科學(xué)家動態(tài)改善鋁合金的微結(jié)構(gòu)，提高鋁合金的疲勞壽命和強度

鋁合金是當今使用的第二大工程合金。

與鋼相比，鋁合金重量輕（密度為鋼的1／3），無磁性，具有優(yōu)異的耐腐蝕性。沉淀強化鋁合金也可以加工成相對堅固的鋁合金，因此其特定的機械性能（性能／密度）在重量減輕很重要的應(yīng)用中提供了競爭優(yōu)勢。例如運輸應(yīng)用，如飛機、火車、卡車和汽車。運輸業(yè)強調(diào)減輕重量以減少燃料排放，這導(dǎo)致鋁合金在這些重要應(yīng)用中的使用不斷增加。

然而，鋁可能遇到麻煩則是反復(fù)交替的應(yīng)力發(fā)展成的弱點，這就類似于一個回形針來回彎曲，直到它斷裂，這也被科學(xué)家稱為“疲勞失效”。

研究人員表示，80％的工程合金失效都是由于“疲勞”引起的，合金的“抗疲勞性”在制造業(yè)和工程工業(yè)中具有重要意義。基于此，澳大利亞科學(xué)家提出了一種解決方法，即改變鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)，使其能夠自行修復(fù)這些弱點。

具體來說，研究人員重點研究了這種疲勞的根本原因，即無沉淀區(qū)（PFZ）。這些是鋁合金中通過交變應(yīng)力形成的薄弱環(huán)節(jié)，交變應(yīng)力最初是塑性的小斑點，然后在最終使材料斷裂之前形成裂紋。

隨后，研究人員通過利用交變應(yīng)力產(chǎn)生的機械能來干預(yù)這一過程的早期階段。更具體地說，研究小組想出了一種方法，捕捉在材料上施加應(yīng)力時形成的新粒子，并利用這些粒子來強化薄弱環(huán)節(jié)，顯著延緩裂紋和斷裂的出現(xiàn)。這極大地延緩了塑性的局部化和疲勞裂紋的發(fā)生，并提高了疲勞壽命和強度。

總的來說，微結(jié)構(gòu)的設(shè)計是為了利用在初始疲勞循環(huán)中傳遞的機械能，以動態(tài)修復(fù)微觀結(jié)構(gòu)中固有的弱點。該方法包含了靜態(tài)和動態(tài)載荷之間的差異，并代表了疲勞微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念變化。

結(jié)果證實，高強度鋁合金的疲勞壽命提高了25倍，疲勞強度提高到拉伸強度的1／2左右。這對運輸制造業(yè)來說將是一個重大成果。

其研究結(jié)果已發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

責編AJX