Разработана новая технология измерения деформации материала на атомном уровне

Используя нейтроны для наблюдения за процессом аддитивного производства на атомном уровне, ученые показали, что они могут измерять деформацию материала в процессе его эволюции и отслеживать, как атомы перемещаются в ответ на напряжение.

Автомобильная, аэрокосмическая, экологически чистая энергетика, инструментальная и штамповочная промышленность — любая отрасль, где нужны сложные и высокопроизводительные детали, — может использовать аддитивное производство», — сказал Алекс Плотковски, материаловед из Отдела материаловедения и технологий ORNL и ведущий научный сотрудник эксперимента. Плотковски и его коллеги сообщили о своих результатах в журнале Nature Communications.

Ученые ORNL разработали OpeN-AM — платформу для 3D-печати, которая позволяет измерять развивающиеся остаточные напряжения в процессе производства с помощью пучковой линии VULCAN на источнике нейтронов Spallation Neutron Source (SNS) в ORNL, являющемся пользовательским центром Управления по науке Министерства энергетики. В сочетании с инфракрасной съемкой и компьютерным моделированием эта система позволяет получить беспрецедентное представление о поведении материала в процессе изготовления.

В данном случае использовалась сталь с низкотемпературным превращением, или LTT, при этом с помощью платформы OpeN-Am физически измерялось, как атомы перемещаются в ответ на напряжение, будь то температура или нагрузка.

Остаточные напряжения — это напряжения, которые сохраняются даже после снятия нагрузки или устранения причины напряжения; они могут деформировать материал или, что еще хуже, привести к его преждевременному разрушению. Такие напряжения представляют собой серьезную проблему для изготовления точных деталей с желаемыми свойствами и характеристиками.

Ученые задумали и в течение двух лет проводили эксперимент, позволяющий измерять деформацию материала в процессе его эволюции, что определяет характер распределения напряжений.

Производители смогут регулировать остаточные напряжения в своих компонентах, повышая их прочность, делая их легче и придавая им более сложные формы. Эта технология может быть применена ко всему, что вы хотите производить, — сказал Плотковски.

«Мы успешно продемонстрировали, что такой способ существует», — сказал он. „Мы демонстрируем, что понимаем связь в одном случае, чтобы предвидеть другие случаи“.

За эту технологию ученые недавно получили награду R&D 100 Award 2023. Журнал R&D World объявил победителей в августе. Плотковски и другие победители будут отмечены на церемонии награждения 16 ноября в Сан-Диего.

Ученые использовали специальную платформу для аддитивного производства с проволочной дугой, чтобы провести так называемую нейтронную дифракцию в режиме операндо для LTT-металла в SNS. С помощью линии VULCAN SNS они обрабатывали сталь и регистрировали данные на различных этапах производства и после охлаждения до комнатной температуры. Для подтверждения результатов дифракционные данные совмещались с ИК-изображениями. Система была спроектирована и построена на производственно-демонстрационном комплексе (Manufacturing Demonstration Facility, или MDF), являющемся консорциумом пользователей Управления перспективных материалов и производственных технологий МЭ, где также была построена копирующая система платформы для планирования и тестирования экспериментов перед их проведением на пучковой линии.

В SNS работает линейный ускоритель частиц, генерирующий пучки нейтронов для изучения и анализа материалов на атомном уровне. Разработанный ими исследовательский инструмент позволяет ученым заглянуть внутрь материала в процессе его производства, буквально наблюдая за работой механизмов в режиме реального времени.

Сталь LTT была расплавлена и послойно нанесена на поверхность. По мере застывания и охлаждения металла его структура изменялась в результате так называемого фазового превращения. При этом атомы перестраиваются, занимают другое пространство, и материал ведет себя по-другому.

Обычно превращения, происходящие при высоких температурах, трудно понять, рассматривая материал только после обработки. Наблюдая за сталью LTT в процессе обработки, ученые показали, что они могут понимать фазовые превращения и управлять ими.

«Мы хотим понять, что представляют собой эти напряжения, объяснить, как они возникли, и выяснить, как ими управлять», — сказал Плотковски.

Эти результаты открывают новый путь к созданию желательных остаточных напряжений и распределений свойств в компонентах аддитивного производства путем использования средств управления процессом для улучшения неравномерных пространственных и временных изменений тепловых градиентов вблизи ключевых температур фазового превращения, — пишут авторы.

Плотковски надеется, что ученые со всего мира приедут в ORNL, чтобы провести аналогичные эксперименты с металлами, которые они хотели бы использовать в производстве.

16.10.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ

Образовательное пространство Технологическое м...

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов

Новости компаний, релизы

Московский вуз готовит профессионалов для защиты учебных заведений
Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Московский Политех и ведущие российские компании запускают 79 практико-ориентированных образовательных программ
Студенты Университета МИСИС выиграли 2.8 млн рублей в хакатоне «Лидеры цифровой трансформации»
U-NOVUS 2024: технологическое развитие России немыслимо без университетов и инвестиций бизнеса в техпред