For at undersøge sammenhængen mellem hårdhed og resterende stress, målinger skal foretages på samme punktsvejsning. Derfor, Der skal anvendes en ikke-destruktiv metode til måling af restspænding, så svejsningen kan sektioneres efterfølgende til hårdhedstestene. Ikke-destruktive metoder omfatter elektron, røntgen- og neutrondiffraktion; sidstnævnte var den valgte metode, da neutronstrålen har et kubikmetervolumen, som er den mest egnede til den givne prøves geometri.

Et nyligt samarbejde mellem ILL, WMG ved University of Warwick, Tata Steel, og Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC) gennemførte en undersøgelse for at undersøge sammenhængen mellem borståls hårdhed og resterende spænding. Tata Steel leverede borstålplader til eksperimenterne, som blev udført af WMG-forskere på ILL's SALSA (Stress Analyzer for Large-Scale Applications) beamline. Neutrondiffraktion blev valgt som metode til måling af restspænding i denne undersøgelse på grund af dens evne til at penetrere tunge materialer såsom borstål, og den finere opløsning det giver. Hårdhedsfordelinger blev målt på de samme svejsninger.

Denne undersøgelse bestemte eksperimentelt for første gang en stærk sammenhæng mellem reduceret hårdhed i varmepåvirkede zoner af borstål-punktsvejsninger og øget restspænding. Resultaterne har indikeret behovet for at udvikle nye svejsemetoder, der ikke har samme skadelige virkning som punktsvejsning, især fordi der ikke er noget, der kan gøres for at undgå reaktionen af ​​reduceret hårdhed, når der anvendes punktsvejsning på borstål.

Dr. Neill Raath, Forskningsstipendiat ved WMG, og hovedforsker i denne undersøgelse siger:"Vores fremtidige arbejde vil undersøge to metoder, der kan undgå dette problem:magnetisk pulssvejsning, som ikke bruger varme og som sådan ikke forårsager en varmepåvirket zone, og varmebehandling efter svejsning, som reverserer reduktionen i hårdhed forårsaget af punktsvejsning. Dette vil være af særlig betydning for industrier, der bruger borstål, nemlig bilindustrien og landbrugsindustrien, samt materialeudviklere, der kan bruge dataene til modellering og destruktive simuleringer i deres eget arbejde."

Dr. Thilo Pirling, ILL-forsker, der leder SALSA-teamet, siger:"SALSA beamline er et velegnet instrument til denne undersøgelse, da det er specialiseret i at bestemme restspændinger i en bred vifte af tekniske materialer, inklusive stål. Det gør det også muligt at placere større strukturer inden for beamline. I dette tilfælde, den ikke-destruktive karakter af teknikken gjorde det muligt at analysere sammenhængen af ​​interesse effektivt, da hårdhedsprofiler kunne bestemmes på den samme svejsning efter neutrondiffraktionstestene for restspænding."

Denne undersøgelse har bevist behovet for alternative svejsemetoder, der kan forlænge levetiden for det udbredte borstål til dets fulde potentiale. Med flere tusinde svejsninger på en enkelt bil, fremtidigt arbejde med ikke-destruktive svejseteknikker og post-punktsvejsning behandlinger vil gøre det muligt for borstål komponenter i biler at bevare deres hårdhed og undgå resterende stress. Vigtigt, dette vil i sidste ende give passagersikkerhed på højeste niveau i stærkere, men lettere køretøjer.