Les rails de chemin de fer sont conçus pour supporter des années de charges lourdes et des conditions d'exploitation différentes. Cependant, heures supplémentaires, les forces de contact entre les rails et les roues des trains peuvent provoquer une usure importante des rails, qui doivent ensuite être remplacés pour assurer la sécurité et la fiabilité.

Des chercheurs du Transportation Technology Center Inc. (TTCI) analysent des segments ferroviaires neufs et usagés avec des neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE). TTCI est la filiale de recherche de l'Association of American Railroads en Amérique du Nord, desservant l'ensemble de l'industrie ferroviaire nord-américaine. Après avoir étudié les rails de sa boucle d'essai de fret lourd de 2,7 milles de long à l'extérieur de Pueblo, Colorado, TTCI utilise des neutrons pour mieux comprendre comment les effets liés aux contraintes à l'échelle atomique influencent la durabilité et les performances des rails au fil du temps.

"Ces rails sont testés en courbe, parce que c'est là que nous obtenons plus d'usure sur les rails, en raison du frottement des roues contre le rail à des forces élevées, " a déclaré le chercheur principal du TTCI, le Dr Ananyo Banerjee. " La roue entre en contact avec le côté et le haut du rail et l'use lentement. "

Lors de la fabrication, l'acier est comprimé et déformé pour façonner le rail, ce qui crée une contrainte résiduelle dans la microstructure du matériau pendant les processus de chauffage et de refroidissement. Les neutrons sont des outils idéaux pour étudier les rails car ils peuvent pénétrer les métaux denses plus profondément que des méthodes similaires telles que la diffraction des rayons X.

"L'une des raisons pour lesquelles nous examinons ces contraintes est qu'au fil du temps, le rail s'use non seulement, il développe également des défauts à l'intérieur comme des fissures de fatigue, similaire à ce que l'on voit parfois dans les composants métalliques soumis à des charges cycliques dans d'autres applications, " a déclaré Banerjee. " En utilisant la méthode de diffusion des neutrons ici, nous pouvons quantifier ces contraintes."

En utilisant l'installation de cartographie des contraintes résiduelles neutroniques, ligne de lumière HB-2B au réacteur isotopique à haut flux (HFIR) de l'ORNL, Banerjee a pu cartographier les emplacements et l'ampleur des contraintes résiduelles dans les échantillons de rails qu'il étudie. Ces informations fournissent des informations possibles sur la manière dont les contraintes ont été créées au cours du processus de fabrication et qui pourraient avoir un impact sur les propriétés mécaniques du rail pendant le fonctionnement.

Banerjee a déclaré que les données de diffusion des neutrons aideront TTCI à développer des modèles de simulation ferroviaire améliorés et d'autres applications pour améliorer la durabilité des rails pour une sécurité et des performances accrues.