Kullager används i många vanliga applikationer som hjul, övningar, och till och med leksaker som den populära fidget spinner. Dessa applikationer och andra som dem förlitar sig på lager för att möjliggöra jämn, effektiv rörelse för miljontals varv.

Forskare från The Timken Company, en ledande internationell tillverkare av lager, använder neutronspridning vid Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att förlänga lagrenas livslängd genom att få en bättre förståelse för hur interna restspänningar som skapas under tillverkningsprocessen påverkar deras prestanda.

Lagren är tillverkade med precision för att ha snäva toleranser och passa perfekt och är konstruerade för att hålla i många år under extrema belastningar och omfattande användning och drift. Prestanda är särskilt viktigt inom områden som flyg och gruvdrift där säkerhet är avgörande. Dock, restspänningar - som är små inre elastiska deformationer i materialets struktur - kan ha en betydande inverkan på att minska lagrets livslängd och tillförlitlighet.

"Restspänningar genereras huvudsakligen av tillverkningsprocessen, "sa Vikram Bedekar, en materialspecialist på Timken. "Alla processer de genomgår - omformning och exponering för hög värme - skapar kvarvarande stress. Om du har mycket påfrestningar, delen kan snedvrida. Det kan snedvrida så mycket att du inte kan använda eller återställa delen. "

I allmänhet, tillverkning av lager börjar med stål format i form av en ring. Nästa, en svarv används för att få önskad storlek. Vid det tillfället, delen är fortfarande "grön, säger Bedekar, vilket betyder att den fortfarande anses vara mjuk och inte klar att användas. En värmebehandling appliceras sedan för att härda materialet. Till sist, delen är färdig med en svarv eller slipmaskin för att ta bort överflödigt material.

Neutroner ger forskare unik inblick i materialets atomstruktur på grund av deras mycket genomträngande egenskaper. Tidigare, forskarna använde laboratorieröntgen för att titta på lager, men forskarna kunde bara undersöka upp till 200 mikron inuti ett lager. Neutroner ger dem möjlighet att titta på hela lagersektioner på större djup.

"Standardröntgen är inte tillräckligt stark för att gå hela vägen genom ett avsnitt, "sa Bedekar." Neutroner är det enda sättet att passera genom det och se inuti. "

Använda Neutron Residual Stress Mapping Facility (NRSF2), HB-2B, vid ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR), forskarna kunde kartlägga de olika interna påfrestningarna från varje steg i tillverkningsprocessen. Neutrondata gjorde det möjligt för dem att observera hur ett bärings spänningstillstånd förändras med varje iteration. Forskarna säger att de valde att använda NRSF2 eftersom det är unikt lämpat för denna typ av experiment.

"Vi letade efter vad vi kan göra när det gäller kvarvarande stresskartläggning, "sa Rohit Voothaluru, en produktutvecklingsspecialist på Timken. "Vi kom till NRSF2 eftersom vi kände att vi kunde få hela spektret av prover karakteriserade och se restspänningarna."

Teamet säger att de har för avsikt att använda data om återstående stresskartläggning för att förbättra sina beräkningsmodeller för förbättrade interna stressprognoser och optimerade tillverkningsprocesser.

"Så småningom, vi kan skräddarsy bearbetningen eller skräddarsy restspänningen till lagrets önskade prestanda, sa Bedekar.

"Vi har en beräkningsmodell idag som kvalitativt kan ge riktning, "sa Voothaluru." Men för att ha en mer fundamentalt driven kvantitativ modell som är baserad på processens faktiska fysik, samtidigt som den fångar den realtids resterande belastningen under ytan, är något som kräver omfattande empirisk validering. Vi vill validera vår modell och ta den till nästa nivå. "