全球领先的轴承制造商铁姆肯公司将量子力学的研究方法应用到轴承的研发之中。

  Timken的研究人员VikramBedekar(左)和Rohit Voothaluru致力于通过在HFIR的HB-2B上使用中子来改进轴承制造工艺。

  在美国能源部(DOE’s)橡树岭国家实验室(ORNL)，铁姆肯公司的研究人员希望通过使用中子散射技术更好地了解制造过程中产生的内部残余应力如何影响轴承寿命，从而找到延长轴承寿命的方法。

  轴承的制造精度高，公差小，配合完美，在极端负荷和长期使用和操作下，具有较长的设计寿命。在安全至关重要的航空航天和采矿领域，轴承性能尤为重要。残余应力虽是材料结构中较小的内部弹性变形，对轴承的寿命和可靠性却可能带来很大影响。

  铁姆肯公司的材料专家VikramBedekar说：“残余应力主要由制造过程产生。包括成型和高温加工在内的所有生产工艺都会产生残余应力。如果应力过大，零件会变形，甚至可能使部件扭曲到无法使用或恢复。”

  一般来说，轴承的制造从把钢材制成一个环开始。接下来，使用车床获得所需的尺寸。贝德卡说，到这里为止，这部分仍然是“绿色”的，这意味着它仍然是软的，还不能使用。之后的热处理才使材料硬化。最后，使用车床或磨床去除多余的材料完成零件。

  工业应用中常使用的大尺寸的Timken®轴承。因为中子具有很强的穿透性，它们能比类似的方法，如X射线，更深入地渗透至金属内部。每个轴承的残留应力来自制造过程中的不同步。(图片来源：ORNL/Genevieve Martin)

  由于中子具有很强的穿透性，可为研究人员提供材料原子结构的独特信息。此前，研究人员利用实验室X光检查轴承，但研究人员只能探测轴承内部200微米的厚度。中子使他们能够更深入地观察轴承的全部。

  “标准的X光强度不足以从一个部分完全穿透。中子是唯一可以看到完整内部的途径。”Bedekar说

  利用ORNL的高通量同位素反应堆(HFIR)的中子残余应力绘图设备(NRSF2)HB-2B，研究人员能够绘制出制造过程中每个步骤产生的不同内部应力。中子数据使他们能够观察轴承的应力状态如何随着每次迭代而变化。研究人员说他们选择使用NRSF2是因为它适合这类实验的独特能力。

  Timken的产品开发专家RohitVoothaluru说：“我们在寻求利用残余应力图的方法。我们之所以来到NRSF2，是因为我们觉得可以找到同类样品的整体情况并看到残余应力。”

  该小组表示，他们打算利用残余应力映射数据改进计算模型，以改进内部应力预测和优化制造工艺。

  Bedekar表示：“最终，我们可以根据不同轴承的性能来调整加工工艺或残余应力。”

  “我们今天有一个计算模型可以定性地提供方向。但是，要建立一个更为基本的、基于实际物理工艺的定量模型，同时还要捕捉实时的次表层残余应变，需要大量的经验验证。我们希望验证我们的模型并将其提升到一个新的级别。”Voothaluru说。

  HFIR是美国能源部科学用户设施办公室。UT-Battelle为能源部科学办公室管理ORNL。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大单一支持者，正在努力解决我们这个时代最紧迫的一些挑战。