Tager stress ud af resterende stress kortlægning

Forskere fra University of Virginia (UVA) bruger neutroner til at udforske grundlæggende arbejde i kortlægning af reststress, der lover mere præcis videnskab nede ad vejen for Oak Ridge National Laboratory (ORNL) og lignende faciliteter rundt om i verden.

Anført af Sean Agnew, gruppen sigter mod at opnå mere nøjagtige refleksioner af koncentrerede spændingsniveauer i et materiale ved hjælp af neutrondiffraktion. Restspændinger er spændinger, der forbliver i et fast materiale, selv efter at den oprindelige årsag til spændingen er fjernet. Disse former for belastninger kan opstå gennem en række forskellige mekanismer, såsom uelastiske deformationer, temperaturgradienter, eller strukturelle ændringer.

Brug af Neutron Residual Stress Mapping Facility-instrumentet ved ORNL's High Flux Isotope Reactor, HFIR strålelinje HB-2B, forskere er i stand til at studere restspændinger i stål, aluminium, superlegeringer, og andre strukturelle materialer. Holdets forskning vil give indsigt i nøjagtigheden af ​​målinger af restspændingskortlægning i sådanne materialer, når neutronstrålen skal rejse store afstande gennem prøven. Teammedlemmer inkluderer UVA's Robert Klein, Matthew Steiner (nu med University of Cincinnati), og John Einhorn (nu med National Grid).

"Det, vi er interesserede i, med restspændingskortlægning, opnår de mest nøjagtige målinger som muligt, " sagde Steiner. "Så vi har en meget lille neutronstråle, som vi finder inde i prøven, så kortlægger vi ændringerne i gitterafstanden, som svarer til spændingen i materialet."

"Et eksperiment, vi udførte, involverede kortlægning af den resterende spændingstilstand som følge af støbning, " sagde Einhorn. "Når du støber et metal, det køler udefra og ind, så ydersiden størkner, mens indersiden stadig er smeltet. Fordi indersiden ønsker at krympe, når det afkøles, det sætter stress på ydersiden. Ydersiden bliver nu klemt for at prøve at matche det, og det er det, der genererer dine resterende belastninger."

Forskerne er især nysgerrige på, om nogen instrumentelle artefakter producerer ændringer i toppositionsmålinger, der kan fortolkes forkert som stress. Den slags uoverensstemmelser forekommer normalt i stærkt absorberende materialer som uran (undersøgt her), når målestedet er dybt inde i materialet, og under specifikke betingelser, hvor diffraktionstoppen forskydes på grund af tab af det oprindelige signal.

"Du skal vide dette, så du kan trække de instrumentelle effekter ud for at få det reelle stressniveau i materialet, sagde Steiner.

Forskerholdet gennemførte en række eksperimenter, der udforskede karakteren af ​​et lille skift i HB-2B-instrumentets målinger, der korrelerede med de afstande, neutronstrålen rejste gennem prøven.

"Når en neutronstråle passerer gennem et materiale, dele af bølgelængdespektrene absorberes mere end andre, som vi mener forårsager et skift i instrumentets måling, " sagde Steiner. "Vi forsøger at finde ud af årsagen til det og kvantificere, hvor meget bølgelængde der bliver absorberet."

De resulterende data fra denne forskning vil have en stor videnskabelig og teknisk indvirkning, validering af data tidligere opnået fra visse materialer på HB-2B-instrumentet og de medfølgende peak shift-korrektioner, der er blevet beregnet. Dette arbejde vil føre til forbedrede retningslinjer for forskere, der arbejder på beamline HB-2B, som ønsker at måle gitterparametre for store prøver, der kræver betydelige vejlængder i prøven, eller dybder.

"Det er et sjovt eksperiment og godt, grundlæggende videnskab, " sagde Einhorn. "Men mere væsentligt, det er vigtigt, og den indvirkning, det vil have, vil føre til mere nøjagtig videnskab på HB-2B-instrumentet."

Efterfølgende udviklinger muliggør analytiske softwareværktøjer, der advarer forskere om situationer, hvor visse kombinationer af prøve- og diffraktionsbetingelser udgør potentielle problemer, og i nogle tilfælde, levere datakorrektioner for forbedret nøjagtighed.

Holdets forskningsresultater blev offentliggjort i Journal of Applied Crystallography .