量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，是研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，使人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)從宏觀層次跨進(jìn)了微觀層次，對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及其相互作用的見(jiàn)解被革命化地改變，為包括原子物理、核物理、分子生物學(xué)、非線性光學(xué)等現(xiàn)代基礎(chǔ)理論研究奠定了基礎(chǔ)。

全球領(lǐng)先的軸承制造商鐵姆肯公司將量子力學(xué)的研究方法應(yīng)用到軸承的研發(fā)之中。

Timken的研究人員VikramBedekar(左)和RohitVoothaluru致力于通過(guò)在HFIR的HB-2B上使用中子來(lái)改進(jìn)軸承制造工藝。

在美國(guó)能源部(DOE’s)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)，鐵姆肯公司的研究人員希望通過(guò)使用中子散射技術(shù)更好地了解制造過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部殘余應(yīng)力如何影響軸承壽命，從而找到延長(zhǎng)軸承壽命的方法。

軸承的制造精度高，公差小，配合完美，在極端負(fù)荷和長(zhǎng)期使用和操作下，具有較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)壽命。在安全至關(guān)重要的航空航天和采礦領(lǐng)域，軸承性能尤為重要。殘余應(yīng)力雖是材料結(jié)構(gòu)中較小的內(nèi)部彈性變形，對(duì)軸承的壽命和可靠性卻可能帶來(lái)很大影響。

鐵姆肯公司的材料專家VikramBedekar說(shuō)：“殘余應(yīng)力主要由制造過(guò)程產(chǎn)生。包括成型和高溫加工在內(nèi)的所有生產(chǎn)工藝都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。如果應(yīng)力過(guò)大，零件會(huì)變形，甚至可能使部件扭曲到無(wú)法使用或恢復(fù)?！?/p>

一般來(lái)說(shuō)，軸承的制造從把鋼材制成一個(gè)環(huán)開(kāi)始。接下來(lái)，使用車床獲得所需的尺寸。貝德卡說(shuō)，到這里為止，這部分仍然是“綠色”的，這意味著它仍然是軟的，還不能使用。之后的熱處理才使材料硬化。最后，使用車床或磨床去除多余的材料完成零件。

工業(yè)應(yīng)用中常使用的大尺寸的Timken?軸承。因?yàn)橹凶泳哂泻軓?qiáng)的穿透性，它們能比類似的方法，如X射線，更深入地滲透至金屬內(nèi)部。每個(gè)軸承的殘留應(yīng)力來(lái)自制造過(guò)程中的不同步。(圖片來(lái)源：ORNL/GenevieveMartin)

由于中子具有很強(qiáng)的穿透性，可為研究人員提供材料原子結(jié)構(gòu)的獨(dú)特信息。此前，研究人員利用實(shí)驗(yàn)室X光檢查軸承，但研究人員只能探測(cè)軸承內(nèi)部200微米的厚度。中子使他們能夠更深入地觀察軸承的全部。

“標(biāo)準(zhǔn)的X光強(qiáng)度不足以從一個(gè)部分完全穿透。中子是唯一可以看到完整內(nèi)部的途徑?！盉edekar說(shuō)

利用ORNL的高通量同位素反應(yīng)堆(HFIR)的中子殘余應(yīng)力繪圖設(shè)備(NRSF2)HB-2B，研究人員能夠繪制出制造過(guò)程中每個(gè)步驟產(chǎn)生的不同內(nèi)部應(yīng)力。中子數(shù)據(jù)使他們能夠觀察軸承的應(yīng)力狀態(tài)如何隨著每次迭代而變化。研究人員說(shuō)他們選擇使用NRSF2是因?yàn)樗m合這類實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特能力。

Timken的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)專家RohitVoothaluru說(shuō)：“我們?cè)趯で罄脷堄鄳?yīng)力圖的方法。我們之所以來(lái)到NRSF2，是因?yàn)槲覀冇X(jué)得可以找到同類樣品的整體情況并看到殘余應(yīng)力?！?/p>

該小組表示，他們打算利用殘余應(yīng)力映射數(shù)據(jù)改進(jìn)計(jì)算模型，以改進(jìn)內(nèi)部應(yīng)力預(yù)測(cè)和優(yōu)化制造工藝。

Bedekar表示：“最終，我們可以根據(jù)不同軸承的性能來(lái)調(diào)整加工工藝或殘余應(yīng)力。”

“我們今天有一個(gè)計(jì)算模型可以定性地提供方向。但是，要建立一個(gè)更為基本的、基于實(shí)際物理工藝的定量模型，同時(shí)還要捕捉實(shí)時(shí)的次表層殘余應(yīng)變，需要大量的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證。我們希望驗(yàn)證我們的模型并將其提升到一個(gè)新的級(jí)別?！盫oothaluru說(shuō)。

HFIR是美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。UT-Battelle為能源部科學(xué)辦公室管理ORNL。科學(xué)辦公室是美國(guó)物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大單一支持者，正在努力解決我們這個(gè)時(shí)代最緊迫的一些挑戰(zhàn)。

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