鋁合金是當(dāng)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(wú)磁性，具有優(yōu)異的耐腐蝕性。沉淀強(qiáng)化鋁合金也可以加工成相對(duì)堅(jiān)固的鋁合金，因此其特定的機(jī)械性能（性能／密度）在重量減輕很重要的應(yīng)用中提供了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。例如運(yùn)輸應(yīng)用，如飛機(jī)、火車(chē)、卡車(chē)和汽車(chē)。運(yùn)輸業(yè)強(qiáng)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(diǎn)，這就類(lèi)似于一個(gè)回形針來(lái)回彎曲，直到它斷裂，這也被科學(xué)家稱(chēng)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?；诖?，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(diǎn)。

具體來(lái)說(shuō)，研究人員重點(diǎn)研究了這種疲勞的根本原因，即無(wú)沉淀區(qū)（PFZ）。這些是鋁合金中通過(guò)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(diǎn)，然后在最終使材料斷裂之前形成裂紋。

隨后，研究人員通過(guò)利用交變應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)械能來(lái)干預(yù)這一過(guò)程的早期階段。更具體地說(shuō)，研究小組想出了一種方法，捕捉在材料上施加應(yīng)力時(shí)形成的新粒子，并利用這些粒子來(lái)強(qiáng)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(qiáng)度。

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

結(jié)果證實(shí)，高強(qiáng)度鋁合金的疲勞壽命提高了25倍，疲勞強(qiáng)度提高到拉伸強(qiáng)度的1／2左右。這對(duì)運(yùn)輸制造業(yè)來(lái)說(shuō)將是一個(gè)重大成果。

其研究結(jié)果已發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

責(zé)編AJX