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莫纳什的工程师将高强度铝合金的疲劳寿命提高了25倍

莫纳什大学工程师进行的一项全球首次研究表明,高强度铝合金的疲劳寿命提高了25倍,这对运输制造业而言是一个重大成果。

研究人员于今日(2020年10月15日,星期四)发表在著名的《自然通讯》杂志上,证明高强度铝合金的疲劳性能差是由于被称为“沉淀自由区”(PFZs)的薄弱环节所致。

由澳大利亚莫纳什大学材料科学与工程学教授克里斯托弗·哈钦森教授领导的团队能够制造铝合金微结构,该微结构可以在运行中修复薄弱环节(即一种自修复形式)。

与当前最先进的合金相比,高强度铝合金的使用寿命可提高25倍。

铝合金是当今使用的第二流行的工程合金。与钢相比,它们重量轻(密度的1/3),无磁性且具有出色的耐腐蚀性。

铝合金对于运输应用很重要,因为它们很轻,可以提高燃油效率。但是,与类似强度的钢相比,它们的疲劳性能非常差。

哈钦森教授说,在使用铝合金进行运输时,该设计必须补偿铝合金的疲劳极限。这意味着使用了比制造商想要的更多的材料,并且结构比我们想要的更重。

哈钦森教授说:“所有工程合金的故障中有百分之八十是由于疲劳引起的。疲劳是由于交变应力而引起的故障,在制造和工程行业中是很重要的。”

“想将金属回形针拿在手中,然后尝试弄碎金属。一个不能。但是,如果您以一种方式弯曲它,然后以另一种方式弯曲,来回往复多次,金属就会破裂。

“这是'疲劳破坏',并且是运输应用中使用的所有材料的重要考虑因素,例如火车,汽车,卡车和飞机。”

疲劳失效会分阶段发生。替代应力导致微塑性(由于应力而发生永久性变化),并在材料的薄弱环节以塑性局部化的形式积累损伤。

塑性定位会催化疲劳裂纹。该裂纹扩展并导致最终断裂。

研究人员使用市售的AA2024,AA6061和AA7050铝合金,在疲劳的早期循环中利用赋予材料的机械能来修复微观结构(PFZ)中的薄弱点。

这极大地延迟了塑性的定位和疲劳裂纹的产生,并延长了疲劳寿命和强度。

哈钦森教授说,随着对节油,轻便和耐用的飞机,汽车,卡车和火车的需求不断增长,这些发现对于运输制造业可能是重要的。

他说:“我们的研究表明,在动态载荷应用中,铝合金的微观结构设计发生了概念上的变化。”

“我们没有设计出坚固的微观结构,而是希望它在疲劳载荷期间尽可能长时间地保持稳定,我们意识到,微观结构会因动态载荷而发生变化,因此,我们设计了一种初始的微观结构(可能具有较低的静态强度),会发生变化,从而显着改善其疲劳性能。

“在这方面,对结构进行了培训,并采用了培训计划来修复可能代表薄弱点的PFZ。该方法是通用的,可以应用于其他疲劳性能是重要考虑因素的含PFZ的沉淀硬化合金。。”

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