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一種簡單的新方法!大幅提升鋁合金疲勞性能,Nature子刊

編輯推薦:本文提出了新的改善鋁合金疲勞壽命的方法,可大幅提高析出強化鋁合金的高周疲勞性能,疲勞壽命增加了一個數量級甚至更多,且疲勞強度增加到抗拉強度的1/2(與鋼基本持平)。該方法可以應用于其他含無析出帶的析出強化合金疲勞性能提高。


鋁(Al)合金是當今僅次于鋼的第二廣泛應用工程合金。與鋼相比,其密度是鋼的1/3,并且具有非磁性、優異的耐腐蝕性等。析出強化鋁合金也可以加工成相對堅硬的材料,因此其特殊的機械性能(比強度高)在輕量化應用中占有重要地位,在飛機、火車、汽車等運輸業中的應用越來越廣泛。運輸結構需承受交變力,并且材料承受的應力本質上是周期性的,所以材料的抗疲勞性是至關重要的。高強度鋁合金的疲勞性能較差,疲勞強度約為其抗拉強度的1/3,這是鋁合金致命弱點之一,大大限制了鋁合金的應用范圍。盡管材料科學家努力調控鋁合金的微觀結構使其更加堅硬,但疲勞強度的提高遠不及鋼。

 

澳大利亞莫納什大學的研究人員提出一種替代性的概念方法,可大幅提高析出強化鋁合金的高周疲勞(HCF)性能,鋁合金的疲勞壽命增加了一個數量級甚至更多,且疲勞強度增加到抗拉強度的1/2(與鋼基本持平)。相關論文以題為“Training high-strength aluminum alloys to with stand fatigue”發表在Nature Communications


論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19071-7


本研究使用的是凱撒鋁業生產的商用鋁合金AA2024、AA6061和AA7075合金。合金有棒狀和板狀,棒材用于拉伸和疲勞試驗,板材用于疲勞裂紋擴展(FCG)試驗。合金在鹽浴中固溶處理空冷以模仿工業冷卻過程,在油浴中時效,部分進行欠時效(UA),另一部分進行峰時效處理(PA),時效后合金保存在-35℃冰箱中,盡量減少自然時效。

 

研究發現UA態的合金屈服強度和抗拉強度均小于PA態,但是具有更高的疲勞壽命。析出強化鋁合金的關鍵特征是在靠近晶界處存在無析出帶(PFZ),雖然UA和PA析出強化鋁合金均包含PFZ,但在高周疲勞載荷下其行為不同。UA態下PFZ中含有溶質,在早期疲勞過程中,微塑性位于軟的PFZ中,但位錯運動會產生空位,從而促進動態析出并增強PFZ,動態析出相尺寸為1nm量級;在循環過程中,PA樣品的PFZ也具有一定的可塑性,但是由于它們都是空位且溶質已被耗盡,位錯運動產生的空位沒有溶質來促進動態析出,因此沒有得到強化。

 

表1 鋁合金成分及熱處理工藝


圖1 三種鋁合金的疲勞強度與抗拉強度

 

可以看出,本文是提出了提高鋁合金疲勞性能的一種方法,應用一種特定的循環訓練方案,通過動態析出來修復PFZ,以減小晶粒內部與PFZ之間的強度差。在0.2Hz時進行完全反向循環(R=-1)訓練,AA2024進行450個循環;AA6061進行700個循環;AA7075進行450個循環。訓練后AA2024合金的疲勞壽命提高了一個數量級;與PA狀態相比,受過訓練的AA7050的壽命提高了25倍,疲勞強度接近抗拉強度的1/2;AA6061改善較少。


圖2 欠時效(UA),峰時效(PA)和訓練后的合金的高循環疲勞(HCF)SN曲線和PFZ


圖3 具有明顯的PFZ AA2024,AA7050和AA6061合金的表面演變


圖4 HCF變形后PFZ的微觀結構的LAADF-STEM圖


圖5 UA態合金的循環訓練和循環訓練過程中的顯微組織演變

 

綜上,本文提出了新的改善鋁合金疲勞壽命的方法,該方法包含了靜態和動態載荷之間的差異,并利用與疲勞初始循環相關的機械能來設計微觀結構,以抵抗塑性局部化,同時顯著增加疲勞裂紋的萌生時間。該方法可以應用于其他含PFZ的析出硬化合金的疲勞性能提高。

(文:破風)

本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。

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2020年11月25日 13:11 一寒如此 [山东省平阴县网友]

请问怎么问你们定购钢管?

2020年11月25日 12:57 [云南省网友]

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2020年11月25日 7:26 未雨绸繆 [辽宁省黑山县网友]

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ST44 你们可以做吗?加我QQ784568646 详聊。

2020年11月25日 4:24 [黑龙江省鸡西市网友]

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2020年11月25日 3:55 [辽宁省市辖区网友]

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2020年11月25日 2:16 诛笑靥 [福建省泰宁县网友]

别的不多说,真的很专业。

2020年11月25日 0:30 [江西省井冈山市网友]

中国的钢厂真多,但是很多技术还是不如国外的。.

2020年11月25日 0:19 没心跳 [湖北省市辖区网友]

A106 可以生产不?

2020年11月25日 0:03 [广西壮族自治区桂平市网友]

这篇文章我在某微信公众号面也看到了,原来你是原创呀!

2020年11月24日 23:35 [贵州省瓮安县网友]

有世界钢号对照表吗?发一个给我,我的QQ邮箱是:15563456@qq.com

2020年11月24日 23:13 温柔 [内蒙古自治区西乌珠穆沁旗网友]

EN10305-4 E235 14*1 可以生产吗?

2020年11月24日 22:53 [西藏自治区定日县网友]

45# 钢 可以生产不?

2020年11月24日 22:13 [贵州省安顺市网友]

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2020年11月24日 19:32 金石为开 [湖北省公安县网友]

一直关注你们常州精密钢管博客,天天来逛的,看看有没有什么干货。

2020年11月24日 19:28 苦酒满 [山东省梁山县网友]

这篇文章写的很专业。

2020年11月24日 19:10 白天的笑意 [甘肃省庆阳市网友]

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2020年11月24日 19:01 余空 [河南省沈丘县网友]

钢铁的知识真是渊博呀!

2020年11月24日 18:50 [西藏自治区萨嘎县网友]

看到您的这个博客,我算知道了,什么叫专业。

2020年11月24日 18:26 长风大侠 [重庆市江北区网友]

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2020年11月24日 16:29 [四川省梓潼县网友]

35# 钢可以生产?

2020年11月24日 15:06 [内蒙古自治区东胜区网友]

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