脉冲中子应变扫描是一种强大的非破坏性技术，能够测量工程部件内深处的应力场。现在，来自开放大学的团队和ISIS中子源已经扩展了该方法，在其引脚仪器上安装了一个专用的Instron试验台。这允许在原位应用单轴载荷对样品 - 而是进行中子测量。 中子散射应变中子应变扫描是在20世纪80年代早期发展起来的，它可以无损地测定元件表面以下几厘米处的应力状态。与穿透性更小的x射线技术类似，中子应变扫描使用晶格作为“原子应变计”。当原子晶格面受到强调时，它们之间的分离就会发生变化。由于这种分离可以从样品中子束的衍射图样中确定，如布拉格方程所描述的，应力被检测为衍射峰位置的位移。这是直接测量应变的弹性分量。 这项技术是如何起作用的应力和弹性应变通过材料的弹性常数连接。中子衍射测量限定规格体积内的弹性应变，因此可以计算该体积中的应力，所以提供了材料的弹性常数是已知的。为了确定全三维应力，必须沿着多个方向测量弹性应变。如果已知主体内的主应变方向，则必须确定至少三个正交方向。否则，需要沿进一步方向进行测量。 中子应变散射技术的优点ENGIN是世界上第一个专门设计的脉冲中子应变扫描仪。牛津郡的ISIS是世界上最强大的脉冲中子源，它的发展为英国提供了一个独特的设施。与传统的应力测量技术相比，ENGIN具有关键的优势，包括能够对几乎所有晶体材料进行非破坏性、非接触式应变测量。亚博网站下载在表面下，“体积”材料的特性可以被测量——这是任何其他技术都无法做到的——同时和分离地测量样品中多个相、多个方向的应变也是可能的。 测量中子应变散射图1显示了用于测量应力位置变化的ENGIN仪器的示意图。测量体积是通过入射缝和出射光束的径向准直来定义的。样品被放置在一个x-y-z-w平移台上，它可以相对于入射的中子束移动，允许在样品内扫描定义的测量体积。
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图1。ENGIN系统的示意图。通过样品的中子束的箭头指示路径，以及在样品的任一侧的检测器之间，位于可调阶段。 |
负载下测量向ENGIN仪器添加一个目的内置的液压应力钻机意味着外部负载可以应用于样本，同时进行中子测量。压力钻机设计成最小化重量并允许完全进入入射和衍射中子束。 有了应力测定仪，ENGIN可以用来探测材料变形时产生的内应力，或者绘制构件在负载下的应变分布。亚博网站下载图2给出了前一种用途的一个例子，它描绘了在Al/SiC金属基复合材料的拉伸试验中内部应变的典型发展。
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图2。17％SiC / Al MMC中的累积内菌株 |
案例研究-应变发展在17％的SiC / Al MMC中
最初，两相的应变随外加载荷线性增加。由于铝和碳化硅的刚度不同，两条线的梯度也不同。在屈服开始后，铝基体中的弹性应变量仅缓慢增加，而碳化硅增强体中的弹性应变增加得更快，因为载荷转移到该相。因此，对于给定的宏观荷载增量，钢筋现在承担的荷载比矩阵的更大的比例。中子测量在理解和模拟复合材料的微观力学行为中起着至关重要的作用。 案例研究 - 飞机紧固件系统飞机结构中紧固件系统的优化需要实验室关节系统生成的疲劳对比数据，这些数据准确地再现了二次弯曲和载荷传递的主要关节变量。脉冲中子应变扫描被用于在0和30kN载荷下对复杂接头内部应变分布进行无损测量，图3。接头的测试部分包含一个单剪切连接，由冷胀孔中的干涉紧固件组成。重要的是要知道这些紧固件条件对连接的载荷传递和二次弯曲特性有什么影响，因为它们可能会显著影响疲劳耐久性。
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图3。复杂的联合系统。 |
图4显示了在这些紧固件的切向截面上测量到的应变分布。它戏剧性地证实了这种紧固件系统的优越性——在操作载荷下，孔被屏蔽了有害的拉伸应变。即在30kN的拉伸载荷下，孔洞周围的应变仍保持压缩状态。
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图4。图3中连接的每个紧固件孔附近的应变分布。 |
未来发展脉冲中子应变扫描提供了许多用其他方法无法得到的材料和工程问题的见解。改变施加应力和同时改变测量位置的能力为解决迄今为止难以解决的问题打开了许多令人兴奋的机会之门。在EPSRC工程仪器开发计划的资助下，ISIS的脉冲中子应变扫描技术的进一步发展已经在进行中，该项目耗资250万英镑，旨在开发下一代中子应变扫描仪engine - x。engine - x的性能将比目前的技术提高10倍，并将测量时间缩短至每点30秒。 |