量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，是研究微觀粒子運動規(guī)律的科學(xué)，使人們對物質(zhì)世界的認識從宏觀層次跨進了微觀層次，對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及其相互作用的見解被革命化地改變，為包括原子物理、核物理、分子生物學(xué)、非線性光學(xué)等現(xiàn)代基礎(chǔ)理論研究奠定了基礎(chǔ)。

全球領(lǐng)先的軸承制造商鐵姆肯公司將量子力學(xué)的研究方法應(yīng)用到軸承的研發(fā)之中。

Timken的研究人員VikramBedekar(左)和RohitVoothaluru致力于通過在HFIR的HB-2B上使用中子來改進軸承制造工藝。

在美國能源部(DOE’s)橡樹嶺國家實驗室(ORNL)，鐵姆肯公司的研究人員希望通過使用中子散射技術(shù)更好地了解制造過程中產(chǎn)生的內(nèi)部殘余應(yīng)力如何影響軸承壽命，從而找到延長軸承壽命的方法。

軸承的制造精度高，公差小，配合完美，在極端負荷和長期使用和操作下，具有較長的設(shè)計壽命。在安全至關(guān)重要的航空航天和采礦領(lǐng)域，軸承性能尤為重要。殘余應(yīng)力雖是材料結(jié)構(gòu)中較小的內(nèi)部彈性變形，對軸承的壽命和可靠性卻可能帶來很大影響。

鐵姆肯公司的材料專家VikramBedekar說：“殘余應(yīng)力主要由制造過程產(chǎn)生。包括成型和高溫加工在內(nèi)的所有生產(chǎn)工藝都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。如果應(yīng)力過大，零件會變形，甚至可能使部件扭曲到無法使用或恢復(fù)。”

一般來說，軸承的制造從把鋼材制成一個環(huán)開始。接下來，使用車床獲得所需的尺寸。貝德卡說，到這里為止，這部分仍然是“綠色”的，這意味著它仍然是軟的，還不能使用。之后的熱處理才使材料硬化。最后，使用車床或磨床去除多余的材料完成零件。

工業(yè)應(yīng)用中常使用的大尺寸的Timken?軸承。因為中子具有很強的穿透性，它們能比類似的方法，如X射線，更深入地滲透至金屬內(nèi)部。每個軸承的殘留應(yīng)力來自制造過程中的不同步。(圖片來源：ORNL/GenevieveMartin)

由于中子具有很強的穿透性，可為研究人員提供材料原子結(jié)構(gòu)的獨特信息。此前，研究人員利用實驗室X光檢查軸承，但研究人員只能探測軸承內(nèi)部200微米的厚度。中子使他們能夠更深入地觀察軸承的全部。

“標準的X光強度不足以從一個部分完全穿透。中子是唯一可以看到完整內(nèi)部的途徑?！盉edekar說

利用ORNL的高通量同位素反應(yīng)堆(HFIR)的中子殘余應(yīng)力繪圖設(shè)備(NRSF2)HB-2B，研究人員能夠繪制出制造過程中每個步驟產(chǎn)生的不同內(nèi)部應(yīng)力。中子數(shù)據(jù)使他們能夠觀察軸承的應(yīng)力狀態(tài)如何隨著每次迭代而變化。研究人員說他們選擇使用NRSF2是因為它適合這類實驗的獨特能力。

Timken的產(chǎn)品開發(fā)專家RohitVoothaluru說：“我們在尋求利用殘余應(yīng)力圖的方法。我們之所以來到NRSF2，是因為我們覺得可以找到同類樣品的整體情況并看到殘余應(yīng)力?！?/p>

該小組表示，他們打算利用殘余應(yīng)力映射數(shù)據(jù)改進計算模型，以改進內(nèi)部應(yīng)力預(yù)測和優(yōu)化制造工藝。

Bedekar表示：“最終，我們可以根據(jù)不同軸承的性能來調(diào)整加工工藝或殘余應(yīng)力。”

“我們今天有一個計算模型可以定性地提供方向。但是，要建立一個更為基本的、基于實際物理工藝的定量模型，同時還要捕捉實時的次表層殘余應(yīng)變，需要大量的經(jīng)驗驗證。我們希望驗證我們的模型并將其提升到一個新的級別。”Voothaluru說。

HFIR是美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。UT-Battelle為能源部科學(xué)辦公室管理ORNL?？茖W(xué)辦公室是美國物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大單一支持者，正在努力解決我們這個時代最緊迫的一些挑戰(zhàn)。

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