Опубликованное сегодня (четверг, 15 октября 2020 г.) в журнале Nature Communications, исследователи продемонстрировали, что плохие усталостные характеристики высокопрочных алюминиевых сплавов были вызваны слабыми звеньями, называемыми «зонами, свободными от выделений» (ЗОС).
Команда под руководством профессора Кристофера Хатчинсона, профессора материаловедения и инженерии Университета Монаша в Австралии, смогла создать микроструктуры из алюминиевого сплава, которые могут излечить слабые звенья во время работы (i.е. форма самоисцеления).
Увеличение срока службы высокопрочных алюминиевых сплавов может быть в 25 раз больше по сравнению с современными сплавами.
Алюминиевые сплавы – второй по популярности технический сплав, используемый сегодня.
По сравнению со сталью они легкие (1/3 плотности), немагнитные и обладают отличной коррозионной стойкостью.
Алюминиевые сплавы важны для транспортных средств, поскольку они легкие, что повышает топливную экономичность. Но их усталостные свойства, как известно, плохие по сравнению со сталью такой же прочности.
Профессор Хатчинсон сказал, что при использовании алюминиевых сплавов для транспортировки конструкция должна компенсировать усталостные ограничения алюминиевых сплавов.
Это означает, что используется больше материала, чем хотелось бы производителям, а конструкции тяжелее, чем хотелось бы.
"Восемьдесят процентов всех отказов технических сплавов происходят из-за усталости. Усталость – это отказ, вызванный переменным напряжением, и она имеет большое значение в производственной и машиностроительной промышленности », – сказал профессор Хатчинсон.
"Представьте себе, что вы берете в руки металлическую скрепку и пытаетесь сломать ее. Невозможно. Однако, если вы согнете его в одну сторону, затем в другую и несколько раз вперед и назад, металл сломается.
«Это« отказ из-за усталости », и это важное соображение для всех материалов, используемых в транспортных средствах, таких как поезда, автомобили, грузовики и самолеты."
Отказ от переутомления происходит поэтапно. Альтернативное напряжение приводит к микропластичности (постоянное изменение из-за напряжения) и накоплению повреждений в виде локализации пластичности в слабых звеньях материала.
Пластическая локализация катализирует усталостную трещину. Эта трещина растет и приводит к окончательному разрушению.
Используя коммерчески доступные алюминиевые сплавы AA2024, AA6061 и AA7050, исследователи использовали механическую энергию, передаваемую материалам во время ранних циклов усталости, чтобы залечить слабые места в микроструктуре (PFZ).
Это сильно замедлило локализацию пластичности и возникновение усталостных трещин, а также увеличило усталостную долговечность и прочность.
Профессор Хатчинсон сказал, что эти результаты могут иметь большое значение для транспортной отрасли, поскольку спрос на экономичные, легкие и прочные самолеты, автомобили, грузовики и поезда продолжает расти.
«Наше исследование продемонстрировало концептуальные изменения в микроструктуре алюминиевых сплавов для приложений динамического нагружения», – сказал он.
«Вместо того, чтобы спроектировать прочную микроструктуру и надеяться, что она будет оставаться стабильной как можно дольше во время усталостной нагрузки, мы осознали, что микроструктура будет изменена динамической нагрузкой, и, следовательно, спроектировали исходную микроструктуру (которая может иметь более низкую статическую прочность), которая изменится таким образом, что его усталостные характеристики значительно улучшатся.
«В этом отношении структура обучается, и график тренировок используется для исцеления PFZ, которые в противном случае представляли бы слабые места. Подход является общим и может быть применен к другим дисперсионно-упрочненным сплавам, содержащим ПФЗ, для которых усталостные характеристики являются важным фактором."