La grande profondeur de pénétration et la longueur d'onde caractéristique des neutrons les rendent bien adaptés aux recherches sur les matériaux. Des échantillons peuvent être étudiés à des températures atteignant 2000°C ou baissant jusqu'à 1,5 K (-272°C). Des échantillons peuvent aussi être étudiées sous des charges de tension et de compression (jusqu'à 45 kN), qu'il s'agisse d'échantillons en forme d'os de chien standard ou d'échantillons en U et à tension compactes. Il est possible d'étudier des échantillons sous charge et à des températures élevées (jusqu'à 550°C).

D'autres environnements, comme un potentiel électro-chimique et des environnements hostiles, ont été mis au point. Nous pouvons aussi étudier des échantillons radioactifs. Nous développons des nouveaux environnements pour répondre aux besoins des utilisateurs; un four pour la détermination de la texture crystallographique à des températures élevés et un système de soudage in-situ, par exemple, sont en cours de mise au point.

Dans la plupart des cas, des mesures peuvent être effectuées de façon non destructrice qui laissent l'échantillon intact pour des mesures subséquentes à l'aide d'autres techniques. Une préparation spéciale de la surface n'est, typiquement, pas nécessaire. En raison de la profondeur importante de pénétration des neutrons, il est relativement facile de créer une variété de milieux d'échantillons pour effectuer des expériences in-situ. Les avantages de ces propriétés favorables sont clairement illustrés par la variété des techniques et des utilisations brièvement décrites ci-dessous.

Exploration de la contrainte résiduelle

Des cartes tridimensionnelles de la contrainte interne résiduelle dans des composants techniques, comme des assemblages soudés, des tuyaux, des rails, des tôles pliées, des pales de turbines et des disques de turbines, sont dressées de façon non destructrice. La technique peut être utilisée pour évaluer des procédés de fabrication, comme le traitement thermique, la modification de surface, le forgeage, le redressement et le soudage. Les données peuvent être obtenues pour une grande variété de matériaux, dont l'acier, l'aluminium, le titane, le zirconium, des alliages de nickel, des céramiques et des matériaux composites. Les mesures sont typiquement effectuées dans des éléments de volume de l'ordre de 1 mm³ (mais des éléments de volumes supérieurs ou inférieurs ont été utilisés avec succès), avec une précision typique de ±10 à ±20 MPa.

Texture cristallographique

Une analyse quantitative des orientations privilégiées des cristallites permet de caractériser des procédés qui conduisent à des matériaux ayant des propriétés à renforcement directionnel, comme la résistance à la corrosion, la limite d'élasticité conventionnelle, la résistance au fluage, la rigidité élastique et l'expansion thermique. Les données peuvent être obtenues pour une grande variété de matériaux, dont l'acier, l'aluminium, le titane, le zirconium, des alliages de nickel, des céramiques et des matériaux composites.

Analyse des contraintes intergranulaires

Des matériaux polycristallins présentent des contraintes entre des grains voisins dues à des différences directionnelles dans des propriétés élastiques, d'une déformation plastique ou d'une expansion thermique. Des traitements thermiques et mécaniques des matériaux génèrent des contraintes intergranulaires qui peuvent être avantageuses ou nuisibles. La diffraction neutronique constitue la meilleure méthode de mesurer les tensions dans une phase minoritaire imbriquée dans une matrice. La dépendance (hkl) de tensions résiduelles après une déformation plastique ou un traitement thermique de matériaux monolithiques peut aussi être étudiée.

Transitions de phase

Les dessins de diffraction neutronique fournissent un outil de cartographie des diagrammes de phases dans des matériaux à l'aide d'un contrôle direct des paramètres environnementaux, comme la température (270°C à 2000°C), le champ magnétique (jusqu'à 9 T), la pression (jusqu'à 3 GPa), l'atmosphère (oxygène, azote, gaz inertes, vide) et l'humidité. Les phases sont identifiées par des crêtes de diffraction caractéristiques dont l'intensité est liée à l'état du matériau, comme la fraction volumique de chaque phase, des facteurs stucturaux de chaque phase, la magnétisation, l'ordonnance des alliages, etc.

Analyse de fraction de volume

Des dessins de diffraction de neutrons sont analysés pour déterminer les fractions de volumes de composants dans des matériaux composites, comme des céramiques calibrées, des composites à matrice de métaux et des précipités dans des alliages. Des fractions de volume aussi faibles que 0,1 % peuvent être mesurées. Des données peuvent être obtenues sous forme de moyenne volumique d'un matériau brut ou d'une exploration spatiale non destructrice de l'intérieur d'un composant.

Diffraction en résolution temporelle

Des dessins de diffraction complets des neutrons sont acquis en fonction du temps pour étudier la cinétique des processus dans des matériaux industriels, comme la croissance des précipités dans des alliages traités thermiquement, la formation de calamine à haute température et les réactions des phases dans des composites. Dans des composants vibrant ou en rotation, le dessin de diffraction des neutrons peut être repris périodiquement pour étudier la réponse du matériau à des points particuliers de chaque cycle. Dans certains cas, la dépendance temporelle de la déformation peut être mesurée.