鐵姆肯公司（sī）運用量子手段控製軸承（chéng）內部（bù）應力
2019-1-18 來源：- 作者：-
量子力學是現（xiàn）代物理學的理論基礎之一，是研究微觀粒子運動規律的科學，使人們對物質世界的認識從宏觀層次跨進了微觀層次，對物質的結構（gòu）以及其相互作用的見解被革命化地改（gǎi）變，為包括原子物理、核物理、分（fèn）子生物學、非線性光學等現代基礎理論研究奠定了基（jī）礎。
全球領先的軸承製（zhì）造商鐵姆肯公司將量子力學的研究方法應用到軸承的研發之中。
Timken的研究人員Vikram Bedekar（左）和Rohit Voothaluru致力於通過在HFIR的HB-2B上（shàng）使用中子來改進軸承製（zhì）造（zào）工藝。
在美國能源（yuán）部（DOE’s）橡樹嶺國（guó）家實驗室（ORNL），鐵姆肯公司（sī）的（de）研究人員希望通過使用中子散（sàn）射技術更好地了（le）解製造過程中產生的內部殘餘應力如何影響軸承壽命（mìng），從而找到（dào）延長軸承（chéng）壽命的方法。
軸承的製造精度高，公差小，配合完美，在（zài）極端負荷和長期使（shǐ）用（yòng）和操作下，具有較長的設計壽命。在安全至關重要（yào）的航空航天和（hé）采礦領域，軸承性能尤為重要。殘餘（yú）應力雖是（shì）材料結構中較小的內部彈性變形，對軸承的壽命和可靠性卻可能帶來很大影（yǐng）響。
鐵姆肯公司的（de）材料專家Vikram Bedekar說：“殘餘應力主要由（yóu）製造過程產（chǎn）生。包括成型和高溫加工在（zài）內的所有生產工藝都會產生殘餘應力。如果應（yīng）力過大，零件（jiàn）會變形，甚至可能使部件（jiàn）扭曲到無法使用或（huò）恢複。”
一般來說，軸（zhóu）承的製造（zào）從把鋼材製成一個環開始。接下來，使用車床獲得所需的尺寸。貝德（dé）卡說，到（dào）這裏為止（zhǐ），這部分仍然是“綠色”的（de），這意味著它仍然是軟的，還不能使用。之後的熱處理才（cái）使材料（liào）硬化。最後，使用車床或磨床去除多餘的材料完成零件。
工業應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（néng）比類似的方法，如X射線，更深入地滲透至金屬（shǔ）內部。每個軸承（chéng）的殘留應力（lì）來（lái）自製（zhì）造過（guò）程中的不同步。（圖片來源：ORNL/Genevieve Martin）
由於中子具有（yǒu）很強的穿透性，可為研究人員提供材料原子結構的獨特信息。此前，研究（jiū）人員利用實驗室X光（guāng）檢查軸承，但研（yán）究人（rén）員隻能探測軸承內（nèi）部200微米的厚度。中（zhōng）子使他們能夠更深入地觀察軸承（chéng）的全部。
“標準的X光強度（dù）不足以從一個部分完全穿透。中子（zǐ）是唯一可以看到完整內部的途徑。”Bedekar說。
利用ORNL的高（gāo）通量同位素反應堆（HFIR）的中子殘餘應力繪圖設備（NRSF2）HB-2B，研究人員能夠繪製出製造過程中（zhōng）每個步驟產生（shēng）的不同內部應力。中（zhōng）子數據使他們能夠觀察軸承（chéng）的應力狀態如何隨著每次迭（dié）代而變化。研究人員說（shuō）他們選擇使用NRSF2是因為它適（shì）合這類實驗的獨（dú）特能力。
Timken的產品開（kāi）發專家Rohit Voothaluru說：“我們在尋求利用殘餘應力圖（tú）的方（fāng）法。我們之所以來到NRSF2，是因為我們覺（jiào）得可（kě）以找到同類樣品的整體情況並（bìng）看到（dào）殘餘應力。”
該小組表示，他們打算利用殘餘應力映射數據改進計算模型，以改進內部應力預測和優（yōu）化（huà）製造工藝。
Bedekar表示：“最終，我們可以根據不同（tóng）軸承（chéng）的性能來調整加工工藝或殘（cán）餘應力。”
“我們今（jīn）天有一個計算模型可以定性地提供（gòng）方向。但是（shì），要建立一（yī）個更為基本的、基於（yú）實際物理工藝的定量模型（xíng），同時還要捕捉實時的次表層殘餘應變，需要大量（liàng）的經驗驗證。我們希望驗證我們（men）的模型並將（jiāng）其提升到一個（gè）新的級別（bié）。”Voothaluru說。
HFIR是美（měi）國能源（yuán）部科學（xué）用（yòng）戶設施辦公室。UT-Battelle為能源部（bù）科學辦公室管理ORNL。科學辦公室是美國物理（lǐ）科學基礎研究的最大單一支持者（zhě），正在努力（lì）解決我們這個時代最緊迫的一些挑戰。
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