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中国首台散裂中子工程材料衍射谱仪
发布时间：
2017-07-14 00:00
来源：
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1998年6月3日，欧洲，德国，慕尼黑
400多名乘客登上884号德国高铁前往汉堡
德国高铁是世界上最快的列车之一
一直以豪华舒适和安全著称
然而884号高铁却在行驶途中意外出轨
以200公里时速撞毁
101位乘客在短短的180秒中丧生
成为有史以来最严重的高铁事故
而这一切仅仅因一个老化、破损的车轮而起。
事实上，无论是高铁的轮轨，还是飞机的涡轮、机翼里都存在着残余应力。材料及其构件中的残余应力，对其疲劳强度、抗腐蚀能力、尺寸稳定性及使用寿命等均有着十分重要的影响。但是这个应力看不见、摸不着，只有将它研究清楚，才能从根本上避免此类灾难的发生。
（上述材料来源：“中科院之声”）
CEAM所研制的散裂中子工程材料衍射谱仪，正是就能够“看清”材料内部的残余应力大小及分布的理想工具，这对于我国自主化、本土化开展材料与装备制造领域的重大、核心和关键技术问题研究与攻关，解决并探索一系列重大关键科学问题，具有重大的现实意义。
中国首台散裂中子工程材料衍射谱仪
CEAM所研制的散裂中子工程材料衍射谱仪，其目的是在材料与制造学科，对材料与构件的“应力-结构-工艺-性能-寿命”之间的作用机制进行科学前沿探索，并为实际工程中的材料与关键构件研制提供检测研究手段。
功能展示
散裂中子工程材料衍射谱仪将具备应变、应力、织构和布拉格截断透射成像等功能，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、相和晶粒间应力情况，夹杂物和沉淀物形状、尺寸等全面信息。将重点解决应力工程技术在先进工程材料原材料开发与设计、设备加工制造、服役性能评价的应用等环节的关键技术问题。
技术定位
在设计建造过程中，CEAM将借鉴国际上一流的中子应力和织构工程谱仪等的成功经验，吸取成熟技术，开发出可使样品处的中子强度提高、中子探测器分辨率改善、测量效率提高的创新应用技术，同时配置50微米高精度机器手样品定位、1800℃超高温原位拉伸样品环境、3D打印过程在线测量、谱仪虚拟操作仿真平台等先进手段，使建成的无损探测中子谱仪既具有中国自己的技术特点，又具备世界一流水平的技术能力。
拟解决的科学问题
工程材料中残余应力相关的科学问题
在极高温状态下服役的航空发动机涡轮盘、涡轮叶片及其涂层制造过程产生的内部残余应力可能导致构件工作过程的变形、影响燃气轮机工作状态和效率，甚至导致构件早期失效，有效表征并评价残余应力对服役性能的影响，是保证航空发动机安全长寿高效运行的基础。
英国罗罗航空发动机公司与英国散裂中子源张书彦教授团队长期开展高温材料和焊件的残余应力检测研究等方面的合作研究，充分利用中子检测技术作为核心研发技术，以残余应力为指标参数，对材料性能和焊接等工艺进行改进优化，大大提高了产品的质量和安全性。改良后的焊接技术进一步在市场上推广应用，获得了巨大的经济效益。
先进工程材料设计和开发过程中的科学问题
世界著名钢铁公司塔塔钢铁集团英国研发技术中心与英国散裂中子源张书彦教授团队合作开展UOE海底管道制造工艺改进研究，UOE海底管道在设计过程中，通过有限元模拟分析预测焊接残余应力，随后通过中子衍射实验加以验证，测量结果表明，焊接区域的残余应力最大值比工艺标准中的假设值约小一半。据此，塔塔钢铁公司调整管道材料的厚薄程度，大大节省了材料成本，并获得了大批国际石油和天然气企业上亿英镑的订单。
先进工程材料设备加工制造中的科学问题
Magnesium Elektron公司高强度镁合金Elektron WE43在铸造时很容易发生铸坯断裂的问题，成品率较低。其原因就是在于镁合金在加工制备过程中应力集中产生了裂纹，裂纹逐渐扩展造成断裂。
通过与英国散裂中子源张书彦教授团队合作，利用有限元模拟计算可以得到材料加工过程中的残余应力场，模拟计算结果的正确性和有效性利用中子衍射测量结果进行验证，验证过的理论模型可以更加准确有效的预测材料内部的残余应力分布，进而分析裂纹产生过程和应力分布的关系，以此为指导改善工艺参数，最终成功解决了镁合金铸坯断裂的问题，提高了成品率。
先进工程材料服役性能评价中的科学问题
火车轮的服役寿命和服役安全与内部残余应力分布状态密切相关。为了研究火车轮的服役性能，瑞士PSI研究中心科学家研究了不同服役时间的火车轮内部残余应力状态，为火车轮的服役寿命和安全评估提供量化数据，通过服役跟踪测量，不仅能知道部件内部残余应变的变化趋势，而且能建立不同服役时间与应变大小的关系，进一步分析量化评估产品部件的安全服役寿命，降低重大安全事故发生的风险。
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