Lagers worden gebruikt in veel voorkomende toepassingen zoals wielen, boren, en zelfs speelgoed zoals de populaire fidget spinner. Die toepassingen en andere soortgelijke toepassingen vertrouwen op lagers voor soepele, efficiënte beweging voor miljoenen rotaties.

Onderzoekers van The Timken Company, een toonaangevende internationale fabrikant van lagers, gebruiken neutronenverstrooiing in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) om de levensduur van lagers te verlengen door een beter begrip te krijgen van hoe interne restspanningen die tijdens het productieproces ontstaan, hun prestaties beïnvloeden.

Lagers zijn met precisie vervaardigd om nauwe toleranties te hebben en perfect te passen en zijn ontworpen om vele jaren mee te gaan onder extreme belasting en uitgebreid gebruik en gebruik. Prestaties zijn vooral belangrijk in gebieden zoals lucht- en ruimtevaart en mijnbouw waar veiligheid van vitaal belang is. Echter, restspanningen - kleine interne elastische vervormingen in de materiaalstructuur - kunnen een aanzienlijke invloed hebben op het verminderen van de levensduur en betrouwbaarheid van een lager.

"Restspanningen worden voornamelijk gegenereerd door het fabricageproces, " zei Vikram Bedekar, materiaalspecialist bij Timken. "Alle processen die ze doorlopen - het hervormen en de blootstelling aan hoge hitte - creëren reststress. Als je veel stress hebt, het onderdeel kan vervormen. Het kan zo veel vervormen dat je het onderdeel niet kunt gebruiken of herstellen."

In het algemeen, het vervaardigen van lagers begint met staal in de vorm van een ring. Volgende, een draaibank wordt gebruikt om de gewenste maat te krijgen. Op dat punt, het onderdeel is nog steeds "groen, " zegt Bedekar, wat betekent dat het nog steeds als zacht en niet klaar voor gebruik wordt beschouwd. Vervolgens wordt een warmtebehandeling toegepast om het materiaal uit te harden. Eindelijk, het onderdeel wordt afgewerkt met een draaibank of slijper om overtollig materiaal te verwijderen.

Neutronen bieden onderzoekers unieke inzichten in de atomaire structuur van een materiaal vanwege hun zeer penetrerende eigenschappen. Eerder, de onderzoekers gebruikten laboratoriumröntgenstralen om naar lagers te kijken, maar de onderzoekers konden slechts tot 200 micron in een lager onderzoeken. Neutronen geven hen de mogelijkheid om op grotere diepte naar hele secties van lagers te kijken.

"Standaard röntgenfoto's zijn niet sterk genoeg om helemaal door een sectie te gaan, "zei Bedekar. "Neutronen zijn de enige manier om er doorheen te gaan en naar binnen te kijken."

Met behulp van de Neutron Residual Stress Mapping Facility (NRSF2), HB-2B, bij ORNL's Hoge Flux Isotoop Reactor (HFIR), de onderzoekers konden de verschillende interne spanningen van elke stap in het productieproces in kaart brengen. Dankzij de neutronengegevens konden ze observeren hoe de spanningstoestand van een lager bij elke iteratie verandert. De onderzoekers zeggen dat ze ervoor hebben gekozen om NRSF2 te gebruiken omdat het bij uitstek geschikt is voor dit soort experimenten.

"We waren op zoek naar wat we kunnen doen op het gebied van het in kaart brengen van restspanningen, " zei Rohit Voothaluru, een productontwikkelingsspecialist bij Timken. "We kwamen naar NRSF2 omdat we het gevoel hadden dat we het hele scala aan monsters konden karakteriseren en de restspanningen konden zien."

Het team zegt dat ze van plan zijn de resterende stress-mappinggegevens te gebruiken om hun rekenmodellen te verbeteren voor verbeterde interne stressvoorspellingen en geoptimaliseerde productieprocessen.

"Eventueel, we kunnen de verwerking of de restspanning afstemmen op de gewenste prestatie van het lager, ' zei Bedekar.

"We hebben vandaag een rekenmodel dat kwalitatief richting kan geven, " zei Voothaluru. "Maar om een ​​meer fundamenteel gedreven kwantitatief model te hebben dat gebaseerd is op de feitelijke fysica van het proces, terwijl ook de real-time ondergrondse restspanning wordt vastgelegd, is iets dat uitgebreide empirische validatie vereist. We willen ons model valideren en naar een hoger niveau tillen."