陳根：研究設計微結構，面對鋁合金的「疲勞失效」

2020-10-21 陳根

文/陳根

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，具有優異的耐腐蝕性。沉澱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用中提供了競爭優勢。例如運輸應用，如飛機、火車、卡車和汽車。運輸業強調減輕重量以減少燃料排放，這導致鋁合金在這些重要應用中的使用不斷增加。

然而，鋁可能遇到麻煩則是反覆交替的應力發展成的弱點，這就類似於一個回形針來回彎曲，直到它斷裂，這也被科學家稱為「疲勞失效」。

研究人員表示，80%的工程合金失效都是由於「疲勞」引起的，合金的「抗疲勞性」在製造業和工程工業中具有重要意義。基於此，澳大利亞科學家提出了一種解決方法，即改變鋁合金的微觀結構，使其能夠自行修復這些弱點。

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

隨後，研究人員通過利用交變應力產生的機械能來幹預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力時形成的新粒子，並利用這些粒子來強化薄弱環節，顯著延緩裂紋和斷裂的出現。這極大地延緩了塑性的局部化和疲勞裂紋的發生，並提高了疲勞壽命和強度。

總的來說，微結構的設計是為了利用在初始疲勞循環中傳遞的機械能，以動態修復微觀結構中固有的弱點。該方法包含了靜態和動態載荷之間的差異，並代表了疲勞微觀結構設計的概念變化。

結果證實，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。這對運輸製造業來說將是一個重大成果。

其研究結果已發表在《自然通訊》雜誌上。

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