I cuscinetti sono utilizzati in molte applicazioni comuni come ruote, trapani, e persino giocattoli come il popolare filatore di fidget. Queste applicazioni e altre simili si basano su cuscinetti per consentire un funzionamento fluido, movimento efficiente per milioni di rotazioni.

Ricercatori della The Timken Company, leader internazionale nella produzione di cuscinetti, stanno utilizzando la diffusione di neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) per estendere la durata dei cuscinetti ottenendo una migliore comprensione di come le sollecitazioni residue interne create durante il processo di produzione influenzino le loro prestazioni.

I cuscinetti sono fabbricati con precisione per avere tolleranze strette e adattarsi perfettamente e sono progettati per durare per molti anni sotto carichi estremi e un uso e un funzionamento estesi. Le prestazioni sono particolarmente importanti in settori come quello aerospaziale e minerario, dove la sicurezza è fondamentale. Però, le sollecitazioni residue, che sono piccole deformazioni elastiche interne nella struttura del materiale, possono avere un impatto significativo nel ridurre la durata e l'affidabilità di un cuscinetto.

"Le sollecitazioni residue sono generate principalmente dal processo di fabbricazione, " disse Vikram Bedekar, uno specialista dei materiali presso Timken. "Tutti i processi che attraversano, il rimodellamento e l'esposizione al calore elevato, creano stress residuo. Se hai molti stress, la parte può distorcere. Potrebbe distorcere così tanto che non puoi usare o recuperare la parte."

Generalmente, la produzione di cuscinetti inizia con l'acciaio formato a forma di anello. Prossimo, si usa un tornio per ottenere la misura desiderata. A quel punto, la parte è ancora "verde, "dice Bedekar, il che significa che è ancora considerato morbido e non pronto per l'uso. Viene quindi applicato un trattamento termico per indurire il materiale. Finalmente, la parte viene rifinita utilizzando un tornio o una mola per rimuovere il materiale in eccesso.

I neutroni forniscono ai ricercatori informazioni uniche sulla struttura atomica di un materiale grazie alle loro proprietà altamente penetranti. In precedenza, i ricercatori stavano usando i raggi X di laboratorio per esaminare i cuscinetti, ma i ricercatori hanno potuto sondare solo fino a 200 micron all'interno di un cuscinetto. I neutroni danno loro la capacità di osservare intere sezioni di cuscinetti a profondità maggiori.

"I raggi X standard non sono abbastanza forti da attraversare tutta una sezione, " disse Bedekar. "I neutroni sono l'unico modo per attraversarlo e vedere dentro."

Utilizzando la struttura di mappatura dello stress residuo di neutroni (NRSF2), HB-2B, presso il reattore isotopico ad alto flusso di ORNL (HFIR), i ricercatori sono stati in grado di mappare le diverse sollecitazioni interne di ogni fase del processo di produzione. I dati sui neutroni hanno permesso loro di osservare come cambia lo stato di sollecitazione di un cuscinetto ad ogni iterazione. I ricercatori affermano di aver scelto di utilizzare NRSF2 perché è particolarmente adatto per questo tipo di esperimento.

"Cercavamo cosa possiamo fare in termini di mappatura dello stress residuo, " disse Rohit Voothaluru, uno specialista di sviluppo prodotto presso Timken. "Siamo venuti a NRSF2 perché sentivamo di poter caratterizzare l'intera gamma di campioni e vedere le sollecitazioni residue".

Il team afferma di voler utilizzare i dati di mappatura delle sollecitazioni residue per migliorare i propri modelli computazionali per migliori previsioni delle sollecitazioni interne e processi di produzione ottimizzati.

"Infine, possiamo adattare la lavorazione o adattare lo stress residuo alle prestazioni desiderate del cuscinetto, " disse Bedekar.

"Oggi abbiamo un modello computazionale che può fornire indicazioni qualitative, " ha detto Voothaluru. "Ma per avere un modello quantitativo più fondamentalmente basato sulla fisica effettiva del processo, catturando anche la deformazione residua del sottosuolo in tempo reale, è qualcosa che richiede un'ampia convalida empirica. Vogliamo convalidare il nostro modello e portarlo al livello successivo".