Forskare från University of Virginia (UVA) använder neutroner för att utforska grundläggande arbete i kartläggning av restspänningar som lovar mer exakt vetenskap på vägen för Oak Ridge National Laboratory (ORNL) och liknande anläggningar runt om i världen.

Leds av Sean Agnew, gruppen syftar till att få mer exakta reflektioner av koncentrerade spänningsnivåer i ett material med hjälp av neutrondiffraktion. Restspänningar är spänningar som stannar kvar i ett fast material även efter att den ursprungliga orsaken till spänningen har avlägsnats. Dessa typer av påfrestningar kan uppstå genom en mängd olika mekanismer, såsom oelastiska deformationer, temperaturgradienter, eller strukturella förändringar.

Använda instrumentet Neutron Residual Stress Mapping Facility vid ORNL:s högflödesisotopreaktor, HFIR strållinje HB-2B, forskare kan studera restspänningar i stål, aluminium, superlegeringar, och andra konstruktionsmaterial. Teamets forskning kommer att ge insikt i noggrannheten av mätningar av restspänningskartläggning i sådana material när neutronstrålen måste färdas stora avstånd genom provet. Teammedlemmar inkluderar UVA:s Robert Klein, Matthew Steiner (nu med University of Cincinnati), och John Einhorn (nu med National Grid).

"Det vi är intresserade av, med kartläggning av restspänningar, erhåller så exakta mätningar som möjligt, " sa Steiner. "Så vi har en mycket liten neutronstråle som vi lokaliserar inuti provet, sedan kartlägger vi förändringarna i gitteravståndet som motsvarar spänningen i materialet."

"Ett experiment som vi genomförde involverade kartläggning av restspänningstillståndet från gjutning, sade Einhorn. När du gjuter en metall, det svalnar från utsidan och in, så utsidan stelnar medan insidan fortfarande är smält. Eftersom insidan vill krympa när den svalnar, det sätter stress på utsidan. Utsidan blir nu klämd för att försöka matcha det, och det är det som genererar dina restspänningar."

Forskarna är särskilt nyfikna på om några instrumentella artefakter ger förändringar i topppositionsmätningar som kan tolkas felaktigt som stress. Den typen av avvikelser uppträder vanligtvis i högabsorberande material som uran (studeras här) när mätplatsen är djupt inuti materialet, och under specifika förhållanden i vilka diffraktionstoppen skiftar på grund av förlust av ursprungssignalen.

"Du måste veta detta så att du kan subtrahera de instrumentella effekterna för att få den verkliga stressnivån i materialet, sa Steiner.

Forskargruppen genomförde en serie experiment som undersökte karaktären av en liten förändring i HB-2B-instrumentets mätningar som korrelerade med de avstånd som neutronstrålen reste genom provet.

"När en neutronstråle passerar genom ett material, delar av våglängdsspektra absorberas mer än andra, som vi tror orsakar en förändring i instrumentets mätning, ", sa Steiner. "Vi försöker ta reda på orsaken till det och kvantifiera hur mycket våglängd som absorberas."

De resulterande data från denna forskning kommer att ha en stor vetenskaplig och ingenjörsmässig inverkan, validering av data som tidigare erhållits från vissa material på HB-2B-instrumentet och de medföljande toppskiftkorrigeringarna som har beräknats. Detta arbete kommer att leda till förbättrade riktlinjer för forskare som arbetar med strållinje HB-2B som vill mäta gitterparametrar för stora prover som kräver betydande väglängder i provet, eller djup.

"Det är ett roligt experiment och bra, grundläggande vetenskap, sade Einhorn. Men ännu viktigare, det är viktigt, och effekten det kommer att få kommer att leda till mer exakt vetenskap om HB-2B-instrumentet."

Efterföljande utvecklingar möjliggör analytiska mjukvaruverktyg som uppmärksammar forskare på situationer där vissa kombinationer av prov- och diffraktionsförhållanden utgör potentiella problem, och i vissa fall, tillhandahålla datakorrigeringar för förbättrad noggrannhet.

Teamets forskningsresultat publicerades i Journal of Applied Crystallography .