Onderzoekers van de Universiteit van Virginia (UVA) gebruiken neutronen om fundamenteel werk te onderzoeken bij het in kaart brengen van reststress, wat meer precieze wetenschap belooft voor het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en soortgelijke faciliteiten over de hele wereld.

Onder leiding van Sean Agnew, de groep streeft naar nauwkeurigere reflecties van geconcentreerde spanningsniveaus in een materiaal met behulp van neutronendiffractie. Restspanningen zijn spanningen die in een vast materiaal blijven, zelfs nadat de oorspronkelijke oorzaak van de spanning is weggenomen. Dit soort spanningen kan optreden via verschillende mechanismen, zoals inelastische vervormingen, temperatuurgradiënten, of structurele veranderingen.

Met behulp van het Neutron Residual Stress Mapping Facility-instrument bij ORNL's High Flux Isotope Reactor, HFIR-straallijn HB-2B, onderzoekers kunnen restspanningen in staal bestuderen, aluminium, superlegeringen, en andere constructiematerialen. Het onderzoek van het team zal inzicht verschaffen in de nauwkeurigheid van metingen van restspanning in dergelijke materialen wanneer de neutronenbundel grote afstanden door het monster moet afleggen. Teamleden zijn onder meer UVA's Robert Klein, Matthew Steiner (nu verbonden aan de Universiteit van Cincinnati), en John Einhorn (nu bij National Grid).

"Waar we in geïnteresseerd zijn, met het in kaart brengen van restspanningen, is het verkrijgen van de meest nauwkeurige metingen mogelijk, "zei Steiner. "Dus we hebben een heel kleine neutronenbundel die we in het monster lokaliseren, dan brengen we de veranderingen in de roosterafstand in kaart die overeenkomen met de spanning in het materiaal."

"Een experiment dat we hebben uitgevoerd, omvatte het in kaart brengen van de restspanningstoestand als gevolg van het gieten, "zei Einhorn. "Als je een metaal giet, het koelt van buiten naar binnen, zodat de buitenkant stolt terwijl de binnenkant nog gesmolten is. Omdat de binnenkant wil krimpen als het afkoelt, het legt stress aan de buitenkant. De buitenkant wordt nu geperst om te proberen dat te evenaren, en dat is wat je restspanningen genereert."

De onderzoekers zijn vooral benieuwd of instrumentele artefacten veranderingen veroorzaken in piekpositiemetingen die ten onrechte als stress kunnen worden geïnterpreteerd. Dat soort discrepanties treden meestal op in sterk absorberende materialen zoals uranium (hier bestudeerd) wanneer de meetlocatie zich diep in het materiaal bevindt, en onder specifieke omstandigheden waarin de diffractiepiek verschuift als gevolg van verlies van het oorspronkelijke signaal.

"Je moet dit weten, zodat je de instrumentale effecten kunt aftrekken om het echte stressniveau in het materiaal te krijgen, ’ zei Steiner.

Het onderzoeksteam voerde een reeks experimenten uit om de aard van een kleine verschuiving in de metingen van het HB-2B-instrument te onderzoeken die correleerden met de afstanden die de neutronenbundel door het monster aflegde.

"Als een neutronenbundel door een materiaal gaat, delen van de golflengtespectra worden meer geabsorbeerd dan andere, waarvan we denken dat het een verschuiving veroorzaakt in de meting van het instrument, "zei Steiner. "We proberen de reden daarvoor te achterhalen en te kwantificeren hoeveel golflengte wordt geabsorbeerd."

De resulterende gegevens van dit onderzoek zullen een grote wetenschappelijke en technische impact hebben, het valideren van gegevens die eerder zijn verkregen van bepaalde materialen op het HB-2B-instrument en de bijbehorende piekverschuivingscorrecties die zijn berekend. Dit werk zal leiden tot verbeterde richtlijnen voor wetenschappers die werken aan bundellijn HB-2B die roosterparameters willen meten van grote monsters die aanzienlijke padlengtes in het monster vereisen, of diepten.

"Het is een leuk experiment en goed, fundamentele wetenschap, "zei Einhorn. "Maar belangrijker, het is belangrijk, en de impact die het zal hebben, zal leiden tot meer nauwkeurige wetenschap op het HB-2B-instrument."

Daaropvolgende ontwikkelingen maken analytische softwaretools mogelijk die onderzoekers waarschuwen voor situaties waarin bepaalde combinaties van monster- en diffractieomstandigheden potentiële problemen opleveren, en in sommige gevallen, gegevenscorrecties bieden voor een betere nauwkeurigheid.

De onderzoeksresultaten van het team werden gepubliceerd in de Journal of Applied Crystallography .