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中子散射

发布时间:2021-04-01

中子工程材料衍射谱仪

散裂中子源是研究中子特性、探测物质微观结构和运动的科研装置,可带动物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药、国防科研和新型核能开发等学科发展。中国散裂中子源(CSNS)是发展中国家拥有的第一台散裂中子源,和正在运行的美国、日本与英国散裂中子源一起,构成世界四大脉冲散裂中子源。



研究院与散裂中子源科学中心正在合作建设的散裂中子工程材料衍射谱仪,是一台可以看到工程材料内部原子间距的“超级显微镜”,能够系统研究工程材料与部件服役过程中材料微观结构和宏观应力、相转变相应力、晶粒间应力和择优取向等全面信息。



简介

工业应用中子技术团队目前共有6名成员,包括研究员3名,助理研究员3名,其中博士学位4人,硕士学位2人。该研究团队主要的科研方向是散裂中子工程材料衍射谱仪建设和样品环境开发;工业应用中子散射技术的开发;工业应用课题的研究。


中子应用技术是研究院的特色研究方向,以工业应用为导向,开展中子散射技术在工程材料的应用研究。主要方向有利用中子衍射技术开展工程材料残余应力、相变分析、微观力学、织构研究;利用中子成像技术开展材料内部缺陷、孔洞、界面等二维或三维形貌研究;利用中子小角散射技术开展材料纳米析出相和纳米缺陷的尺寸和含量分析研究;利用中子活化技术开展材料元素成分,尤其是微量元素和痕量元素分析研究;拓展中子散射大科学装置在工业领域的应用范围。



研究方向

①  工程材料衍射谱仪及样品环境的研制;

②  中子衍射应力及织构测量表征;

③  中子成像材料内部结构缺陷表征;

④  中子小角散射材料纳米尺寸结构表征;

⑤  中子活化分析材料元素成分表征。


应用案例

双面埋弧焊UOE直缝焊管残余应力

海底油气输送管道的铺设多采用双面埋弧焊(DSAW) UOE 直缝焊管,而UOE 直缝焊管焊缝处残余应力的水平和分布会直接影响用它们所铺设的管道的结构完整性和服役寿命。目前根据BS7910标准对油气管道进行结构完整性评估时,在未知焊缝处残余应力量值的情况下,需将其最大值假设为母材屈服强度的当量水平并且是处于拉伸状态,极有可能导致管道的安全设计过于保守。因此,有必要对UOE直缝焊管的焊接残余应力进行表征,从而了解焊接残余应力的真实水平。


UOE直缝焊管以钢板为原料,经过弯边、U成形、O成形、内外道双面埋弧焊、最后经过机械扩径完成生产。测量管件外径18英寸(457.2mm),壁厚1英寸(25.4mm),材质为X65钢,利用中子衍射法对该管件焊缝处残余应力进行测量。样件370mm长,中子取样测量体积为4×4×4mm3,从双面埋弧焊UOE直缝焊管机械扩径后焊缝残余应力中子衍射法测量结果可知,焊缝处最大拉伸残余应力仅为250MPa,不到母材钢板实际屈服强度(516MPa)的一半,具体在焊缝的中心线上,距外表面约8mm处。




飞机组件巡航高度的低温残余应力

现代飞机组件为了减轻重量,逐步采用金属和非金属的复合材料,相对于传统金属材料有显著优势。但是由于不同材料各自的热膨胀系数不同,会在金属组件内部产生额外的残余拉应力,对结构的抗疲劳性能可能产生不利影响。在一万米的飞机巡航高度下,大气温度约为-50℃,飞机复合材料结构内部的残余拉应力水平相对地面温度有明显增大。团队研究了钛合金增强的铝合金拉伸复合样品。复合样品在120℃下制备而成,应变测量分别在室温和-50℃下完成。结果显示测得的残余应力峰值在室温下约为40MPa,而在-50℃下约为70MPa。相关实验数据有助于进一步分析飞机结构部件的抗疲劳性能。




实验和模拟应力结果对比


异种钢焊接原位热处理残余应力

在海底石油、天然气开采行业中,常常会有异种金属焊接需求,如低合金钢锻件和管线钢之间的焊接,由此产生的异种金属焊接接头在焊接及焊后热处理过程中均会产生较大的残余应力。为了消除应力集中、减缓焊接残余应力,常常会在低合金钢锻件上堆焊一层中间材料(通常是Alloy 625),并以此消除热处理对油气管道异种金属焊接接头的不利影响。但是,低合金钢锻件与堆焊层材料在热处理中也会因为应力集中和微观结构变化导致氢脆现象的产生。团队以8360M低合金钢和Alloy625堆焊材料为例进行热处理前、热处理过程中及热处理后的原位中子衍射实验,取样测量体积为2×2×2mm3,通过对焊接接头处多点进行测量,可以定量地得到接头处两种焊接材料内部的应力再分布情况,实验同时表明通过合理的热处理工艺,试样三个方向上的应力集中均有减少,其中最明显是Alloy625侧,最大残余应力释放位置距连接界面约10mm处,横向残余应力降低了约400MPa。相关实验对于热处理工艺和效果给出了定量的数据支持。对于原位热处理实验,也体现了中子穿透力较强的能力,可以穿透热处理包层材料获得内部样品的衍射信号,同时也需考虑尽可能优化中子路径,减少中子在材料中的穿透长度,以降低中子强度的衰减,节省测量时间。




原位高温相变研究

利用中子衍射原位研究了热机械控制处理(TMCP)过程中的相变行为。试样为圆柱形低合金钢,奥氏体化后淬火处理,初始组织是马氏体。加热过程中,随着温度的升高,观察到渗碳体析出以及铁素体到奥氏体的相变行为。冷却过程中,通过衍射图谱观察到奥氏体到铁素体和珠光体的转变,实验结果揭示了近平衡的微观结构变化。通过TMCP模拟实验,研究发现高温下奥氏体的塑性变形促进了铁素体的相转变。



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