Os rolamentos são usados ​​em muitas aplicações comuns, como rodas, treinos, e até brinquedos como o popular spinner de fidget. Essas aplicações e outras como elas dependem de rolamentos para permitir suavidade, movimento eficiente para milhões de rotações.

Pesquisadores da The Timken Company, um fabricante líder internacional de rolamentos, estão usando espalhamento de nêutrons no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) para estender a vida útil dos rolamentos, obtendo uma melhor compreensão de como as tensões residuais internas criadas durante o processo de fabricação afetam seu desempenho.

Os rolamentos são fabricados com precisão para ter tolerâncias estreitas e se encaixam perfeitamente, e são projetados para durar muitos anos sob cargas extremas e uso e operação extensivos. O desempenho é especialmente importante em áreas como aeroespacial e mineração, onde a segurança é vital. Contudo, tensões residuais - que são pequenas deformações elásticas internas na estrutura do material - podem ter um impacto significativo na redução da vida útil e da confiabilidade de um rolamento.

“As tensões residuais são geradas principalmente pelo processo de fabricação, "disse Vikram Bedekar, especialista em materiais na Timken. "Todos os processos pelos quais eles passam - remodelagem e exposição a altas temperaturas - criam estresse residual. Se você tem muitos estresses, a parte pode distorcer. Pode distorcer tanto que você não pode usar ou recuperar a peça. "

Em geral, a fabricação de rolamentos começa com o aço formado na forma de um anel. Próximo, um torno é usado para obter o tamanho desejado. Nesse ponto, a parte ainda está "verde, "diz Bedekar, o que significa que ainda é considerado macio e não está pronto para uso. Um tratamento térmico é então aplicado para endurecer o material. Finalmente, a peça é finalizada com um torno ou esmeril para remover o excesso de material.

Os nêutrons fornecem aos pesquisadores uma visão única da estrutura atômica de um material devido às suas propriedades de alta penetração. Anteriormente, os pesquisadores estavam usando raios-x de laboratório para observar os rolamentos, mas os pesquisadores só conseguiram sondar até 200 mícrons dentro de um rolamento. Os nêutrons dão a eles a capacidade de observar seções inteiras de rolamentos em profundidades maiores.

"Os raios-x padrão não são fortes o suficiente para percorrer todo o caminho através de uma seção, "disse Bedekar." Os nêutrons são a única maneira de passar por ele e ver o interior.

Usando a facilidade de mapeamento de tensão residual de nêutrons (NRSF2), HB-2B, no reator de isótopo de alto fluxo (HFIR) de ORNL, os pesquisadores foram capazes de mapear as diferentes tensões internas de cada etapa do processo de fabricação. Os dados de nêutrons permitiram que eles observassem como o estado de tensão de um rolamento muda a cada iteração. Os pesquisadores dizem que optaram por usar o NRSF2 porque ele é adequado exclusivamente para esse tipo de experimento.

"Estávamos procurando o que podemos fazer em termos de mapeamento de tensões residuais, "disse Rohit Voothaluru, especialista em desenvolvimento de produtos na Timken. "Chegamos ao NRSF2 porque sentimos que poderíamos caracterizar toda a gama de amostras e ver as tensões residuais."

A equipe afirma que pretende usar os dados de mapeamento de tensão residual para melhorar seus modelos computacionais para melhores previsões de tensão interna e processos de manufatura otimizados.

"Eventualmente, podemos adaptar o processamento ou adaptar a tensão residual ao desempenho desejado do rolamento, "disse Bedekar.

"Temos um modelo computacional hoje que pode fornecer direção qualitativamente, "disse Voothaluru." Mas para ter um modelo quantitativo mais fundamentalmente dirigido que é baseado na física real do processo, ao mesmo tempo em que captura a deformação residual subsuperficial em tempo real, é algo que requer extensa validação empírica. Queremos validar nosso modelo e levá-lo para o próximo nível. "