Des chercheurs de l'Université de Virginie (UVA) utilisent des neutrons pour explorer les travaux fondamentaux de cartographie des contraintes résiduelles qui promettent une science plus précise à l'avenir pour le laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) et des installations similaires à travers le monde.

Dirigé par Sean Agnew, le groupe vise à obtenir des réflexions plus précises des niveaux de contraintes concentrés au sein d'un matériau en utilisant la diffraction des neutrons. Les contraintes résiduelles sont des contraintes qui restent dans un matériau solide même après que la cause initiale de la contrainte a été supprimée. Ces types de stress peuvent se produire par le biais de divers mécanismes, telles que les déformations inélastiques, gradients de température, ou des changements structurels.

En utilisant l'instrument Neutron Residual Stress Mapping Facility du réacteur à isotope à haut flux de l'ORNL, ligne de lumière HFIR HB-2B, les chercheurs sont capables d'étudier les contraintes résiduelles dans l'acier, aluminium, superalliages, et d'autres matériaux de structure. Les recherches de l'équipe fourniront un aperçu de la précision des mesures de cartographie des contraintes résiduelles dans de tels matériaux lorsque le faisceau de neutrons doit parcourir de grandes distances à travers l'échantillon. Les membres de l'équipe comprennent Robert Klein d'UVA, Matthew Steiner (maintenant à l'Université de Cincinnati), et John Einhorn (maintenant avec National Grid).

"Ce qui nous intéresse, avec cartographie des contraintes résiduelles, obtient les mesures les plus précises possibles, " a déclaré Steiner. " Nous avons donc un très petit faisceau de neutrons que nous localisons à l'intérieur de l'échantillon, puis nous cartographions les changements dans l'espacement du réseau qui correspondent à la contrainte dans le matériau."

"Une expérience que nous avons menée consistait à cartographier l'état de contrainte résiduelle résultant de la coulée, " dit Einhorn. " Quand vous jetez un métal, il refroidit de l'extérieur vers l'intérieur, ainsi l'extérieur se solidifie tandis que l'intérieur est encore en fusion. Parce que l'intérieur veut rétrécir en refroidissant, il met l'accent sur l'extérieur. L'extérieur est maintenant pressé pour essayer d'égaler ça, et c'est ce qui génère vos contraintes résiduelles."

Les chercheurs sont particulièrement curieux de savoir si des artefacts instrumentaux produisent des changements dans les mesures de la position des pics qui pourraient être interprétés à tort comme du stress. Ces types de divergences apparaissent généralement dans des matériaux hautement absorbants comme l'uranium (étudié ici) lorsque l'emplacement de mesure est profondément enfoui dans le matériau, et dans des conditions spécifiques dans lesquelles le pic de diffraction se déplace en raison de la perte du signal d'origine.

"Vous devez le savoir pour pouvoir soustraire les effets instrumentaux pour obtenir le niveau de stress réel dans le matériau, " dit Steiner.

L'équipe de recherche a mené une série d'expériences explorant la nature d'un petit décalage dans les mesures de l'instrument HB-2B en corrélation avec les distances parcourues par le faisceau de neutrons à travers l'échantillon.

« Lorsqu'un faisceau de neutrons traverse un matériau, certaines parties des spectres de longueurs d'onde sont absorbées plus que d'autres, qui, selon nous, provoque un changement dans la mesure de l'instrument, " a déclaré Steiner. "Nous essayons de comprendre la raison de cela et de quantifier la quantité de longueur d'onde absorbée."

Les données résultant de cette recherche auront un grand impact scientifique et technique, valider les données précédemment obtenues à partir de certains matériaux sur l'instrument HB-2B et les corrections de décalage de pic associées qui ont été calculées. Ce travail conduira à des directives améliorées pour les scientifiques travaillant sur la ligne de lumière HB-2B qui souhaitent mesurer les paramètres de réseau de grands échantillons qui nécessitent des longueurs de trajet importantes dans l'échantillon, ou des profondeurs.

"C'est une expérience amusante et bonne, sciences fondamentales, " dit Einhorn. " Mais plus important encore, c'est important, et l'impact que cela aura conduira à une science plus précise sur l'instrument HB-2B."

Les développements ultérieurs permettent d'utiliser des outils logiciels d'analyse qui alertent les chercheurs sur des situations dans lesquelles certaines combinaisons de conditions d'échantillon et de diffraction posent des problèmes potentiels, et dans certains cas, fournir des corrections de données pour une meilleure précision.

Les résultats des recherches de l'équipe ont été publiés dans le Journal de cristallographie appliquée .