Le rotaie ferroviarie sono progettate per sopportare anni di carichi pesanti e diverse condizioni operative. Però, col tempo, le forze di contatto tra le rotaie e le ruote dei treni possono causare una significativa usura delle rotaie, che poi deve essere sostituito per garantire sicurezza e affidabilità.

I ricercatori del Transportation Technology Center Inc. (TTCI) stanno analizzando segmenti ferroviari nuovi e usati con neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Department of Energy (DOE). TTCI è la sussidiaria di ricerca dell'Associazione delle Ferrovie Americane in Nord America, al servizio dell'intera industria ferroviaria nordamericana. Dopo aver studiato le rotaie nel suo circuito di prova del trasporto pesante lungo 2,7 miglia fuori Pueblo, Colorado, TTCI utilizza i neutroni per comprendere meglio come gli effetti legati allo stress su scala atomica influenzino la durata e le prestazioni delle rotaie nel tempo.

"Questi binari vengono testati in curva, perché è lì che abbiamo più usura sui binari, a causa dello sfregamento delle ruote contro la rotaia con forze elevate, " ha detto il dott. Ananyo Banerjee, ricercatore principale del TTCI. "La ruota entra in contatto con il lato e la parte superiore del binario e lo consuma lentamente".

Durante la produzione, l'acciaio viene schiacciato e deformato per modellare la rotaia, che crea stress residuo nella microstruttura del materiale durante i processi di riscaldamento e raffreddamento. I neutroni sono strumenti ideali per studiare le rotaie in quanto possono penetrare metalli densi più profondamente rispetto a metodi simili come la diffrazione dei raggi X.

"Uno dei motivi per cui stiamo esaminando questi stress è che nel tempo, il binario non solo si consuma, sviluppa anche difetti all'interno come crepe da fatica, simile a quello che vediamo a volte nei componenti metallici sottoposti a carichi ciclici in altre applicazioni, " ha detto Banerjee. "Utilizzando il metodo di diffusione dei neutroni qui, possiamo quantificare questi stress".

Utilizzando la funzione di mappatura dello stress residuo di neutroni, beamline HB-2B al reattore isotopico ad alto flusso di ORNL (HFIR), Banerjee è stato in grado di mappare le posizioni e l'entità delle sollecitazioni residue nei campioni ferroviari che sta studiando. Tali informazioni forniscono possibili approfondimenti su come sono state create le sollecitazioni durante il processo di produzione che potrebbero influire sulle proprietà meccaniche della rotaia durante il funzionamento.

Banerjee ha affermato che i dati sulla diffusione dei neutroni aiuteranno TTCI a sviluppare modelli di simulazione ferroviaria migliorati e altre applicazioni per migliorare la durata delle rotaie per una maggiore sicurezza e prestazioni.