Monash-ingeniører forbedrer træthedslevetiden for højstyrke aluminiumslegeringer med 25 gange

En verdensførste undersøgelse foretaget af Monash Universitys ingeniører har vist forbedringer i træthedslevetiden for højstyrke aluminiumslegeringer med 25 gange - et væsentligt resultat for transportindustrien.

Udgivet i dag (torsdag den 15. oktober 2020) i det prestigefyldte tidsskrift Naturkommunikation , forskere påviste, at den dårlige udmattelsesevne af højstyrke-aluminiumslegeringer skyldtes svage led kaldet 'udfældningsfrie zoner' (PFZ'er).

Holdet ledet af professor Christopher Hutchinson, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Monash University i Australien, var i stand til at lave aluminiumslegeringsmikrostrukturer, der kan helbrede de svage led, mens de er i drift (dvs. en form for selvhelbredende).

Forbedringen i levetiden for højstyrke aluminiumslegeringer kan være 25 gange sammenlignet med nuværende state-of-the-art legeringer.

Aluminiumslegeringer er den næstmest populære ingeniørlegering i brug i dag. Sammenlignet med stål, de er lette (1/3 af densiteten), ikke-magnetisk og har fremragende korrosionsbestandighed.

Aluminiumslegeringer er vigtige til transportanvendelser, fordi de er lette, hvilket forbedrer brændstofeffektiviteten. Men, deres træthedsegenskaber er notorisk dårlige sammenlignet med stål med tilsvarende styrke.

Professor Hutchinson sagde, når man brugte aluminiumslegeringer til transport, designet skal kompensere for træthedsbegrænsningerne for aluminiumslegeringer. Det betyder, at der bliver brugt mere materiale, end producenterne ønsker, og at strukturerne er tungere, end vi ønsker.

"80 procent af alle ingeniørlegeringsfejl skyldes træthed. Træthed er svigt på grund af en vekslende stress og er en stor ting i fremstillings- og ingeniørindustrien, " sagde professor Hutchinson.

"Tænk på at tage en metal papirclips i hænderne og prøve at knække metallet. Det kan man ikke. Men hvis du bøjer den en vej, så den anden, og frem og tilbage et antal gange, metallet vil knække.

"Dette er 'failure by fatigue', og det er en vigtig overvejelse for alle materialer, der bruges i transportapplikationer, såsom tog, biler, lastbiler og fly."

Svigt ved træthed opstår i etaper. Den alternative spænding fører til mikroplasticitet (undergår permanent forandring på grund af spænding) og ophobning af skader i form af en lokalisering af plasticitet ved de svage led i materialet.

Den plastiske lokalisering katalyserer en træthedsrevne. Denne revne vokser og fører til endelig brud.

Ved at bruge kommercielt tilgængelig AA2024, AA6061 og AA7050 aluminiumslegeringer, forskere brugte den mekaniske energi, der blev tilført materialerne under de tidlige cyklusser af træthed til at helbrede de svage punkter i mikrostrukturen (PFZ'erne).

Dette forsinkede kraftigt lokaliseringen af ​​plasticitet og initieringen af ​​træthedsrevner, og så forbedret træthedsliv og styrker.

Professor Hutchinson sagde, at disse resultater kunne være væsentlige for transportindustrien, da efterspørgslen efter brændstofeffektive, lette og holdbare fly, biler, lastbiler og tog fortsætter med at vokse.

"Vores forskning har vist en konceptuel ændring i det mikrostrukturelle design af aluminiumslegeringer til dynamiske belastningsapplikationer, " han sagde.

"I stedet for at designe en stærk mikrostruktur og håbe, at den forbliver stabil så længe som muligt under træthedsbelastning, vi erkendte, at mikrostrukturen vil blive ændret af den dynamiske belastning og, derfor, designet en startmikrostruktur (der kan have lavere statisk styrke), som vil ændre sig på en sådan måde, at dens udmattelsesydelse er væsentligt forbedret.

"I denne henseende, strukturen trænes, og træningsskemaet bruges til at helbrede de PFZ'er, der ellers ville repræsentere de svage punkter. Fremgangsmåden er generel og kan anvendes på andre udfældningshærdede legeringer, der indeholder PFZ'er, for hvilke træthedsydelse er en vigtig overvejelse."