I ricercatori dell'Università della Virginia (UVA) stanno usando i neutroni per esplorare il lavoro fondamentale nella mappatura dello stress residuo che promette una scienza più precisa lungo la strada per l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e strutture simili in tutto il mondo.

Guidato da Sean Agnew, il gruppo mira a ottenere riflessioni più accurate dei livelli di stress concentrati all'interno di un materiale utilizzando la diffrazione di neutroni. Le sollecitazioni residue sono sollecitazioni che rimangono all'interno di un materiale solido anche dopo che la causa originale della sollecitazione è stata rimossa. Questi tipi di stress possono verificarsi attraverso una varietà di meccanismi, quali deformazioni anelastiche, gradienti di temperatura, o modifiche strutturali.

Utilizzando lo strumento Neutron Residual Stress Mapping Facility presso il reattore isotopico ad alto flusso di ORNL, Linea di luce HFIR HB-2B, i ricercatori sono in grado di studiare le sollecitazioni residue nell'acciaio, alluminio, superleghe, e altri materiali strutturali. La ricerca del team fornirà informazioni sull'accuratezza delle misurazioni della mappatura delle sollecitazioni residue in tali materiali quando il raggio di neutroni deve percorrere grandi distanze attraverso il campione. I membri del team includono Robert Klein dell'UVA, Matthew Steiner (ora con l'Università di Cincinnati), e John Einhorn (ora con National Grid).

"Ciò che ci interessa, con mappatura delle sollecitazioni residue, sta ottenendo le misurazioni più accurate possibili, " ha detto Steiner. "Quindi abbiamo un fascio di neutroni molto piccolo che individuiamo all'interno del campione, poi mappiamo i cambiamenti nella spaziatura del reticolo che corrispondono allo stress nel materiale."

"Un esperimento che abbiamo condotto prevedeva la mappatura dello stato di stress residuo derivante dalla colata, " disse Einhorn. "Quando lanci un metallo, si raffredda dall'esterno verso l'interno, così l'esterno si solidifica mentre l'interno è ancora fuso. Perché l'interno vuole rimpicciolirsi mentre si raffredda, mette sotto stress l'esterno. L'esterno ora viene schiacciato per cercare di abbinarlo, ed è questo che genera i tuoi stress residui."

I ricercatori sono particolarmente curiosi di sapere se eventuali artefatti strumentali stanno producendo cambiamenti nelle misurazioni della posizione dei picchi che potrebbero essere erroneamente interpretati come stress. Questi tipi di discrepanze di solito compaiono in materiali altamente assorbenti come l'uranio (studiato qui) quando la posizione di misurazione è profonda all'interno del materiale, e in condizioni specifiche in cui il picco di diffrazione si sposta a causa della perdita del segnale originario.

"Devi sapere questo in modo da poter sottrarre gli effetti strumentali per ottenere il vero livello di stress nel materiale, " disse Steiner.

Il team di ricerca ha condotto una serie di esperimenti esplorando la natura di un piccolo spostamento nelle misurazioni dello strumento HB-2B correlato alle distanze percorse dal raggio di neutroni attraverso il campione.

"Quando un raggio di neutroni passa attraverso un materiale, parti degli spettri di lunghezza d'onda vengono assorbite più di altre, che riteniamo causi uno spostamento nella misurazione dello strumento, " ha detto Steiner. "Stiamo cercando di capirne il motivo e quantificare quanta lunghezza d'onda viene assorbita."

I dati risultanti da questa ricerca avranno un grande impatto scientifico e ingegneristico, convalidare i dati precedentemente ottenuti da determinati materiali sullo strumento HB-2B e le correzioni di spostamento del picco che sono state calcolate. Questo lavoro porterà a linee guida migliorate per gli scienziati che lavorano sulla linea di luce HB-2B che desiderano misurare i parametri reticolari di campioni di grandi dimensioni che richiedono lunghezze di percorso significative nel campione, o profondità.

"È un esperimento divertente e buono, scienza fondamentale, " disse Einhorn. "Ma più significativamente, è importante, e l'impatto che avrà porterà a una scienza più accurata sullo strumento HB-2B".

Gli sviluppi successivi stanno consentendo strumenti software analitici che avvertono i ricercatori di situazioni in cui determinate combinazioni di condizioni del campione e di diffrazione pongono potenziali problemi, e in alcuni casi, fornire correzioni ai dati per una maggiore precisione.

I risultati della ricerca del team sono stati pubblicati nel Rivista di cristallografia applicata .