莫納什的工程師將高強度鋁合金的疲勞壽命提高了25倍

莫納什大學工程師進行的一項全球首次研究表明，高強度鋁合金的疲勞壽命提高了25倍，這對運輸製造業而言是一個重大成果。

研究人員於（2020年10月15日）發表在著名的《自然通訊》雜誌上，證明高強度鋁合金的疲勞性能差是由於稱為「沉澱自由區」（PFZ）的薄弱環節。

由澳大利亞莫納什大學材料科學與工程學教授克里斯多福·哈欽森教授領導的團隊能夠製造鋁合金微結構，該微結構可以在運行中修復薄弱環節（即一種自修復形式）。

與當前最先進的合金相比，高強度鋁合金的使用壽命可提高25倍。

鋁合金是當今使用的第二流行的工程合金。與鋼相比，它們重量輕（密度的1/3），無磁性且具有出色的耐腐蝕性。

鋁合金對於運輸應用很重要，因為它們很輕，可以提高燃油效率。但是，與類似強度的鋼相比，它們的疲勞性能非常差。

哈欽森教授說，在使用鋁合金進行運輸時，該設計必須補償鋁合金的疲勞極限。這意味著使用了比製造商想要的更多的材料，並且結構比我們想要的更重。

哈欽森教授說：「所有工程合金的故障中有百分之八十是由於疲勞引起的。疲勞是由於交變應力而引起的故障，在製造和工程行業中是很重要的。」

「想把金屬回形針拿在手中，然後嘗試弄碎金屬。一個不能。但是，如果您以一種方式彎曲它，然後以另一種方式彎曲，來回往復多次，金屬就會破裂。

「這是'疲勞破壞'，並且是運輸應用中使用的所有材料的重要考慮因素，例如火車，汽車，卡車和飛機。」

疲勞失效會分階段發生。替代應力會導致微塑性（由於應力而發生永久性變化），並在材料的薄弱環節以塑性局部化的形式積累損傷。

塑性定位會催化疲勞裂紋。該裂紋擴展並導致最終斷裂。

研究人員使用市售的AA2024，AA6061和AA7050鋁合金，在疲勞的早期周期中利用賦予材料的機械能來修復微觀結構（PFZ）中的薄弱點。

這極大地延遲了塑性的定位和疲勞裂紋的產生，並延長了疲勞壽命和強度。

哈欽森教授說，隨著對節油，輕便和耐用的飛機，汽車，卡車和火車的需求不斷增長，這些發現對於運輸製造業可能是重要的。

他說：「我們的研究表明，在動態載荷應用中，鋁合金的微觀結構設計發生了概念上的變化。」

「我們沒有設計出堅固的微觀結構，而是希望它在疲勞載荷期間儘可能長時間地保持穩定，我們意識到，微觀結構會因動態載荷而改變，因此，我們設計了一種初始的微觀結構（可能具有較低的靜態強度），會發生變化，從而顯著改善其疲勞性能。

「在這方面，對結構進行了培訓，並採用了培訓計劃來修復可能代表薄弱點的PFZ。該方法是通用的，可以應用於其他疲勞性能是重要考慮因素的含PFZ的沉澱硬化合金。。」